恢复性能

作为一种新兴的力学超材料，三维微纳米点阵材料具有低密度、高模量、高强度、高能量吸收率和良好的可恢复性等优异的力学性能，极大地拓展了已有材料的性能空间。如何通过拓扑结构设计获得具有优异力学性能的三维微纳米点阵材料是固体力学领域的研究热点之一。微纳米点阵材料通常由具有特定结构的单胞在三维空间中周期阵列形成。根据组成单胞的基本元素的种类，可以将三维微纳米点阵材料分为基于桁架（truss）、平板（plate）和曲壳（shell）三种类型。目前，基于桁架的微纳米点阵材料已经表现出良好的力学性能，但其节点处的应力集中限制了其力学性能的进一步提升。近年来的研究表明，基于平板的微纳米点阵材料可以达到各向同性多孔材料杨氏模量的理论上限，然而其闭口的结构特点为其通过增材制造的手段进行制备带来了挑战。相比之下，具有光滑、连续、开口特点的曲壳结构则在构筑具有优异力学性能的微纳米点阵材料方面具有天然的优势。近期，清华大学李晓雁教授课题组采用面投影微立体光刻设备（microArch S240，摩方精密BMF）制备了特征尺寸在几十至几百微米量级的多种桁架、平板和曲壳微米点阵材料。所研究的结构包括Octet型和Iso型两种桁架结构、cubic+octet平板结构以及Schwarz P、I-WP和Neovius三种极小曲面结构。其中，cubic+octet平板结构是早先研究报道的能够达到各向同性多孔材料杨氏模量理论上限的平板结构。该团队通过原位压缩力学测试研究并对比了多种不同结构的微米点阵材料的变形特点和力学性能。结果表明，相对密度较大时，I-WP和Neovius曲壳微米点阵材料与cubic+octet平板点阵材料类似，在压缩过程中呈现均匀的变形特点。而Octet型和Iso型两种桁架点阵则在压缩过程中形成明显的剪切带，发生变形局域化。相应地，I-WP和Neovius两种曲壳点阵和cubic+octet平板点阵具有比桁架点阵更高的杨氏模量和屈服强度，这与有限元模拟的结果一致。有限元模拟同时揭示了曲壳和平板单胞具有优异力学性能的原因在于其在压缩过程中具有更均匀的应变能分布，而桁架单胞节点处存在明显的应力集中，其节点处及竖直承重杆件的局部应变能甚至可以达到整体结构平均应变能的四倍以上。该研究表明，基于极小曲面的点阵材料能够表现出比传统的桁架点阵材料更为优异的力学性能，同时其光滑、连续、无自相交区域的特点使得其在构筑结构功能一体化的微纳米材料方面具有重要的应用前景。图1. (A-F) 多种桁架、平板及曲壳单胞结构；(G-L)采用面投影微立体光刻技术制备的多种不同结构的聚合物微米点阵材料图2. 利用面投影微立体光刻技术制备的聚合物微米点阵材料原位压缩力学测试结果。(A-F)工程应力-应变曲线；(G-L)不同结构的点阵材料在加载过程中的典型图像（标尺为2 mm） 图3. 周期边界条件下不同单胞结构单轴压缩的有限元模拟结果。（A-B）归一化杨氏模量和屈服强度随相对密度的变化；（C-H）不同单胞结构的应变能分布

