研究人員新發(fā)明納米晶格結(jié)構(gòu)，有助提升未來飛行器性能

（文章來源：十輪網(wǎng)）

美國加州大學(xué)爾灣分校（UC Irvine，UCI）和其他機構(gòu)的研究人員設(shè)計開發(fā)出比強度系數(shù)（Specific strength；強度/ 密度比強度）大于鉆石的薄片式納米晶格結(jié)構(gòu)（Plate-Nanolattices，也即納米尺度碳結(jié)構(gòu)）。在《自然通信》期刊的一項最新研究中，科學(xué)家們闡述了在概念化和制造這種材料上的成功，該材料由緊密連接的蜂嵌套薄片組成，而不是采用過去幾十年在這種結(jié)構(gòu)中常見的圓柱形桁架。

“以前橫梁式設(shè)計雖然引起人們的極大興趣，但在機械性能方面并沒有那么有效，”UCI機械與航空太空工程研究人員Jens Bauer表示：“我們創(chuàng)造的這種新型薄片式納米晶格結(jié)構(gòu)比最好的橫梁式納米晶格結(jié)構(gòu)的強度及硬度更高?！备鶕?jù)該論文指出，該團隊的設(shè)計已被證明可以提高柱形梁結(jié)構(gòu)的平均性能表現(xiàn)，其在強度上提高639%，在剛性上提高522%。

UCI材料科學(xué)與工程暨機械與航空太空工程教授Lorenzo Valdevit所主持之可構(gòu)建材料實驗室（Aarchitected Materials Laboratory）的成員使用加大爾灣材料研究所（Irvine Materials Research Institute，IMRI）提供的掃描電子顯微鏡和其他技術(shù)驗證了他們的發(fā)現(xiàn)。

“科學(xué)家們預(yù)測，以薄片式設(shè)計排列的納米晶格會非常堅固，”UCI材料科學(xué)與工程研究生，同時也是本篇論文第一作者的Cameron Crook表示：“但是這種制造結(jié)構(gòu)的困難度意味著，直到我們成功做到這點，這個理論才被證明可行?！?/p>

Bauer表示，該研究團隊的成果取決于一種稱為雙光子微影激光直寫技術(shù)（Two-Photon Lithography Direct Laser Writing）的復(fù)合式3D激光打印程序。隨著紫外線光敏樹脂的逐層添加，該材料會在兩個光子會合處變成固態(tài)聚合物。該技術(shù)能夠使重復(fù)的蜂嵌套晶格體變成僅160納米厚的薄片。

該研究團隊的一項創(chuàng)新之舉就是在薄片上開了一些小孔，這些小孔可用來去除成品材料中多余的樹脂。最后一道程序會讓晶格進行高溫分解，其會在真空中加熱到攝氏900度，并持續(xù)一小時之久。根據(jù)Bauer的說法，最終會形成一種由玻璃碳構(gòu)成的立方體晶格，這樣結(jié)構(gòu)的強度是科學(xué)家們所能想到之多孔材料中最高的。

Bauer表示，這項研究的另一個目標(biāo)和成就是探索基礎(chǔ)物質(zhì)在其固有機械效應(yīng)上的可行應(yīng)用?！爱?dāng)你將任何一種材料的尺寸急劇地縮小到100納米時，它就會成為理論上幾乎沒有任何孔或裂紋的晶體。減少這些裂紋會增加系統(tǒng)的整體強度，”他表示。

“以前沒有人將這些結(jié)構(gòu)從尺度中獨立出來，”UCI設(shè)計與制造創(chuàng)新研究所（Institute for Design and Manufacturing Innovation，IDMI）所長Valdevit補充指出：“我們是第一個通過實驗驗證其性能表現(xiàn)與預(yù)期相符的研究小組，同時還展示了具有前所未有機械強度的可構(gòu)建材料?！睂Y(jié)構(gòu)工程師，尤其是航空太空領(lǐng)域的工程師來說，納米晶格具備無限的前景與巨大的潛力，因為人們希望它們兼具高強度與低質(zhì)量密度的特性將大大提升飛機和飛行器的性能表現(xiàn)。

（責(zé)任編輯：fqj）