顾剑锋/马前团队利用骨响应的Wolff定律设计轻质高强金属力学超材料

| 3DScienceValley · 2023/08/08

力学超材料是由相互连接的杆、板组成的单胞在三维空间阵列所得的一种多孔材料，也叫点阵材料，是新一代先进轻质高强材料。上海交通大学的顾剑锋教授联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学的马前杰出教授，领导团队从单一变形机制的经典Gibson-Ashby模型出发，耦合多种变形机制，建立了通用的Gibson-Ashby模型，并在此模型的启发下, 借鉴人体骨骼在受外力作用时尊循的Wolff定律，对点阵材料的构成杆进行重新设计，实现了轻质高强的Ti-6Al-4V合金力学超材料的设计和制备。

相关论文以’Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model’为题，发表在Materials Today。本期谷.专栏将简要分享这项研究成果。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018

图文解析

人体骨骼Wolff定律1892年德国医学博士Wolff提出了关于骨变化的定律。骨骼的生长会受到力学刺激影响而改变其结构，用之则强，废用则弱。具体而言，尽力把最多的骨头材料堆砌在承载效率最高的部位。受此启发，研究团队对Cubic点阵材料进行修正，减小不受力的水平杆的质量，同时增加承载力的竖直杆的质量，以在相对密度保持不变的情况下有效减小竖直杆的长径比。

基于该Wolff定律，该研究制备的Ti64超材料，在1.63 g/cm3的情况下，其屈服强度达到308.6 MPa，该强度或比强度也超过典型的镁合金WE54(密度：1.85 g/cm3，屈服强度165-175 MPa)，以及人体皮质骨(密度：1.8 g/cm3，屈服强度≤250 MPa)。

图1：杆状超材料库

图2：传统Gibson-Ashby模型（红色曲线）和拓展Gibson-Ashby模型对各种3D打印超材料力学性能的适用性比较

图3：3D打印金属超材料的长径比分布

图4：长径比对金属超材料变形机制的影响

图5：长径比对金属超材料强度的影响

图6：基于中空杆和分级杆的长径比调控和超材料强化策略

图7：基于人体骨骼Wolff定律的长径比调控和超材料强化策略

论文引用信息：
Haozhang Zhong, Raj Das, Jianfeng Gu, Ma Qian,Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model,
Materials Today,2023,ISSN 1369-7021,
https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018.