科學家提出可編程點陣結構設計策略，助力航空航天裝備智能化發展

在航空航天和汽車行業迅猛發展的當下，市場對於輕質、高強度、高能量吸收能力的防護材料需求急劇上升。

在這些材料中，點陣結構因其在減輕重量的同時，還可提供機械保護的特性而備受關注。

然而，傳統點陣結構在承受壓縮載荷時易發生剪切帶的形核和快速擴展，這會導致應力波動顯著，從而削弱承載和防護能力，最終以結構整體被破壞的方式來保護外部構件。

此外，現代防護裝備對智能化的需求，對結構設計提出了更高的要求。

為抑制剪切帶的形核與擴展，新加坡南洋理工大學周琨教授課題組提出了一種全新的點陣結構設計策略，首次構建了一種新型的可編程異質層狀點陣結構。

該結構由面心立方（FCC，face-centered cubic）和體心立方（BCC，body-centered cubic）點陣片層交替堆疊而成，實現了拓撲上的創新排列。

研究人員發現，調整異質層狀點陣結構中的片層厚度，能夠有效控制 BCC 點陣片層中剪切帶的形成，從而增強結構的整體承載能力和能量吸收能力。

相較於傳統的 BCC 點陣結構，它的吸能和能量吸收效率分別提升至前者的 10 倍和 9 倍。

此外，在外部載荷作用下，局部片層保持不變形，為嵌入的傳感器等敏感元件提供了穩定的保護屏障。

這些性能使結構實現了卓越的整體防護效果，並賦予了傳統結構所不具備的局部防護能力。

該策略不僅解決了傳統點陣結構的整體失效問題，提高整體承載和防護性能，還能夠保證局部片層區域不變形，從而實現對外部構件和內部組件的雙重機械防護，有望應用於航空航天、汽車工業和智能可穿戴設備等領域。

審稿人對該研究評價稱，「這項工作新穎且富有趣味，代表了點陣結構設計的一項重大進展。」

不久前，相關論文以《可編程異質層狀點陣結構實現雙重機械保護》（Programmable heterogeneous lamellar lattice architecture for dual mechanical protection）為題發表在 Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）[1]。

南洋理工大學田圓圓博士是第一作者，周琨教授擔任通訊作者。

據瞭解，該研究的靈感來源於最近報導的一種新型高熵合金的微觀組織，這種組織由 FCC 和 BCC 晶體結構納米片層交替構成，賦予了該合金優異的強韌性和非均質變形特性。

受此啟發，研究人員將這種微觀結構引入宏觀尺度的點陣結構設計中，通過交替排列 FCC 和 BCC 點陣片層，實現了整體卓越的力學性能和局部非均質變形。

與傳統的點陣結構相比，該設計大幅度提升了結構整體的機械防護能力，同時突破性地實現了局部區域的防護。

具體來說：

在異質點陣結構設計方面，該課題組利用 FCC 和 BCC 點陣片層顯著不同的塑性屈曲能量閾值，有效地抑制了剪切帶在整個點陣結構中形核與擴展。

在局部力學行為可編程性方面，他們基於編碼指定點陣片層內的胞元類型，賦予局部片層區域力學行為可編程性，從而保護嵌入在非變形片層區域的傳感器等敏感元件。

在雙重機械防護方面，其不僅可以基於局部點陣片層的變形來吸收載荷以保護外部構件免受破壞，還能通過保持其他片層區域不變形，以保護該區域嵌入的敏感元件（如傳感器）正常運行。

據瞭解，該研究曆時近兩年時間。其中，攻克 3D 打印工藝挑戰和優化異質片層力學行為，是研究過程中的主要難點。

實際上，異質層狀點陣結構對製造精度和製造工藝要求極高，田圓圓在完成初步的結構設計之後，多次嘗試和優化多種工藝，最後成功地利用多射流熔融（MJF，Multi Jet Fusion）3D 打印工藝，實現了結構的高精度製造。

另一方面，BCC 和 FCC 點陣片層力學行為差異顯著。「我們通過實驗和有限元模擬對片層厚度進行優化，最終找到最佳的片層厚度，並實現了最優的力學性能。」周琨說。

該設計有望應用於航空航天、汽車工業以及智能可穿戴等領域。

• 航空航天：顯著提升飛機蒙皮、衛星外殼等的承載和能量吸收能力，同時有效保護嵌入局部片層內的敏感元件，滿足在極端環境下的高可靠性需求，助力航空航天裝備的輕量化和智能化發展。

• 汽車工業：應用於車身結構的高效吸能設計，不僅能夠大幅提升車輛的碰撞安全性，還為輕量化與高安全性汽車車身結構的創新設計提供有力支持。

• 智能可穿戴設備：通過將機械防護與智能功能相結合，該技術可為新一代智能可穿戴設備提供高效的雙重機械防護解決方案，拓寬其應用場景，有望滿足更廣泛的用戶需求。

據介紹，研究團隊在接下來的研究階段將繼續拓展多功能復合結構和製造技術的突破這兩個關鍵方向。

他們計劃開發集成機械防護、導電、導熱、電磁屏蔽等多功能一體化的輕質結構材料。與此同時，開發經濟高效的製造工藝，以實現多功能復合結構的產業化。

周琨表示：「我和團隊將與相關企業開展深入合作，推動該技術在航空航天、汽車工業和智能可穿戴防護設備等領域的產業化落地。」

總體來說，該研究不僅為高性能復合結構設計提供了新範式，還有助於開發輕質且性能卓越的防護材料。

同時，也為結構材料性能的可編程性提供了新視角，並有助於推動下一代輕量化和智能化防護裝備的持續發展。

1.Tian,Y. et al. Programmable heterogeneous lamellar lattice architecture for dual mechanical protection.Proceedings of the National Academy of Sciences 121,43,e2407362121(2024).https://doi.org/10.1073/pnas.2407362121

排版：劉雅坤