香港城大《Materials & Design》: 基于PμSL制造的双相微点阵超材料及其无人机应用

2021-09-01

近年来基于3D打印的微格点阵超材料吸引了大量的关注,点阵超材料具有优异的比强度、比刚度,良好的减震降噪、吸能缓冲效果、突出的吸声和屏蔽等许多独特的功能特性,被誉为结构-功能一体化材料,在生物医学、电池电极以及运动器材、无人机减重等领域都有独特应用。其中,在无人机上应用超材料可以有效减轻其重量,减少其飞行所需的推力和功耗,从而提高电池续航时间与飞行持续时间,进而更好地拓展无人机在民用、军事、侦察,救援和娱乐等领域的应用。此外,微格点阵超材料出色的能量吸收能力可以帮助无人机抵抗飞行过程中的撞击和碰撞,点阵镂空结构还可以促进无人机的散热。

 

为优化点阵超材料的机械性能,人们提出了多种多样的设计策略,其中,受晶体学启发的超材料设计策略颇具代表性。例如,已被广泛采用的经典多孔晶格点阵结构如体心立方点阵结构(BCC)、面心立方点阵结构(FCC)、八度桁架点阵结构(OCT)等均是受晶体学中原子/离子排列的启发而形成的超材料设计。

 

近日,香港城市大学机械系及纳米制造实验室(NML)陆洋、生物医学工程系Pakpong Chirarattananon和西安电子科技大学高立波等报道了一种受金属硬化机制中的第二相粒子强化机制启发的多级微点阵超材料设计新策略。该策略思路如下:通过将OCT单元作为第二相粒子引入BCC点阵结构的45°对角平面,从而得到一种先进的OCT-BCC双相微点阵超材料。与原始BCC点阵超材料相比,该OCT-BCC双相微点阵超材料的压缩比强度沿水平方向和纵向显著增加了〜300%和〜600%,同时也伴随着刚度和能量吸收能力的显著提高。

 

图1 基于双相增强概念设计,通过面投影微立体光刻(PμSL)3D打印的OCT-BCC双相微点阵超材料

 

图2 OCT-BCC双相微点阵超材料与原始BCC微点阵材料的3D打印和力学测试

 

为了证明这种先进的OCT-BCC双相微点阵超材料的制造可扩展性和实际应用潜力,该工作还通过摩方精密开发的基于面投影微立体光刻(PμSL)的3D打印技术(nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China)成型了尺寸为5.0 cmx 2.0 cm x 1.0 cm的大尺寸OCT-BCC双相微点阵超材料,并将其成功集成到微型无人机(MAV)的机身中。和原本的实心机身对比,集成了OCT-BCC双相微点阵超材料的轻量化机身重量减少了~ 65%,从而使得微型无人机的飞行时间实现了~ 40%的显著提升。

 

图3 OCT-BCC双相微点阵超材料应用于微型无人机构件以实现减重及服役时间提升

 

该工作不仅提出了一种有效的超材料增强设计方法,而且还展示了高精度PμSL (nanoArch P130, S140, BMF Precision, Shenzhen, China)3D打印超材料在微型无人机等领域的巨大应用潜力。相关成果以题为“3D printing of dual phase-strengthened microlattices for lightweight micro aerial vehicles”的论文发表在国际知名期刊Materials& Design上。