導讀：爲滿足增材制造（3D打印）和輕量化設計用戶學習和交流需要，10月14日-31日，仿真秀平台將推出增材制造與輕量化專題線上系列講座（支持反複回看）。10月30日（周六）20時，我們非常榮幸邀請到西北工業大學袁上欽副教授給大家帶來《面向增材制造 材料-工藝-結構-性能的優化設計方法》希望能夠引發行業用戶共鳴，支持反複回看。

袁上欽，西北工業大學副教授，博導，主持國家自然科學等國家級項目3項和省部級項目1項，骨幹參與國家級重大項目及重點項目等。主持及參與多項國際五百強公司聯合研發項目，其中包括，德國博世，美國惠普，泰國PTTGC等。已發表高水平SCI 檢索論文20余篇, ESI高被引論文1篇,H 因子 16, 總引用超1100。授權國際專利一項，新加坡專利一項，公開國內發明專利四項。

袁上欽老師展示複合材料

本文來自西北工業大學無人系統技術研究院袁上欽副教授公開論文《基于激光燒結納米複材的高效吸能超材料》，希望對廣大增材制造和輕量化設計的用戶有所幫助。誠邀廣大行業用戶加入仿真秀增材制造行業群進一步交流。以下是正文：

一、論文作者

• 袁上欽 西北工業大學無人系統技術研究院，西安 710072
• 王志豪 西北工業大學無人系統技術研究院，西安 710072
• 李 江 西北工業大學機電學院，西安 710072

※基金項目：國家自然科學基金 (聯合基金U1930207，青年基金51905439）

二、論文摘要

本文選用激光燒結技術，采用納米複合材料作爲原料的，通過該技術制造具有拉脹複合晶格的機械超材料。該方法爲設計和制造能量吸收可調控的系統提供了技術手段。通過對材料組分和結構的優化能夠高效提升複材結構的能量吸收能力。拉脹型超材料的能量吸收能力與相對密度成指數關系，約爲2.5^-3。經過對機械超材料進行合理的幾何拓撲優化後，其具有較高的致密化強度（0.0195 MPa kg-1 m^-3）、能量吸收能力（6.29 MJ m^-3）和比能量吸收能力（20.42 J g^-1）。本研究提出的拉脹性超材料具有接近钛合金泡沫，優于塑料泡沫、鋁合金泡沫以及其他增材制造成型結構的能量吸收能力。

關鍵詞：曲屈機械超材料，增材制造，負泊松比晶格，能量吸收，選擇性激光燒結

三、引言

近年來，研究者發現三維機械超材料具有天然材料不具備的機械性能，例如負泊松比，剛度和熱膨脹性。盡管大多數已開發的超材料都可以用于工程項目，但由于增材制造使用的材料機械性能不足，以及制造過程中存在不可避免的結構缺陷，很難達到高效的吸收能量。超材料[1–5]是理想的人工材料，一般具有獨特的結構，可以用于控制光[6]、聲音[7,8]、機械應力[9,10]等，從而使其具有自然材料無法實現的特性，比如：光學性質[11]、聲學性質[6]、機械性[12,13]和許多其他物理特性。研究者在金屬晶體的變形過程中，首次觀察到具有高度有序堆積的三維拉脹材料[14,15]。

迄今爲止，機械超材料促進了原理上不相容的機械性能組合，例如剛度、阻尼能力和負泊松比[16–18]。這些屬性均來自材料與結構的幾何構型排列，以及材料組分的固有特性。但是，通過傳統的材料開發（例如化學合成和自組裝）和傳統的制造方法（例如模制，加工和切割）很難實現材料配方的定制以及跨領域的三維結構設計。

三維機械超材料具有的的高能量吸收能力、可重複使用的機械減震能力、可控制的機械行爲和可重構性等性能已被研究者預測[12,18,19]。Babaee等人設計了一組通過Bucklicrystals産生的機械超材料，並從理論上揭示了它們的屈曲引起的膨脹[12]。機械超材料與傳統的能量吸收材料不同，後者是由空隙和組成材料的隨機空間排列導致的固體泡沫組成的，它會導致局部結構異質性和不均勻性。金屬或塑料的變形行爲通常是不可控的，因此很難實現定向的拓撲設計。但是，實際加工的超材料很少具有較高的能量吸收能力。面向終端用途，關鍵在于超材料的設計和制造一體化，特別是材料配方和空間結構的理想組合。

