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首页 > 资讯中心3D打印多连环构架青岛3D打印材料（PAM）登上Science封面，展现流体-固体双重特性
发布时间：2025-01-20
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美国加州理工学院的研究者们一种新的材料类别——多连环构架材料（polycatenated architected materials, PAMs），它由离散的互锁环或笼状粒子组成，形成3D结构，为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑提供了可能性。在整个研究过程肿，研究人员使用3D打印技术制造了不同的不同类型的PAMs样本，精确地控制粒子的形状ence上，并登上了Science封面，研究题目为3D polycatenated architected materials（三维多链结构材料）。
研究背景
传统构架材料（architected materials）是通过设计其内部结构元素的几何排列来获得特定性能的一类材料。这些材料的设计依赖于连续结构组分来控制整体的机械行为，通常包括刚性连接的桁架、板或壳基格子结构。它们可以从周期性重复的单元胞或无序架构中获取有效的整体性质，并能表现出高强度和轻量化、负泊松比等关键特性。
然而，这类材料在缺乏边界约束时往往缺乏“凝聚力”，因为颗粒之间没有粘合剂连接，因此在张力下不会提供阻力。此外，链甲等二维互锁织物可以支持可调的刚度和可控的形态变化，但三维拓扑互锁结构尚未被充分探索研究。
美国加州理工学院的此次研究介绍了一种新的材料类别——多连环构架材料（polycatenated architected materials, PAMs），由离散的互锁环或笼状粒子组成，形成3D网状结构。PAMs能够展示出非牛顿流体的行为，如剪切稀化和剪切增稠反应，这种新型材料为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑提供了可能性。
研究内容
，能够将任意晶体网络转换成粒子互锁及几何形状，从而创建了3D PAMs。这个过程涉及以下步骤：
△PAM 的设计策略
●从连续图拓扑到PAM的转换：选择一个晶体网络，识别节点对称性并与具有相应对称性的粒子对齐，然后使这些粒子与相邻粒子相互连接，复制原始网络连接。
●基于指定粒子几何形状生成3D PAM：根据给定粒子形状（例如立方八面体）的多个对称轴，利用这些互锁环境单独或组合使用，创造出不同全球拓扑结构的PAMs。
●命名方案：为了便于识别，采用了三部分命名法X-n-abc，其中“X”表示网络拓扑，“n”表示每个粒子的互锁数量，“abc”表示粒子形状。
研究人员进行了机械表征实验，包括准静态单轴压缩测试、简单剪切测试和流变测试。他们观察到了PAMs的非线性应力-应变行为、加载卸载滞后现象以及能量吸收特性。
增材制造技术助力新材料开发
在研究过程中，为了制造多连环构架材料，研究人员采用了增材制造，即3D打印，来构建这些复杂的三维互锁结构。具体来说，研究团队设计并3D打印了不同类型的PAMs样本，包括宏观和微观尺度上的样本。3D打印使得能够精确地控制粒子的形状、大小以及它们的空间排列，这对于实现所需的机械性能至关重要。此外，对于微尺度的PAMs，研究者还展示了其在施加静电荷后能够迅速且可逆地改变形状的能力。这表明3D打印不仅有助于创建这些复杂结构，而且对于探索材料在不同条件下的响应行为也非常重要。总而言之，3D打印技术在这项研究中起到了关键作用，它为科学家们提供了一种灵活且高效的方法来生成和测试新型构架材料。
研究方法
该研究使用了增材制造技术制作了PAMs样品，并选择了八种代表性的PAMs进行分析。为了理解PAMs的力学响应特性，研究者们进行了以下几种实验：
△PAM 的重力诱导松弛和单轴压缩
●单轴压缩测试：用于评估PAMs在不同方向上的松弛行为及其非线性应力-应变特性。
●简单剪切测试：展示了PAMs从流体样态向固体样态转变的能力。
●流变测试：揭示了PAMs在振幅扫描和频率扫描条件下的存储模量、损耗模量和复数粘度的变化规律。
研究背景
传统构架材料（architected materials）是通过设计其内部结构元素的几何排列来获得特定性能的一类材料。这些材料的设计依赖于连续结构组分来控制整体的机械行为，通常包括刚性连接的桁架、板或壳基格子结构。它们可以从周期性重复的单元胞或无序架构中获取有效的整体性质，并能表现出高强度和轻量化、负泊松比等关键特性。
然而，这类材料在缺乏边界约束时往往缺乏“凝聚力”，因为颗粒之间没有粘合剂连接，因此在张力下不会提供阻力。此外，链甲等二维互锁织物可以支持可调的刚度和可控的形态变化，但三维拓扑互锁结构尚未被充分探索研究。
美国加州理工学院的此次研究介绍了一种新的材料类别——多连环构架材料（polycatenated architected materials, PAMs），由离散的互锁环或笼状粒子组成，形成3D网状结构。PAMs能够展示出非牛顿流体的行为，如剪切稀化和剪切增稠反应，这种新型材料为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形建筑提供了可能性。
研究内容
，能够将任意晶体网络转换成粒子互锁及几何形状，从而创建了3D PAMs。这个过程涉及以下步骤：
△PAM 的设计策略
●从连续图拓扑到PAM的转换：选择一个晶体网络，识别节点对称性并与具有相应对称性的粒子对齐，然后使这些粒子与相邻粒子相互连接，复制原始网络连接。
●基于指定粒子几何形状生成3D PAM：根据给定粒子形状（例如立方八面体）的多个对称轴，利用这些互锁环境单独或组合使用，创造出不同全球拓扑结构的PAMs。
●命名方案：为了便于识别，采用了三部分命名法X-n-abc，其中“X”表示网络拓扑，“n”表示每个粒子的互锁数量，“abc”表示粒子形状。
研究人员进行了机械表征实验，包括准静态单轴压缩测试、简单剪切测试和流变测试。他们观察到了PAMs的非线性应力-应变行为、加载卸载滞后现象以及能量吸收特性。
增材制造技术助力新材料开发
在研究过程中，为了制造多连环构架材料，研究人员采用了增材制造，即3D打印，来构建这些复杂的三维互锁结构。具体来说，研究团队设计并3D打印了不同类型的PAMs样本，包括宏观和微观尺度上的样本。3D打印使得能够精确地控制粒子的形状、大小以及它们的空间排列，这对于实现所需的机械性能至关重要。此外，对于微尺度的PAMs，研究者还展示了其在施加静电荷后能够迅速且可逆地改变形状的能力。这表明3D打印不仅有助于创建这些复杂结构，而且对于探索材料在不同条件下的响应行为也非常重要。总而言之，3D打印技术在这项研究中起到了关键作用，它为科学家们提供了一种灵活且高效的方法来生成和测试新型构架材料。
研究方法
该研究使用了增材制造技术制作了PAMs样品，并选择了八种代表性的PAMs进行分析。为了理解PAMs的力学响应特性，研究者们进行了以下几种实验：
△PAM 的重力诱导松弛和单轴压缩
●单轴压缩测试：用于评估PAMs在不同方向上的松弛行为及其非线性应力-应变特性。
●简单剪切测试：展示了PAMs从流体样态向固体样态转变的能力。
●流变测试：揭示了PAMs在振幅扫描和频率扫描条件下的存储模量、损耗模量和复数粘度的变化规律。