研究：深入探讨三大类3D打印晶格失效行为，并提出创新强化机制
在材料科学与工程领域，超轻晶格材料以其独特的结构特性和广泛的应用前景，一直是研究的热点之一。近期，香港中文大学宋旭教授研究团队携手新加坡国立大学翟玮教授及清华大学高华健院士，在《Advanced Science》期刊上发表了一篇题为《Imperfection-Enabled Strengthening of Ultra-Lightweight Lattice Materials》的研究论文。该研究通过高精度激光粉末床熔融技术（μLPBF），深入探讨了三大类晶格材料（板状、壳状和桁架状晶格）在不同相对密度下的失效行为，并提出了一种创新性的强化机制：通过引入几何缺陷抑制微结构局部屈曲从而提升超低相对密度下晶格材料的强度。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202402727
随着科技进步和工业化发展，工业界和学术界对材料力学性能的要求日益提高，特别是在航空航天、汽车制造和生物医学等领域，对轻量化、高强度材料的需求尤为迫切。晶格材料作为一种具有周期性微结构的高级工程材料，以其低密度、高强度和优异的能量吸收能力，成为了轻量化设计的优选方案。
根据晶格材料的基本组成单元，研究人员可以将其细分为三大类：1) 杆件/桁架晶格（Truss Lattice）；2) 曲壳晶格（Shell Lattice）；3) 平板晶格（Plate Lattice）。
在强度设计层面，主流设计理念以“拉伸主导（Stretching-dominated）”为核心，旨在减少晶格结构中的弯曲变形与应力集中，确保材料主要以拉压状态承载，从而提升承载效率。在此设计原则指引下，传统理论认为，在相对密度接近0的情况下，平板晶格（Plate Lattice）有望达到理论强度极限，且三类晶格的强度排序依次为：板状晶格 > 壳状晶格 > 杆件/桁架晶格。然而，现有实验结果却显示，板状晶格在低相对密度状态下并未能达到预测值; 同时，这三类晶格材料的实际强度也与理论预测值存在明显偏差。
鉴于此, 香港中文大学宋旭教授研究团队通过高精度μLPBF技术，成功制备了具有广泛相对密度范围（1.0%-20.0%）的金属晶格材料，并首次系统性地揭示了晶格材料在单轴压缩载荷下的失效模式转变规律, 同时提出晶格材料的强度设计需要根据不同的失效模式做出适当的调整。在以结构屈曲为主要失效模式的超低相对密度范围内，需要提升晶格材料的稳定性才能提升其强度。他们提出了一种通过引入几何缺陷来抑制微结构局部屈曲从而增强超低相对密度下晶格材料强度的创新性设计方法，为超轻晶格材料的设计和应用提供了新的思路。
已报道相关研究中晶格材料相对强度与相对密度关系的(A)数值和(B)实验结果; (C)本研究采用高精度 µLPBF 技术制造的具有更广泛相对密度范围的板、壳和桁架晶格样品; (D)材料屈服到结构屈曲失效模式转变所导致的板、壳、桁架晶格强度排序变化; (E)引入几何缺陷所带来的抑制晶格微结构局部屈曲和提升晶格材料强度的效应
该研究的成功离不开高精度μLPBF技术的支持。LPBF粉末床熔融技术在工业上广泛应用于制造复杂、高精度的金属零件。它适用于航空航天、汽车、医疗、能源等领域，能够生产轻量化、高性能的部件，实现个性化定制，提高生产效率和产品质量，推动工业制造的创新发展。LPBF技术在制造金属晶格结构方面发挥了重要作用，占据了约 90% 的份额。μLPBF能够在50~100微米尺度上精确构建复杂的三维结构，为实现超低相对密度晶格材料的制备提供了可能。研究团队采用性能稳定的SS316L作为基材，通过设计多几何自适应打印策略，确保了基材性能的一致性和三类晶格结构的高制造保真度。