大输液包装通常采用多层复合膜材料，以确保药品的安全性和稳定性。在输液包装的质量控制中，穿刺试验是关键的测试项目之一，它评估包装材料在实际使用中的穿刺性能。拉力机是一种多功能的测试设备，除了基本的拉伸测试外，还可以通过特定的附件和设置，用于模拟胶塞穿刺和膜材穿刺，从而全面评估大输液包装的穿刺性能。胶塞穿刺测试测试目的：模拟实际使用中针头穿透胶塞的过程，评估胶塞的穿刺性能和可靠性。测试方法：使用拉力机的穿刺附件，将胶塞固定在测试台上，调整穿刺速度和力，模拟穿刺过程。数据分析：记录穿刺过程中的力-位移曲线，分析穿刺力、穿刺后的胶塞完整性等参数。膜材穿刺测试测试目的：评估复合膜材料在穿刺过程中的性能，如密封性和穿刺后的恢复性。测试方法：将复合膜材料固定在拉力机的夹具中，使用模拟穿刺头进行穿刺，模拟实际使用中的穿刺条件。数据分析：测量穿刺后的孔径、穿刺力以及材料的恢复性，评估膜材的穿刺性能。拉力机的双重功能多功能性：通过更换附件和设置，拉力机可以同时进行胶塞穿刺和膜材穿刺测试，提供全面的性能评估。高精度：拉力机配备高精度的力值传感器和位移传感器，确保测试结果的准确性和重复性。操作简便：用户友好的操作界面，简化了测试过程，提高了测试效率。试验操作步骤样品准备：按照测试要求准备胶塞和复合膜样品。设备设置：根据测试标准设置拉力机的参数，如穿刺速度、力值范围等。胶塞穿刺测试：将胶塞固定在测试台上，进行穿刺测试，记录数据。膜材穿刺测试：将复合膜固定在夹具中，进行穿刺测试，记录数据。数据分析：分析穿刺力-位移曲线，评估穿刺性能。结论拉力机通过兼顾胶塞穿刺和膜材穿刺的双重功能，为大输液包装的穿刺性能测试提供了一个高效、准确的解决方案。这种多功能的测试设备不仅提高了测试效率，而且通过全面的性能评估，有助于优化包装设计，提高产品的安全性和可靠性。随着医药包装行业的不断发展，拉力机在药品包装材料的穿刺性能测试中将发挥越来越重要的作用。

图1 液态金属基微点阵力学超材料( https://doi.org/10.1002/smll.202070252)1991年上映的科幻电影《终结者2》描绘了一个能够随意变形，可自我修复的液态金属机器人T-1000，展现了液态金属应用的无限可能。电影中液态金属机器人是邪恶的化身，在实际应用中，液态金属却大有裨益，特别是在小尺度一些精密的应用上，如神经纤维修复和微型机器人。然而直接暴露的液态金属不易操作，且容易腐蚀其他金属，应用不当会带来不良后果，有鉴于此，香港城市大学“纳米制造实验室”的科研团队正在尝试在微观尺度上“驾驭”液态金属，使得其为未来精密应用，特别是金属力学超材料带来更多新的可能。目前的金属微点阵力学超材料具有超轻、高比强度等特性，在无人机机翼、小微型电子器械等器件上具有很好的应用前景。但是，目前这类力学超材料的韧性较差，且在服役过程中容易脆断失效。为了提高韧性，香港城市大学机械工程学系陆洋教授领导的研究团队开发了液态金属-聚合物微点阵力学超材料。该材料不仅有良好的韧性，而且充分利用低温度范围下液态金属的特性，实现了类似科幻电影中复杂形态液态金属的自我修复功能。该项研究成果发表在国际知名期刊《Small》（https://doi.org/10.1002/smll.202004190）。该团队基于摩方精密（BMF）超高精度光固化3D打印机nanoArch S140打印出中空的聚合物外框，壁厚100-300 μm。采用真空液体填充技术在聚合物薄壳中注入液态金属镓（Ga），首次制备了液态金属-聚合物核壳结构的微点阵力学超材料。该材料具有以下特点：良好的断裂韧性图2 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的断裂韧性良好的断裂韧性。相比于实心或空心高分子点阵结构，液态金属-高分子点阵力学超材料避免了受压过程中的脆断失效现象。这是由于Ga的存在，阻碍了裂纹在高分子外壳中的扩展，使得该结构在裂纹出现后依然可以承受载荷。形状记忆效应图3 液态金属-高分子点阵力学超材料良好的形状记忆效应 形状记忆效应。得益于Ga较低的固液转变温度（29.7℃），当Ga为固态时，能够完美的保持变形后形状；Ga融化后，该结构又能完美的恢复至原始形貌，表现出形状记忆效应。当采用合理的拓扑结构，该材料被大幅压缩20%后，依然能够完美的恢复。优异的断裂恢复性 图4 液态金属-高分子力学超材料优异的断裂恢复能力 优异的断裂恢复性。即使部分断裂后的液态金属基微点阵结构超材料依然能够基本恢复原始形状，并且能够保持一定的承载性能(≥50%初始强度)。部分断裂的高分子外壳在Ga融化后恢复至原始状态，驱动整体结构恢复至原始形状。综上所述，被3D打印包裹“驾驭”的液态金属核心表现出良好的韧性、形状记忆效应及优异的断裂恢复能力。这种新型的液态金属基微点阵力学超材料有望在生物医疗器械、微电子器件及微型机器人等应用获得巨大的潜力，甚至实现一些以往在《终结者》或者《变形金刚》等科幻电影里才能看到的前沿应用场景。