微点阵结构力学性能及其尺寸效应研究

As a class of periodic open cell ultra-light porous structure, micro-lattice structures not only have excellent mechanical properties, but also have a special and incredible ability in electromagnetism, optics and acoustics, energy absorbing. Thus application potential of micro-lattice structures is extremely huge and their application prospect is also broad. Mechanical properties of micro-lattice structures are different from their macro counterparts because of the miniaturized of their geometry size. Micro-lattice structures whose size across 6 orders of magnitude, and which is constituted by micro hollow strut, are manufactured in this project by two step method. Their mechanical properties are studied. The research contents include: low cost, high efficiency manufacture technology of 3D micro-lattice structures; the mechanical properties of micro-lattice structures are investigated through theory, numerical and experimental method by considering the size effect;The mechanism of deformation and failure mode of micro-lattice structures is investigated in either micro or nano-scale; A design of micro-lattice structures with excellent mechanical properties is giving based on the research. A solid theory foundation is laid by this project to provide understanding of micro-lattice structure and their future applications.

微点阵结构是一种规则的周期性开孔类超轻多孔结构，不仅力学性能优异，且在电磁、光学、声学、吸能等方面也有着不可思议的特殊能力，所以微点阵结构的应用潜力十分广泛。但是由于微点阵结构几何尺寸的微小化，其力学性能与宏观点阵结构的力学性能有着很大的不同。本项目拟用两步法制备一类尺寸跨越6个数量级的空心杆三维微点阵结构并研究其力学性能的尺寸效应。研究内容包括：开发三维微点阵结构的低成本、高效率制备技术；考虑尺寸效应的前提下，理论、数值和试验相结合研究三维微点阵结构力学性能，并探究其力学性能的尺寸效应影响机制，得到微点阵结构在微纳米尺度下的变形机理及破坏模式；设计并制备出力学性能优异的三维微点阵结构。通过本项目的研究可为人们对微点阵结构认识和未来该结构的应用奠定坚实的基础。

微点阵一般指特征尺寸达到微米量级（100微米以下）或更小的点阵材料。和常规点阵相比，这类点阵由于其尺度因素能拥有较大的比表面积，从而和其他微纳多孔材料一样，具有某些特殊功能应用潜力。该类结构继承了宏观点阵的结构特点，并且往往采用多级设计的思想，因而在超低密度下也能具有相对较高的比性能。但从另一个角度说，这种可设计性及小尺度化的优势也伴随着一个困难，及如何解决更加复杂的多参数设计问题，尤其是当考虑某些微纳米效应之后，经典理论及分析方法往往很难用于该类材料。.对上述问题，实验方面，本项目开发了三维微点阵结构的低成本、高效率制备技术。通过DLP（数字光处理照射成型技术）技术制备出不同拓扑构型和不同相对密度聚合物微点阵结构，然后用化学镀的方法以聚合物微点阵结构为牺牲模，制备出了各种材料的空心杆点阵结构。 此外，理论方面，本文以一种“从杆件到结构”的研究方式，将结构的宏观弹性性能相关参数表征为单个杆件的抗拉、抗弯、抗剪刚度和结构参数（长细比、面芯角等）的函数，建立了一个由杆件性能映射多种点阵结构等效弹性性能的公式体系。以该体系为基础进行了于微纳米点阵材料的研究，从分析单梁的拉压和弯曲性能入手来分析由这些梁的构成的点阵结构的相关性能。从而一方面探讨了几个在微纳米尺度较为重要的理论，包括偶应力理论和表面弹性理论等对结构的影响；另一方面关注了如何从相关简单结构的数值化研究（实验，分子模拟等）中获取尺寸相关参数并且将这些参数应用于点阵结构分析。从而了解这些尺寸效应参数及结构参数对微纳点阵弹性性能的影响，修正点阵刚度设计准则使其适用于微纳点阵体系,并讨论了可能超低密度下的“超刚”点阵材料。