三类立方晶格和 µLPBF 制备的金属样品：(A) 选定的用于数值仿真的11种晶格; (B) Gyroid壳状晶格、(C) FCC 板状晶格、(D) SC 桁架晶格和 (E) Diamond壳状晶格，用于实验研究; (F) µLPBF高精度打印的微小金属花瓣
主要发现与结果
1. 失效模式转变
该研究发现，随着晶格材料相对密度的降低，其失效模式呈现出一种显著的转变趋势：从材料屈服逐渐过渡到结构屈曲。具体来说，在相对密度较高的状态下，晶格材料的主要失效模式为基材的塑性屈服；而当相对密度降至超低水平时，结构屈曲则成为主导的失效模式。这一屈曲失效现象导致晶格材料的强度随着相对密度的减小而迅速降低。然而，不同类型的晶格结构在失效模式转变的相对密度以及强度降低的速度快慢上存在明显差异，这些差异进一步影响了三大类晶格结构之间强度相对大小的变化格局。
实验测量和数值评估的Gyroid壳状, SC板状和SC桁架晶格的有效抗压强度与应力-应变曲线, 以及具有不同相对密度下的晶格强度排序
2. 弯曲应变能比例（BSER）
为了深入理解晶格材料的变形行为和失效机制，研究团队引入了弯曲应变能占比（BSER）这一关键参数。BSER定义为弯曲应变能与总应变能之比，能够量化晶格材料在变形过程中弯曲效应与拉伸效应的相对贡献。研究发现，随着压缩应变的增加，所有类型的晶格材料在低相对密度下均表现出BSER的显著上升，表明结构屈曲失效实际上是应变能从非稳态转变为稳态的过渡过程。特别地，壳状晶格由于其曲面几何特征，存在一定比例的弯曲应变能，在变形过程中反而表现出更高的稳定性和强度。
图 4. 超轻晶格材料的应变能分析和缺陷强化效应：具有不同相对密度的 (A) SC 桁架、(B) Gyroid 壳状、(C) Neovius 壳状和 (D) SC 板状晶格的 BSER，(E) 几何缺陷示意图和 (F) 有/无几何缺陷的晶格 BSER 曲线，缺陷对 (G) Gyroid 壳状、(H) Neovius 壳状、(I) SC 桁架和 (J) SC 板状晶格抗压强度的影响，以及 (K, L) 实验验证
3. 几何缺陷的强化效应
当晶格材料处于低相对密度状态时，其失效模式由材料屈服转变为结构屈曲，这意味着要提升其强度，必须在提高承载效率的同时，着重增强其结构稳定性。研究结果显示，通过在晶格材料内部引入几何缺陷，例如轻微的波纹状几何，能够有效抑制微结构的局部屈曲行为, 从而显著提升晶格材料在超低相对密度条件下的稳定性和强度。研究团队综合运用数值模拟与实验验证的方法，明确指出了几何缺陷在提升超轻晶格材料力学性能方面的关键作用：它们能够有效增大材料的初始弯曲应变能占比，进而增强其结构稳定性，有效抑制结构屈曲行为的发生。尤其在超低相对密度下，这种通过引入几何缺陷而实现的强度增强效应显得尤为突出，为超轻晶格材料的设计与应用开辟了全新的路径。
本研究中实验测量的晶格样品相对强度与先前研究的相对强度, Voigt 上限和 Suquet 上限的对比
科学意义与应用前景
综上所述，该研究不仅加深了对超轻晶格材料力学行为的理解，也为晶格材料的轻量化设计提供了一种全新的思路。通过引入几何缺陷来提升超轻晶格材料的稳定性和强度，不仅克服了传统设计方法在低相对密度下的局限性，还为其他类型材料的设计和优化提供了有益的借鉴。此外，该研究成果在航空航天、汽车制造和生物医学等领域具有广泛的应用前景。例如，在航空航天领域，轻量化的晶格结构可以显著降低飞行器的重量和能耗；在汽车制造领域，则可以提高车辆的燃油经济性和安全性。随着高精度3D打印技术的持续进步与成本的不断降低，超轻晶格材料的大规模生产与广泛应用正逐步成为现实。
