在航空航天和汽车行业迅猛发展的当下，市场对于轻质、高强度、高能量吸收能力的防护材料需求急剧上升。
在这些材料中，点阵结构因其在减轻重量的同时，还可提供机械保护的特性而备受关注。
然而，传统点阵结构在承受压缩载荷时易发生剪切带的形核和快速扩展，这会导致应力波动显著，从而削弱承载和防护能力，最终以结构整体被破坏的方式来保护外部构件。
此外，现代防护装备对智能化的需求，对结构设计提出了更高的要求。
为抑制剪切带的形核与扩展，新加坡南洋理工大学周琨教授课题组提出了一种全新的点阵结构设计策略，首次构建了一种新型的可编程异质层状点阵结构。
该结构由面心立方（FCC，face-centered cubic）和体心立方（BCC，body-centered cubic）点阵片层交替堆叠而成，实现了拓扑上的创新排列。
研究人员发现，调整异质层状点阵结构中的片层厚度，能够有效控制 BCC 点阵片层中剪切带的形成，从而增强结构的整体承载能力和能量吸收能力。
相较于传统的 BCC 点阵结构，它的吸能和能量吸收效率分别提升至前者的 10 倍和 9 倍。
图丨周琨（来源：周琨）
此外，在外部载荷作用下，局部片层保持不变形，为嵌入的传感器等敏感元件提供了稳定的保护屏障。
这些性能使结构实现了卓越的整体防护效果，并赋予了传统结构所不具备的局部防护能力。
该策略不仅解决了传统点阵结构的整体失效问题，提高整体承载和防护性能，还能够保证局部片层区域不变形，从而实现对外部构件和内部组件的双重机械防护，有望应用于航空航天、汽车工业和智能可穿戴设备等领域。
审稿人对该研究评价称，“这项工作新颖且富有趣味，代表了点阵结构设计的一项重大进展。”
不久前，相关论文以《可编程异质层状点阵结构实现双重机械保护》（Programmable heterogeneous lamellar lattice architecture for dual mechanical protection）为题发表在 Proceedings of the National Academy of Sciences（PNAS）[1]。
南洋理工大学田圆圆博士是第一作者，周琨教授担任通讯作者。
图丨相关论文（来源：PNAS）
据了解，该研究的灵感来源于最近报道的一种新型高熵合金的微观组织，这种组织由 FCC 和 BCC 晶体结构纳米片层交替构成，赋予了该合金优异的强韧性和非均质变形特性。
受此启发，研究人员将这种微观结构引入宏观尺度的点阵结构设计中，通过交替排列 FCC 和 BCC 点阵片层，实现了整体卓越的力学性能和局部非均质变形。
与传统的点阵结构相比，该设计大幅度提升了结构整体的机械防护能力，同时突破性地实现了局部区域的防护。
具体来说：
在异质点阵结构设计方面，该课题组利用 FCC 和 BCC 点阵片层显著不同的塑性屈曲能量阈值，有效地抑制了剪切带在整个点阵结构中形核与扩展。
在局部力学行为可编程性方面，他们基于编码指定点阵片层内的胞元类型，赋予局部片层区域力学行为可编程性，从而保护嵌入在非变形片层区域的传感器等敏感元件。
在双重机械防护方面，其不仅可以基于局部点阵片层的变形来吸收载荷以保护外部构件免受破坏，还能通过保持其他片层区域不变形，以保护该区域嵌入的敏感元件（如传感器）正常运行。
图丨异质层状点阵结构的设计与原型（来源：PNAS）
据了解，该研究历时近两年时间。其中，攻克 3D 打印工艺挑战和优化异质片层力学行为，是研究过程中的主要难点。
实际上，异质层状点阵结构对制造精度和制造工艺要求极高，田圆圆在完成初步的结构设计之后，多次尝试和优化多种工艺，最后成功地利用多射流熔融（MJF，Multi Jet Fusion）3D 打印工艺，实现了结构的高精度制造。
另一方面，BCC 和 FCC 点阵片层力学行为差异显著。“我们通过实验和有限元模拟对片层厚度进行优化，最终找到最佳的片层厚度，并实现了最优的力学性能。”周琨说。
图丨与面心立方点阵结构相比，异质层状点阵结构的变形行为和可编程性（来源：PNAS）
该设计有望应用于航空航天、汽车工业以及智能可穿戴等领域。
航空航天：显著提升飞机蒙皮、卫星外壳等的承载和能量吸收能力，同时有效保护嵌入局部片层内的敏感元件，满足在极端环境下的高可靠性需求，助力航空航天装备的轻量化和智能化发展。
汽车工业：应用于车身结构的高效吸能设计，不仅能够大幅提升车辆的碰撞安全性，还为轻量化与高安全性汽车车身结构的创新设计提供有力支持。
智能可穿戴设备：通过将机械防护与智能功能相结合，该技术可为新一代智能可穿戴设备提供高效的双重机械防护解决方案，拓宽其应用场景，有望满足更广泛的用户需求。
据介绍，研究团队在接下来的研究阶段将继续拓展多功能复合结构和制造技术的突破这两个关键方向。
他们计划开发集成机械防护、导电、导热、电磁屏蔽等多功能一体化的轻质结构材料。与此同时，开发经济高效的制造工艺，以实现多功能复合结构的产业化。
周琨表示：“我和团队将与相关企业开展深入合作，推动该技术在航空航天、汽车工业和智能可穿戴防护设备等领域的产业化落地。”
总体来说，该研究不仅为高性能复合结构设计提供了新范式，还有助于开发轻质且性能卓越的防护材料。
同时，也为结构材料性能的可编程性提供了新视角，并有助于推动下一代轻量化和智能化防护装备的持续发展。
参考资料：
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：刘雅坤