南洋理工大学周琨教授团队PNAS：可编程异质层状点阵结构实现双重机械保护

一、导读

随着航空航天、汽车和包装等领域的快速发展，对轻质、高强、高能量吸收的机械防护材料的需求日益增加。增材制造技术的发展，使点阵结构逐渐成为轻量化防护材料的典型代表。然而，现有的点阵结构在压缩载荷下易发生剪切带的形核与扩展，导致显著的应力波动，削弱承载防护性能，使整个结构发生破坏以保护外部构件。目前，现代防护装备普遍要求具备智能化功能，传感器等组件通常需要嵌入到结构内部的特定片层区域。因此，迫切需要开发一种新型高性能点阵结构以抑制剪切带的形核与扩展，防止整个结构失效，实现对外部构件和内部组件的双重机械防护。这类结构不仅要能够屏蔽载荷以保护其外部构件，还需确保自身局部片层区域不变形以保护嵌入式组件。这将为防护结构在航空航天、汽车和智能装备等领域开创全新的应用前景，也将对推动下一代轻量化、智能化机械保护的实现起到至关重要的作用。

近日，南洋理工大学、新加坡 3D 打印中心的周琨教授团队首次提出了一种全新的点阵结构设计策略，通过采用多射流熔融（Multi Jet Fusion，MJF）增材制造工艺，以聚酰胺12(PA12)粉末为原材料，设计并制造了由面心立方（FCC）和体心立方（BCC）点阵片层交替拓扑排列而成的可编程异质层状点阵结构，实现了双重机械保护，对新一代轻质智能机械防护装备的发展具有重要意义。该研究成果发表在国际顶级期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上，论文题目为“Programmable heterogeneous lamellar lattice architecture for dual mechanical protection”，通讯作者为新加坡南洋理工大学周琨教授。

二、内容简介

据报道，由FCC和BCC晶体结构纳米片层构成的微观组织，赋予了新型高熵合金优异的强韧性和非均质变形特性。受此启发，该团队将对异质点阵胞元及其排列方式的设计结合起来，提出了一种利用相邻异质点阵片层具有显著不同的塑性屈曲能量阈值来抑制剪切带形核与扩展的全新点阵结构设计范式。基于先进的增材制造技术，团队成功制造了一系列典型的具有复杂几何形状的高精度可编程异质层状点阵结构，如防护头盔顶部曲面（图1A，B）。所提出的由FCC和BCC点阵片层交替拓扑排列而成的异质层状点阵结构在其内部具备力学行为的可编程性（图1C，D）。另外，在整体上表现出显著提高的能量吸收和承载能力，其比吸能和能量吸收效率分别是BCC点阵结构的10倍和9倍。

由于BCC和FCC点阵结构之间具有显著的力学性能差异，该异质层状点阵结构在承受载荷时，BCC和FCC片层会发生异步变形。这一特性允许通过编码指定片层内的胞元类型，实现点阵结构局部片层区域的力学行为可编程性，从而为嵌入在局部不变形区域的内部组件提供保护。此外，BCC片层中剪切带的形核与扩展被抑制以及BCC和FCC片层的异步变形诱发应力强化，这些行为共同增强了结构的力学性能。研究发现，在固定点阵片层宽度的情况下，通过对异质层状点阵结构的片层厚度进行调控，可抑制剪切带的形核与扩展，使BCC片层中的胞元发生同步变形，从而增强结构的承载防护能力（图2）。

与已有的增材制造点阵结构和防护结构织物相比，该工作提出的异质层状点阵结构在承载防护性上实现了显著提升。更重要的是，不同于传统点阵结构，该点阵结构还具备局部片层区域的力学行为可编程性，这为具有双重机械防护功能的轻质智能材料的开发提供了新的契机，能够同时保护外部构件和内部嵌入组件免受损坏。例如，在飞机蒙皮的设计中，引入该异质层状点阵结构，根据实际需求编码BCC和FCC片层的排列，灵活调控结构内部的力学行为。传统的飞机蒙皮结构，如实心或蜂窝状蒙皮，在受到外部载荷时，会沿载荷方向发生整体变形或损坏，影响其功能性和机械防护性能。而采用该工作提出的可编程异质层状点阵结构，可以通过蒙皮内部的BCC点阵片层发生变形来吸收载荷，保护机翼油箱、翼梁腹板等重要外部构件不受破坏。同时，表面的FCC点阵片层保持不变形，从而保护该片层内嵌入的各种光纤光栅（FBG）传感器，免受损坏。这种结构的智能防护性能，不仅提升了飞机蒙皮的承载防护能力，还为嵌入的传感器等关键元件提供了额外保护，如图3E所示。

三、小结

该工作利用增材制造技术提供的设计自由度，创新性的设计了异质点阵胞元及其排列方式，成功开发了一种新型高性能点阵结构。通过试验、理论和有限元模拟，系统研究了该结构优异的整体承载防护性能和局部片层区域力学行为可编程性。该研究成果不仅拓展了点阵结构材料在航空航天、汽车、运输等安全设备中的双重机械防护应用，还展现了其在轻质智能防护材料领域的巨大应用潜力。

原始文献：

Tian, Y., Zhang, X., Hou, B., Jarlöv, A., Du, C., & Zhou, K. (2024). Programmable heterogeneous lamellar lattice architecture for dual mechanical protection. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(43), e2407362121.

原文链接：

https://doi.org/10.1073/pnas.2407362121

投稿作者：张鑫

责任编辑：复小可