多孔材料具有高比强度、高比吸能等特点，在航空航天、汽车工业等领域关键部件的机械防护方面具有广泛应用。随着先进制造技术尤其是3D打印的发展，具有周期性规则排列的点阵结构在吸能减震方面具有显著优势。然而，目前应用的点阵结构在承载过程中普遍出现剪切带形核与扩展，致使整个防护结构发生应力失衡，减弱防护能力，最终导致结构以整体坍塌的形式为外部构件提供保护。随着智能化防护装备日益增长的需求，传感器等组件通常需要嵌入到结构内部特定片层区域。因此，迫切需要开发一种高性能吸能结构，抑制剪切带的形核与扩展，防止整个结构失效，从而实现双重机械防护，既能屏蔽载荷以保护外部构件，又能保持结构自身局部片层区域不变形以保护嵌入式组件，这对于推动下一代轻量化智能化机械防护至关重要。
据报道，由面心立方（FCC）和体心立方（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，新加坡南洋理工大学周琨教授课题组首次设计了由FCC 和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（图1）。其中，FCC和BCC胞元由杆件直径d和边长a两个几何参数定义（图1A）。通过采用多射流熔融（Multi Jet Fusion，MJF）3D打印工艺，以聚酰胺12(PA12)粉末为原材料，制造了一系列典型的具有复杂几何形状的高精度点阵吸能防护结构，如防护头盔顶部曲面（图1B）。由于BCC和FCC点阵结构之间具有显著的力学性能差异，所提出的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响应可编程性（图1C和D），从而保护嵌入在局部不变形区域的内部组件。此外，BCC和FCC片层的异步变形诱发应力强化效应，而且FCC片层对BCC片层的约束有效抑制了BCC片层中剪切带的形核与扩展，促使 BCC胞元发生同步变形，增强了结构的力学性能。因此，该设计既可以在结构内部实现力学行为的可编程性，又可以在整体上提高点阵结构的能量吸收和承载能力（图1E），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。图2展示了在固定点阵片层宽度的情况下，调控片层的厚度可抑制剪切带的形核与扩展，使BCC胞元发生同步变形，增强结构的防护能力。
图1. 可编程异质层状点阵结构的设计、打印原型及性能。
图2. 不同片层厚度的可编程异质层状点阵结构的力学行为。与同类3D打印点阵结构和防护织物相比，本研究所提出的可编程异质层状点阵结构具有显著提高的整体防护承载性能（图3A-D）。重要的是，该点阵结构不同于已有的传统点阵结构，还具备局部片层区域的力学行为可编程性，这推动了具有双重机械保护能力的轻质智能防护材料的开发，以同时保护外部构件和嵌入的内部组件免受损坏。例如，可以在飞机蒙皮中引入该结构，根据需求编码BCC和FCC片层的排列，从而调整结构内部的机械性能。通常，飞机蒙皮表面需要安装各种光纤光栅（FBG）传感器，现有的实心或蜂窝状飞机蒙皮结构在受到外部载荷时，会沿载荷方向发生整体变形或损坏。如图3E所示，由所提出的可编程异质层状晶格结构构成的飞机蒙皮可以通过内部BCC晶格片层的变形来屏蔽外载，保护机翼油箱和翼梁腹板等外部构件。同时，表面的FCC晶格片层不发生变形，从而保护该片层内嵌入的FBG传感器。
图3. 可编程异质层状点阵结构与其他吸能防护材料力学性能的比较及其潜在应用。本研究工作利用3D打印技术的设计自由度特点以及异质点阵胞元排列模式的设计，使点阵结构兼具优异的力学性能和独特的可编程性，既弥补了现有防护材料的不足，也扩大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，对新一代轻质智能机械保护装备的发展具有重要意义。该工作以“Programmable heterogeneous lamellar lattice architecture for dual mechanical protection”为题发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上（PNAS.2407362121），文章通讯作者是南洋理工大学周琨教授。新加坡南洋理工大学周琨教授课题组依托于惠普-南洋理工大学数字制造联合实验室和新加坡3D 打印中心，长期从事多种增材制造技术（3D打印）研究，例如粉末熔融（MJF、SLM、SLS）、光固化（DLP、SLA）、墨水直写（DIW）、挤出成型（FDM）等。目前聚焦于功能聚合物复合材料及高性能新金属材料研发、先进结构设计和多尺度模拟仿真、增材制造零件宏微观力学性能表征及其应用等。原文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2407362121
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