作為一種新興的力學超材料，三維微納米點陣材料具有低密度、高模量、高強度、高能量吸收率和良好的可恢復性等優(yōu)異的力學性能，極大地拓展了已有材料的性能空間。如何通過拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計獲得具有優(yōu)異力學性能的三維微納米點陣材料是固體力學領(lǐng)域的研究熱點之一。微納米點陣材料通常由具有特定結(jié)構(gòu)的單胞在三維空間中周期陣列形成。根據(jù)組成單胞的基本元素的種類，可以將三維微納米點陣材料分為基于桁架（truss）、平板（plate）和曲殼（shell）三種類型。目前，基于桁架的微納米點陣材料已經(jīng)表現(xiàn)出良好的力學性能，但其節(jié)點處的應(yīng)力集中限制了其力學性能的進一步提升。近年來的研究表明，基于平板的微納米點陣材料可以達到各向同性多孔材料楊氏模量的理論上限，然而其閉口的結(jié)構(gòu)特點為其通過增材制造的手段進行制備帶來了挑戰(zhàn)。相比之下，具有光滑、連續(xù)、開口特點的曲殼結(jié)構(gòu)則在構(gòu)筑具有優(yōu)異力學性能的微納米點陣材料方面具有天然的優(yōu)勢。

近期，清華大學李曉雁教授課題組采用面投影微立體光刻設(shè)備（microArch S240，摩方精密BMF）制備了特征尺寸在幾十至幾百微米量級的多種桁架、平板和曲殼微米點陣材料。所研究的結(jié)構(gòu)包括Octet型和Iso型兩種桁架結(jié)構(gòu)、cubic+octet平板結(jié)構(gòu)以及Schwarz P、I-WP和Neovius三種極小曲面結(jié)構(gòu)。其中，cubic+octet平板結(jié)構(gòu)是早先研究報道的能夠達到各向同性多孔材料楊氏模量理論上限的平板結(jié)構(gòu)。

該團隊通過原位壓縮力學測試研究并對比了多種不同結(jié)構(gòu)的微米點陣材料的變形特點和力學性能。結(jié)果表明，相對密度較大時，I-WP和Neovius曲殼微米點陣材料與cubic+octet平板點陣材料類似，在壓縮過程中呈現(xiàn)均勻的變形特點。而Octet型和Iso型兩種桁架點陣則在壓縮過程中形成明顯的剪切帶，發(fā)生變形局域化。相應(yīng)地，I-WP和Neovius兩種曲殼點陣和cubic+octet平板點陣具有比桁架點陣更高的楊氏模量和屈服強度，這與有限元模擬的結(jié)果一致。有限元模擬同時揭示了曲殼和平板單胞具有優(yōu)異力學性能的原因在于其在壓縮過程中具有更均勻的應(yīng)變能分布，而桁架單胞節(jié)點處存在明顯的應(yīng)力集中，其節(jié)點處及豎直承重桿件的局部應(yīng)變能甚至可以達到整體結(jié)構(gòu)平均應(yīng)變能的四倍以上。該研究表明，基于極小曲面的點陣材料能夠表現(xiàn)出比傳統(tǒng)的桁架點陣材料更為優(yōu)異的力學性能，同時其光滑、連續(xù)、無自相交區(qū)域的特點使得其在構(gòu)筑結(jié)構(gòu)功能一體化的微納米材料方面具有重要的應(yīng)用前景。

圖1. (A-F) 多種桁架、平板及曲殼單胞結(jié)構(gòu)；(G-L)采用面投影微立體光刻技術(shù)制備的多種不同結(jié)構(gòu)的聚合物微米點陣材料

圖2. 利用面投影微立體光刻技術(shù)制備的聚合物微米點陣材料原位壓縮力學測試結(jié)果。(A-F)工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(G-L)不同結(jié)構(gòu)的點陣材料在加載過程中的典型圖像（標尺為2 mm）

圖3. 周期邊界條件下不同單胞結(jié)構(gòu)單軸壓縮的有限元模擬結(jié)果。（A-B）歸一化楊氏模量和屈服強度隨相對密度的變化；（C-H）不同單胞結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能分布