想象一种与气凝胶相同重量和密度的材料——这种材料非常轻，被称为“冰冻烟雾”——但硬度是气凝胶的1万倍。这种材料可能会对航空航天和汽车工业以及其他需要轻质、高刚度和高强度材料的应用产生深远的影响。亚博网站下载
劳伦斯利弗莫尔工程师郑晓宇(音译)是《科学》杂志上那篇文章的主要作者，他研究的是构成超轻、超硬材料的单位细胞的宏观版本。亚博老虎机网登录摄影:Julie Russell/LLNL
劳伦斯利弗莫尔和麻省理工学院(MIT)的研究人员利用增材微制造工艺开发了一种具有这些特性的材料。该研究小组的研究结果发表在6月20日的《科学》(Science)杂志上。亚博老虎机网登录
这篇题为《超轻超硬机械超材料》(Ultralight, Ultrastiff Mechani亚博网站下载cal Metamaterials)的文章描述了该团队开发的微架构超材料——具有自然界中所没有的特性的人工材料——即使在超低密度下，也能保持单位质量密度几乎恒定的刚度。亚博网站下载具有这些特性的材料有一天可能被用于开发飞机、汽车和太空飞行器的零部件。
大多数轻质多孔材料的力学性能随着密度的降低而大大降低亚博网站下载，因为它们的结构元素在施加的载荷下更有可能发生弯曲。然而，该团队的超材料在密度上表亚博网站下载现出超过三个数量级的超硬特性。
“这些轻质材料可以承受至少16万倍自身亚博网站下载重量的载荷，”LLNL工程师郑晓宇(音)说，他是《科学》杂志这篇文章的主要作者。亚博老虎机网登录“这种超高刚度的关键在于，这种材料中的所有微结构元素都被设计成过度约束，在施加的载荷下不会弯曲。”
根据研究小组的发现，观察到的高刚度在聚合物、金属和陶瓷等多种成分材料中都是正确的。亚博网站下载
LLNL工程师Chris Spadaccini亚博网站下载说:“我们的微建筑材料的特性是由它们在微尺度上的几何布局决定的，而不是由化学成分决定的。”Chris Spadaccini是这篇文章的通讯作者，领导了这个联合研究小组。“我们用投影显微立体光刻技术制作了这些材料亚博网站下载。”
这种增材微制造工艺涉及使用微镜显示芯片，用光敏原料材料一层一层地制造高保真3D零件。亚博网站下载它允许团队快速生成具有复杂三维微尺度几何形状的材料，否则具有挑战性或在某些情况亚博网站下载下，不可能制造。
麻省理工学院教授兼主要合作者尼古拉斯·方（Nicholas Fang）说：“现在我们可以用台式机打印出坚硬而有弹性的材料。”。“这使我们能够快速制作许多样品，并观察它们的机械性能。”
该团队能够用聚合物、金属和陶瓷构建微晶格。
例如，他们用聚合物作为模板来制造微晶格，然后在微晶格上涂上一层200到500纳米厚的金属薄膜。然后，聚合物芯被热移除，留下一个空心管金属支柱，从而产生超轻重量的金属晶格材料。亚博网站下载
“通过制作这些薄膜空心管，我们制造了一种极端的、轻量级的材料，”Spadaccini说，他也是LLNL工程材料、制造和优化中心的负责人。亚博网站下载“但这一切都是由最初的聚合物模板结构实现的。”
研究小组用聚合物微晶格重复了这一过程，但没有用金属涂层，而是用陶瓷制造了一种约50纳米厚的薄膜涂层。这种陶瓷微结构材料的密度与气凝胶相似。
“它是世界上最轻的材料之一，”Spadaccini亚博网站下载说。“然而，由于它的微结构布局，在同等密度下，它的刚度比气凝胶高出四个数量级。”
最后，该团队使用稍微不同的方法生产了第三种超硬微结构材料。他们在聚合物中装入陶瓷纳米颗粒，构建聚合物-陶瓷混合微晶格。yabo214聚合物被热去除，使陶瓷颗粒致密成固体。yabo214新型固体陶瓷材料也表现出类似的强度和刚度性能。
Spadaccini说:“我们使用添加剂微制造技术制造机械超材料，使用多种基材成分——聚合物、金属和陶瓷，实现了前所未有的性能组合。”
LLNL-MIT团队的新材料比之前在学术亚博网站下载期刊上报道的其他超轻晶格材料硬度高100倍。
资料来源：http://www.llnl.gov/