理想材料不僅需要像機械一樣堅固可靠，而且還要輕質(zhì)。大自然很容易做到這一點，如磚和砂漿，結(jié)合軟，輕材料進行周期性組合，產(chǎn)生具有優(yōu)良強度、剛度和韌性的復合材料。然而，用實驗室中的材料來模擬大自然的智慧，這一點被證明是非常棘手的。

現(xiàn)在，由普渡大學Gary J. Cheng領(lǐng)導的美國和中國研究人員團隊已經(jīng)提出了一種克服“混合物規(guī)則”的策略，創(chuàng)建超輕、機械可靠的復合材料[Deng et al., Materials Today (2018),

陶瓷材料輕質(zhì)而堅固，但本質(zhì)上很脆。然而，3D打印的出現(xiàn)使得制造內(nèi)部具有復雜微結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)的復合材料能夠彌補這一缺點。中空3D結(jié)構(gòu) 為“機械超材料”帶來了希望，這種結(jié)構(gòu)大大減輕了重量，提高了剛度和強度。迄今為止，這種機械超材料分為兩類，由可伸展晶格（S晶格）和彎曲晶格（B晶格）支配的桁架結(jié)構(gòu)。S-晶格中的支柱不能旋轉(zhuǎn)或彎曲，因此這些結(jié)構(gòu)具有高的剛度，但他們在壓縮下屈曲。相比之下，B-晶格具有更靈活的抗沖擊應(yīng)變，因為他們的支柱可以旋轉(zhuǎn)和彎曲。

相反，Cheng和他的團隊創(chuàng)建了一種彎曲主導的空心納米材料（B-H晶格），具有優(yōu)異的強度、可恢復性和循環(huán)性，他們涂覆碳化聚合物納米層以減少變形過程中的彎曲。

“我們發(fā)現(xiàn)，陶瓷納米線的機械性能可以通過納米陶瓷/碳納米晶格顯著改善，使它們具有更好的剛度、循環(huán)性和剛性/強度重量比，”他解釋道。

B-H晶格是由相互連接的垂直支柱支撐的蝶形單元構(gòu)成的。使用UV固化樹脂模板形成復雜的結(jié)構(gòu)，這種模板用光刻法制造。氧化鋁與外部的納米層碳化聚多巴胺在模板上沉積。*后，除去模板，留下一種表現(xiàn)出高剛度、低密度、在沒有應(yīng)變（不超過55%）的情況下不彎曲的超材料，并且在循環(huán)加載（15%應(yīng)變）下是穩(wěn)定的。

“我們的材料的新穎之處在于它的非屈曲行為，這是*次實現(xiàn)這種恢復機制” Cheng說。

新型超材料可以通過彎曲來適應(yīng)較大的應(yīng)變，同時抑制變形過程中的屈曲。他說，與天然材料相比，超材料的性能是突出的。

現(xiàn)在，這個團隊想展示這種超材料的大規(guī)模生產(chǎn)。

Cheng說：“在未來10年，我們的研究將有助于像陶瓷基多功能結(jié)構(gòu)、機械穩(wěn)定儲能設(shè)備、輕質(zhì)高強度材料和能量耗散結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。”

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