清华大学在超高强度三维曲面纳米点阵材料方面取得重要进展

近日，清华大学航天航空学院李晓雁教授课题组采用力材料学（Mechanomaterials）的理念设计了曲面单胞，通过面投影微立体光刻技术和双光子光刻技术制备了基于极小曲面的聚合物微米点阵材料，并采用高温热解获得了基于极小曲面的热解碳纳米点阵材料。相关成果以Achieving the theoretical limit of strength in shell-based carbon nanolattices发表在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America上。

所制备的曲面微纳米点阵材料的特征尺寸在几百微米至几百纳米范围内变化。原位压缩试验表明，基于I-WP极小曲面的微纳米点阵材料表现出比早先的桁架点阵和平板点阵更高的模量和强度。更为重要的是，基于I-WP极小曲面的热解碳纳米点阵材料展示了超高的模量、强度和比强度。当密度为0.53~0.80 g/cm3时，其强度达到了多孔材料强度的理论极限，能够承受20%压缩应变而不发生破坏。这些性能均优于目前已有的所有三维微纳米点阵材料。这些曲面热解碳纳米点阵材料前所未有的力学性能不仅得益于其优异的拓扑结构，同时与其纳米尺度的特征尺寸密切相关。

本研究工作分析了特征尺寸跨越了3个量级的曲面微纳米点阵材料的力学性能，其归一化的屈服强度随特征尺寸的减小而增强，验证了微纳米力学超材料中的尺寸效应。这些研究成果表明，基于力材料学理念，通过功能基元序构设计，并结合先进制备方法，可以获得综合力学性能优异的纳米结构材料。这对于进一步理解微纳米构筑材料的力学性能与其拓扑结构、特征尺寸以及本体材料性能之间的关系具有重要意义。

下图多种桁架、平板和曲面单胞结构以及制备得到的不同特征尺寸的微纳米点阵材料。