超材料是一種工程材料，具有獨特的屬性和先進的功能，這是其微結構組成帶來的直接結果。雖然最初的特性和功能僅限於光學與電磁學，但在過去十年中出現了許多新型超材料，它們在許多不同的研究和實踐領域都有應用，包括聲學、力學、生物材料和熱工等。
過去十年，旨在設計、模擬、製造和表征不同類型的超材料的研究在廣度和深度上都出現了爆炸性增長。這種前所未有的增長主要發生在三大發展的交匯處，這些發展相互加強，並促進了超材料的研究。增材製造-3D列印技術在超材料設計開發與製造中發揮了重要作用，特別是，可以在不同的長度尺度上製造功能材料和結構，不同材料在一個單一結構中具有任意複雜的多相分布，具有截然不同的機械和物理特性。
3D科學谷
高比能量吸收（SEA）的輕質、高強度超材料在航空航天和汽車領域具有重要應用前景。受柚子皮保護果肉的抗衝擊性和功能梯度結構可提高比能量吸收（SEA）能力的啟發，華中科技大學史玉升教授團隊在一項研究中採用軟材料（光敏樹脂）和硬材料（Ti-6Al-4V）進行3D列印，製備了梯度仿生多面體超材料（GBPM），其SEA超過了前期報道中大多數軟材料和硬質材料製造的超材料比能量吸收（SEA）。
相關論文發表在Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers。本期谷.專欄將分享該論文的亮點、試驗方法、結果與結論，以及這一技術的應用前景。
/ 論文亮點
圖1 SEA Ashby圖與各種現有超材料的對比
- 提供了一種實現卓越能量吸收的仿生策略。
- 驗證了材料對機械響應和比能量吸收的影響。
- 仿生梯度多面體的比能吸收超過了以前的大多數超材料。
/ 試驗方法
雷射選區熔化Ti-6Al-4V粉末及數字光處理光敏樹脂製造仿生多面體超材料，掃面電鏡觀察仿生多面體形貌，准靜態壓縮仿生多面體超材料，Abaqus動力學顯式仿真准靜態壓縮過程。
圖2 仿生多面體超材料的形態演化：( a )自然界中的柚子表面和柚子皮；( b )柚子皮[ 8、15]的微觀結構；( c )受柚子皮啟發設計了BPM單胞；( d )相對密度-支柱直徑關係；( E )設計了Ubpm模型；( f )設計了Gbpm模型。
/ 結果
在壓縮試驗和數值模擬的指導下，SEA能力的提高與材料無關。在應力-應變曲線中，波動區出現在硬材料製造的仿生多面體超材料（BPMs）中，而在軟材料製造的BPMs中不存在，導致軟材料製造GBPM的SEA值的增長率比硬材料製造GBPM提高了5.9倍。軟材料和硬材料製造的GBPM的SEA值分別為1.89 J/g和44.16 J/g，超過了先前研究中報道的大多數軟材料和硬質材料製造的超材料的SEA。
/ 結論
1. 分級設計降低了力學性能，將45°剪切斷裂轉化為逐層破壞。與硬材料製造的BPMs相比，軟材料製造的BPM表現出延遲的緻密化應變。
2. 提高SEA的梯度設計與所用材料無關。與UBPM相比，GBPM可以實現增強的SEA。在軟材料製造的BPMs的斷裂階段沒有出現波動區，與硬材料相比，軟材料製造GBPM的SEA值的增長率提高了5.9倍。
/ 前景與應用
仿生梯度設計可提高超材料的能量吸收效果，研究中所涉及的仿柚子皮梯度超材料的SEA超過了先前研究中報道的大多數軟材料和硬質材料製造的超材料的SEA。以上發現可以指導具有高能量吸收以抵抗外部衝擊的超材料的設計。
原論文：
Zhi Zhang, Bo Song, Junxiang Fan, Xiaobo Wang, Shuaishuai Wei, Ruxuan Fang, Xinru Zhang, Yusheng Shi. Design and 3D Printing of Graded Bionic Metamaterial Inspired by Pomelo Peel for High Energy Absorption. Chinese Journal of Mechanical Engineering: Additive Manufacturing Frontiers, 2023: 100068.
https://doi.org/10.1016/j.cjmeam.2023.100068.