超材料（metamaterial）是一种具有天然材料所不具备的非凡力学特性的人工结构材料，被誉为二十一世纪影响人类科技进展和突破的颠覆性基础研究之一。然而，传统超材料在完成制备后，结构的形状、性能和功能无法发生灵活、可控转变，这一因素显著制约超材料的实际应用。这意味着，不同的需求场景需要设计不同的超材料。随着结合3D打印技术与智能材料的4D打印技术的发展，使得具有可编程、可重构和自适应的4D打印超材料成为可能，这对于性能可调控、可变结构设计、隐身与伪装等领域具有重要意义。
针对上述说明，西南交通大学阚前华教授、中国工程物理研究院李建团队基于4D打印形状记忆聚合物（SMP）的可编程、可重构和自适应等特性，以两种特殊的晶格结构为例，开展了4D打印SMP晶格结构力学性能的可调控研究。通过考虑热-机械历史对SMP力学性能的影响，结合系统的实验与有限元分析，详细讨论了在不同编程应变下编程态晶格结构拉伸模量、泊松比的转变。同时，通过有限元模型对编程态晶格结构的变形行为进行分析，阐明了结构性能转变机理，为性能可调控结构设计与优化提供了参考。相关成果以Adjustable mechanical performances of 4D-printed shape memory lattice structures为题发表在力学领域TOP期刊Composite Structures。
为了实现力学性能的可调控，该论文提出了一种利用形状记忆效应连续编程的调控方法。图1显示了用于调整晶格结构力学性能的形状记忆编程策略示意图。经过各种编程应变的编程后，单胞的形状发生了变化，由弯曲为主的单胞转变为拉伸为主的单胞。在不同的变化模式和变形机制控制下，不同的编程结构能表现出不同的力学性能。
图1 用于调整晶格结构力学性能的形状记忆编程策略示意图。
根据该编程策略，对两种典型的晶格结构开展力学性能编程，两种编程结构分别为四曲臂晶格结构（the four curved bars lattice structure, FCBL）和正弦波马蹄形晶格结构（the sinusoidal wave horseshoe lattice structure, SWHL），如图2所示。两种结构在拉伸过程中均表现出以韧带弯曲为主的变形模式。如图2所示，在不同的编程应变下，两种结构的拉伸模量均发生了很大的变化。模量发生很大变化的原因为变形模式从弯曲控制为主变形向拉伸控制为主变形的转变。从图中可以看出，模量随编程应变呈现两段线性模式，在两段线性的拐点（FCBL：~10%；SWBL：~30%）处，模量发生转变，该拐点处的编程应变被称之为变形模式转变的特征编程应变。从图2中还可以发现，FCBL和SWHL的拉伸模量在编程范围内分别变化了480.9%和1546.0%。大范围的模量调控，为SMP-超材料提供了巨大的潜在应用。
图2 晶格结构拉伸模量随编程应变的演化：（a）FCBL和（b）SWHL。
除了拉伸模量外，泊松比特性也是重要的力学参数。图3展示两种晶格结构等效泊松比随编程应变的演化。从图中可以发现，两种结构随着编程应变的增加，泊松比均表现出从负到正的转变。对于FCBL，编程应变增加的整个过程中，模量和泊松比均增加。但是，对于SWBL，在较大的编程应变范围内，模量增加，泊松比保持一个比较稳定的负值。两种结构面对编程应变的变化，呈现出不同的变化特征，在这样一个宽的编程应变范围内，可以实现连续的编程调控，这提升了同一结构对不同场景的适应性。
图3 晶格结构泊松比随编程应变的演化：（a）FCBL和（b）SWHL。
为了理清楚不同结构具有不同编程特性的机制，通过对本构模型的二次开发，开展了两种结构的编程行为模拟。图4为两种结构在不同编程应变下的变形云图。从图中可以发现，在结构韧带的内侧出现应变局部化，并呈现出明显的弯曲截面。FCBL呈“C”形，有一个弯曲截面，而SWHL呈“S”形，有两个弯曲截面。正是由于韧带变形形式和弯曲截面数量的差异，引起了结构模量和泊松比的变化及差异。
图4 两种结构在典型编程应变下的变形云图：（a）FCBL和（b）SWHL。
由于采用形状记忆材料作为基材，这些晶格结构具有可重构的特性。对编程后的和变形后的结构进行热激活，这些结构又重新回复到其初始形状。如图5所示，为编程晶格结构的可重构过程。因此，基于形状记忆聚合物的晶格结构表现出可编程性、可重构性和力学性能可调节性，在各个领域具有潜在的应用前景。
图5编程晶格结构的可重构过程：（a）初始状态；（b）预变形状态；（c）编程状态；（d）编程后结构的加载状态。(e)不同编程应变下编程前后拉伸模量和泊松比的对比。
该工作不仅实现了拉伸模量和泊松比的宽范围调控，还阐明了结构性能转变机理，为性能可调控的结构设计与优化进一步提供了参考。该方法突破3D打印超材料成型后形状、性能和功能不变的限制，通过4D打印赋予了3D打印对象在特定刺激下自适应改变的能力。该方法可拓展到各类超材料，为这些超材料力学、物理等特性的可调控设计提供了一种新的思路。
西南交通大学力学与航空航天学院硕士生董昱为论文第一作者，西南交通大学阚前华教授和中国工程物理研究院李建副研究员为论文通讯作者。西南交通大学刘虎教授、陈开卷副研究员给予了重要指导，西南交通大学博士生梁志鸿协助完成了该工作。该研究工作得到了国家自然科学基金项目、四川省科技厅基础研究项目等的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.117971
审核：力学家
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