理想材料不僅需要像機械一樣堅固可靠，而且還要輕質。大自然很容易做到這一點，如磚和砂漿，結合軟，輕材料進行周期性組合，產(chǎn)生具有優(yōu)良強度、剛度和韌性的復合材料。然而，用實驗室中的材料來模擬大自然的智慧，這一點被證明是非常棘手的。

現(xiàn)在，由普渡大學Gary J. Cheng領導的美國和中國研究人員團隊已經(jīng)提出了一種克服“混合物規(guī)則”的策略，創(chuàng)建超輕、機械可靠的復合材料[Deng et al., Materials Today (2018),

陶瓷材料輕質而堅固，但本質上很脆。然而，3D打印的出現(xiàn)使得制造內部具有復雜微結構和納米結構的復合材料能夠彌補這一缺點。中空3D結構 為“機械超材料”帶來了希望，這種結構大大減輕了重量，提高了剛度和強度。迄今為止，這種機械超材料分為兩類，由可伸展晶格（S晶格）和彎曲晶格（B晶格）支配的桁架結構。S-晶格中的支柱不能旋轉或彎曲，因此這些結構具有高的剛度，但他們在壓縮下屈曲。相比之下，B-晶格具有更靈活的抗沖擊應變，因為他們的支柱可以旋轉和彎曲。

相反，Cheng和他的團隊創(chuàng)建了一種彎曲主導的空心納米材料（B-H晶格），具有優(yōu)異的強度、可恢復性和循環(huán)性，他們涂覆碳化聚合物納米層以減少變形過程中的彎曲。

“我們發(fā)現(xiàn)，陶瓷納米線的機械性能可以通過納米陶瓷/碳納米晶格顯著改善，使它們具有更好的剛度、循環(huán)性和剛性/強度重量比，”他解釋道。

B-H晶格是由相互連接的垂直支柱支撐的蝶形單元構成的。使用UV固化樹脂模板形成復雜的結構，這種模板用光刻法制造。氧化鋁與外部的納米層碳化聚多巴胺在模板上沉積。*后，除去模板，留下一種表現(xiàn)出高剛度、低密度、在沒有應變（不超過55%）的情況下不彎曲的超材料，并且在循環(huán)加載（15%應變）下是穩(wěn)定的。

“我們的材料的新穎之處在于它的非屈曲行為，這是*次實現(xiàn)這種恢復機制” Cheng說。

新型超材料可以通過彎曲來適應較大的應變，同時抑制變形過程中的屈曲。他說，與天然材料相比，超材料的性能是突出的。

現(xiàn)在，這個團隊想展示這種超材料的大規(guī)模生產(chǎn)。

Cheng說：“在未來10年，我們的研究將有助于像陶瓷基多功能結構、機械穩(wěn)定儲能設備、輕質高強度材料和能量耗散結構的應用。”

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