清華大學(xué)在超高強(qiáng)度三維曲面納米點(diǎn)陣材料方面取得重要進(jìn)展

近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院李曉雁教授課題組采用力材料學(xué)（Mechanomaterials）的理念設(shè)計(jì)了曲面單胞，通過面投影微立體光刻技術(shù)和雙光子光刻技術(shù)制備了基于極小曲面的聚合物微米點(diǎn)陣材料，并采用高溫?zé)峤猥@得了基于極小曲面的熱解碳納米點(diǎn)陣材料。相關(guān)成果以Achieving the theoretical limit of strength in shell-based carbon nanolattices發(fā)表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。

所制備的曲面微納米點(diǎn)陣材料的特征尺寸在幾百微米至幾百納米范圍內(nèi)變化。原位壓縮試驗(yàn)表明，基于I-WP極小曲面的微納米點(diǎn)陣材料表現(xiàn)出比早先的桁架點(diǎn)陣和平板點(diǎn)陣更高的模量和強(qiáng)度。更為重要的是，基于I-WP極小曲面的熱解碳納米點(diǎn)陣材料展示了超高的模量、強(qiáng)度和比強(qiáng)度。當(dāng)密度為0.53~0.80 g/cm3時(shí)，其強(qiáng)度達(dá)到了多孔材料強(qiáng)度的理論極限，能夠承受20%壓縮應(yīng)變而不發(fā)生破壞。這些性能均優(yōu)于目前已有的所有三維微納米點(diǎn)陣材料。這些曲面熱解碳納米點(diǎn)陣材料前所未有的力學(xué)性能不僅得益于其優(yōu)異的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)與其納米尺度的特征尺寸密切相關(guān)。

本研究工作分析了特征尺寸跨越了3個(gè)量級(jí)的曲面微納米點(diǎn)陣材料的力學(xué)性能，其歸一化的屈服強(qiáng)度隨特征尺寸的減小而增強(qiáng)，驗(yàn)證了微納米力學(xué)超材料中的尺寸效應(yīng)。這些研究成果表明，基于力材料學(xué)理念，通過功能基元序構(gòu)設(shè)計(jì)，并結(jié)合先進(jìn)制備方法，可以獲得綜合力學(xué)性能優(yōu)異的納米結(jié)構(gòu)材料。這對于進(jìn)一步理解微納米構(gòu)筑材料的力學(xué)性能與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、特征尺寸以及本體材料性能之間的關(guān)系具有重要意義。

下圖多種桁架、平板和曲面單胞結(jié)構(gòu)以及制備得到的不同特征尺寸的微納米點(diǎn)陣材料。