优化讲坛第三期 | 偶像来了！多才多艺的3D打印点阵结构

世界上最轻的金属结构有多轻？

一张图来告诉你

放到蒲公英花朵上

绒毛都没有发生弯曲变形！

您可看仔细了，它不是平时刷锅用的钢丝球。

它是2011年美国加州大学欧文分校和加州理工大学的研究者们制备出的超轻多孔微点阵——正八面体空心管金属镍微点阵结构。

此图被Nature杂志评选为2011年的年度照片。

该点阵结构由0.01%的固体和99.99%的空气组成，密度仅为0.9mg/cm3，比之前世界上最轻的材料硅土气凝胶（密度为1mg/cm3）还轻，故而被称为2011年世界上最轻的材料。

点阵结构，作为一种周期性多孔结构，可以认为是某种单胞通过大量相同的点阵单元周期性地组合而成。

3D打印点阵结构可以达到工程强度、韧性、耐久性、静力学、动力学性能以及制造费用的完美平衡。

由于轻质高效的结构形式及开放的内部空间，点阵结构被认为是最有应用潜力的结构功能一体化材料。

今天我们就来聊一聊这个多才多艺的全能偶像。

点阵结构比强度和比刚度高，在低密度结构中有较大的力学性能优势。

与传统的固体材料相比，金属点阵材料的密度大大降低，具有相同性能的点阵结构可以减重达70%以上。

与金属泡沫材料相比，金属点阵结构性能上可控制，强度和模量比金属泡沫材料高出一个量级，承载效率更高。

金属点阵结构可以满足航空航天、海洋、交通等领域，主要应用于承受载荷不大，但是具有多功能效果的非关键承载结构。

点阵夹芯结构具有非常理想的抗爆炸、抗冲击性能。

点阵结构在冲击载荷下一般会发生动态失稳，结构内部发生大的塑性/弹性变形，进而吸收大部分冲击能量。

以空心管金属镍微点阵结构为例，将这类金属微点阵材料压缩到98%后，材料仍可以恢复到原来的形状。

这种超弹性使其兼备极高的能量吸收能力，可以用作抗冲击结构。比如做成坦克防护装甲，可以有效保护内部人员与设备。

与蜂窝和泡沫结构相比较，点阵结构空间可以作为散热或主动致冷通道，在强制对流下具有优良的传热性能，可以作为一种承受高密度热流结构。

对点阵结构孔隙进行隔热纤维填充，可起到优良隔热效果。点阵结构已经被考虑用于返航太空舱的热保护系统。

声波进入点阵材料后引起空气震动。由于震动受到曲折孔隙壁阻挡，空气与孔隙壁发生摩擦造成能量损失。经多次反射和折射后，原有入射声波大部分能量变成热量散失到环境中。

杜克大学的工程师们已经用3D打印制造出了一个“声学隐身装置”。

钛金属是一种常见的医学植入材料。但是由于它具有比人体骨骼更高的弹性模量，容易导致植入物和骨头之间的弹性失配。

钛金属点阵结构的弹性模量会随着孔径的增加而减小，从而可以通过改变体积分数和点阵结构的尺寸分布来解决弹性模量匹配问题，使植入物具有量身定制的机械性能，与人体的骨骼匹配。此外，3D打印开放气孔结构便于骨内生长和整个植入物的结合。

金属点阵材料具有周期性结构，可以设计不同构型，改变结构孔隙大小，进一步设计分级和梯度结构。此外，根据点阵结构多孔特点，结合其吸能、降噪、散热、隔热、生物兼容性等特点进行结构多功能设计。结合结构力学性能和可设计性，对结构进行材料结构功能一体化设计，进而广泛应用到航空、航天、航海、医疗等领域。

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