近年來，結(jié)構(gòu)化材料通過其胞元結(jié)構(gòu)的設(shè)計展現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能，如：超高剛度、超高強(qiáng)度、負(fù)泊松比、負(fù)熱膨脹等等，因此被廣泛地應(yīng)用到航空航天、醫(yī)療器械、能源工程以及電子技術(shù)等多個領(lǐng)域。然而，現(xiàn)階段多數(shù)結(jié)構(gòu)化材料都由同一胞元的周期性排列構(gòu)成，從而導(dǎo)致單一的同質(zhì)變形響應(yīng)，并將性能限制在較小的范圍內(nèi)。因此，深入挖掘異質(zhì)組裝在性能提升方面的巨大潛力，通過開發(fā)不同胞元的多種空間排列策略來獲取更加優(yōu)異的性能，這一研究方向有著重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值。
近日，西安交通大學(xué)的洪軍/李寶童課題組通過對巨量高精度性能數(shù)據(jù)的分析（共選取了由各種性能迥異胞元組裝形成的745752類材料），發(fā)現(xiàn)了一種正負(fù)泊松比胞元的異質(zhì)組裝使力學(xué)性能（這里指楊氏模量和泊松比）顯著增強(qiáng)的現(xiàn)象（在不增加材料用量的情況下，楊氏模量增強(qiáng)了超過兩個數(shù)量級）。受該現(xiàn)象啟發(fā)，研究團(tuán)隊經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式推導(dǎo)，建立了一種精準(zhǔn)計算力學(xué)性能的理論模型，并基于模型進(jìn)一步提出了用于獲取可編程極限性能的幾何設(shè)計準(zhǔn)則。通過應(yīng)用這些準(zhǔn)則，得到了具有現(xiàn)階段很接近楊氏模量理論極限的幾何結(jié)構(gòu)。與此同時，性能的可編程特性可以通過調(diào)整胞元的數(shù)量比例來實現(xiàn)。最后，利用數(shù)值仿真、理論計算和精密試驗等多種方法對這種顯著的性能增強(qiáng)效應(yīng)進(jìn)行了全面驗證。團(tuán)隊采用摩方精密microArch®S240（精度：10μm）3D打印設(shè)備，完成了在楊氏模量上具有兩個數(shù)量級以上增強(qiáng)效果的材料樣件的制備，并實現(xiàn)了樣件在長度尺度上由微米尺度到宏觀尺度的跨越。
團(tuán)隊提出的準(zhǔn)則通過對基礎(chǔ)胞元的篩選和空間布局的組裝使原本性能普通的胞元發(fā)揮出近乎極限的力學(xué)性能，進(jìn)而構(gòu)建出一條通往楊氏模量和泊松比理論極限的“橋梁"。此外，這些篩選和組裝準(zhǔn)則的核心是針對胞元的力學(xué)性能，對其拓?fù)?、形狀和大小并沒有約束。因此，該準(zhǔn)則為極限力學(xué)性能的幾何設(shè)計提供了更大的空間，極大增加了結(jié)構(gòu)化材料的應(yīng)用價值。
相關(guān)研究成果以"Design criteria for architected materials with programmable mechanical properties within theoretical limit ranges"為題發(fā)表在期刊《Advanced Science》上，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院尹鵬博士研究生為第一作者，西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院洪軍教授、李寶童教授、陳小明教授為共同通訊作者，該工作得到了國家自然科學(xué)基金委的大力支持。
extreme
性能對應(yīng)的 HRVE 幾何。圖中顯示了12個胞元對的幾何、具有extreme性能的HAM的HRVE幾何，以及每組具有extreme
性能的HAM與基本胞元相比的性能增強(qiáng)倍數(shù)。
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