在元材料中突破度-调节性权衡:最小表面引导混合格子策略
Min Zhang1, Kang Gao1, Jinlong Liu1
1Key Laboratory of Concrete and Prestressed Concrete Structures of the Ministry of Education, School of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing, 211189, China.
Advanced science (Weinheim, Baden-Wurttemberg, Germany)
|August 11, 2025
概括
研究人员开发了一种用于架构元材料的新设计框架,克服了刚性-可调性权衡. 这一创新增强了机械强度和可调节性质,用于先进的应用.
科学领域:
- 材料科学 材料科学 材料科学
- 机械工程 机械工程
- 超材料是什么?超材料是什么?
背景情况:
- 建筑元材料传统上面临着硬度和可调性之间的权衡,这限制了它们的多功能应用.
- 开发具有高刚性和可调节性质的元材料对于先进的工程至关重要.
研究的目的:
- 为架构型元材料引入一个可通用的设计框架,集成基于shell和板块的晶格架构.
- 通过克服刚性-调节性限制,实现具有优化机械强度的可调整架构.
主要方法:
- 采用空间补偿的布尔融合策略来整合不同的格子架构.
- 使用PolyJet打印制造结构,并使用均质化,准静态压缩测试和有限元分析进行评估.
- 展示了基于原始和IWP三次周期最小表面 (TPMS) 与立方板格子融合的两个配置.
主要成果:
- 混合元材料的设计实现了213.98%的有效弹性模量调节范围的增加,与超硬板网格相比.
- 在特定的相对密度下,混合格子达到模的哈辛-施特里克曼上限的137.34%和110.84%.
- 与单晶格设计相比,最终应力 (高达690%) 和特定能量吸收 (高达110%) 显著改善.
结论:
- 拟议的超材料提供了卓越的调性和机械性能的独特组合.
- 灵活的设计框架允许为各种应用量身定制结构行为,包括生物医学工程和智能基础设施.
- 这项工作在多功能架构元材料的设计和应用方面取得了重大进展.