3D打印或增材制造（AM）爲合理設計和控制周期性變化的結構提供了機會，而結構的拓撲可以幫助實現其更好的性能，例如負剛度和負泊松比。例如，Fang和同事展示的輕型機械超材料具有可調節的負熱膨脹[10]以及超高剛度[13]的性能，這要歸功于先進的微立體光刻技術以及三維材料數字化功能。Frenzel等人還設計並制作了三維手征微結構，其扭曲自由度在數量上超過了Cauchy彈性。[9]

通過選擇性激光燒結（SLS）進行的3D打印已被用于制造陶瓷、金屬和聚合物複合材料，其尺度範圍從微米到幾米不等[18,20]。這種方法的本質是設計粉末的成分和微觀結構，使其具有理想的流動能力並與激光源相互作用，最終冷凝成爲塊狀複合材料[21,22]。激光燒結的拉脹超材料可以滿足以下吸收能量的要求：（1）強韌；（2）結構中具有的柔性節點或連接點；（3）壓縮後發生大變形；（4）制造大型結構。同時，與其他需要額外支撐結構、布局以及後處理十分複雜，與選擇激光熔化（SLM），熔融沉積建模（FDM）的AM技術相比，SLS具有無支撐材料、易于後處理、成本低以及可以成型複雜結構的優點。

在航空制造領域，複合材料及結構的穩定性和可靠性尤其重要。同其他航空材料相比，複合材料及結構有更高的強度、更輕的重量、更好的減振以及降噪能力，這爲其在航空領域的應用打下了良好基礎。目前複合材料已經開始在客機上應用，空客A350的用量接近總質量的53%，波音787也超過了50%。爲了滿足航空應用的需求、獲得適航批准的構件，需要使用複合材料制作部分零件，如：飛機前機身段、阻力板、機翼外翼、整流壁板，航空發動機的發動機的壓氣機葉片、盤、軸、機匣、傳動杆等部件、機艙門鎖拴軸和機翼肋條等，都可以使用複合材料制作。其中，負泊松比材料具有較高的抗沖擊能力和減震性能，可以制成大型薄壁件的填充結構、機匣及機艙門等構件的內部支撐結構。材料的結構設計和組成體系需要高度耦合，同時增材制造複合材料爲機械超材料在航空領域的應用提供了新的思路。因此，本研究開發了尼龍與納米碳管的複合粉末，設計了不同孔數的體心立方結構（BCC）的拉脹晶格，通過SLS工藝制造負泊松比晶格結構，拓展增材制造機械超材料在航空領域的應用。

四、試驗及方法

複合粉末制備方法：通過表面活性劑處理碳納米管（CNT），通過溶液降溫沉積法將CNT附著到尼龍（PA12）粉末表面，形成複合CNT/PA12粉末。PA12粉末（德國Krailling EOS GmbH，PA2200），直徑爲20–40nm或40–60nm。多壁CNT溶液長度大于5um（杭州Corker複合材料有限公司）。將水合膽酸鈉（BoXtra，≥99％，Sigma-Aldrich）用作表面活性劑，以修飾去離子水中的多壁碳納米管（MWCNT）。將CNT在90°C的加熱的PA12粉末懸浮液中混合1小時，然後冷卻至室溫。吸附有CNT的粉末可能會沉澱出來，以進行進一步過濾和幹燥，通過調節MWCNT的重量比來改變複合粉末的組成。

材料表征：爲了表征複合粉末的表面形貌和微觀結構，使用了場發射掃描電子顯微鏡（JSM-7600F，日本東京），電子束電壓爲2–5kV。爲了使用光學顯微鏡（Olympus DP72，MA，0 2453，美國）捕獲微觀結構，需要對CNT/PA12樣品進行良好的抛光以進行光學表征。

選擇性激光燒結：激光燒結複合材料和結構均通過配備CO2激光器（λ=10.6µm，激光功率高達50W，德國EOSP395）。考慮了包括激光掃描速度、粉末層厚和陰影空間在內的參數，以優化燒結複合材料的機械性能。優化的工藝參數之後是EOS P395系統的商用PA12參數集。在將處理室冷卻至室溫之後處理完成。從機器中取出樣品，並通過噴砂清理多余的粉末，並用壓縮空氣清理。拉伸和壓縮樣品分別按照ASTM標准（D638 14）和（D695 15）進行打印。抛光了15mm×20mm×25mm的立方試樣，以檢查其微觀結構。

機械測試及評估：燒結複合材料的拉伸和壓縮性能是使用Instron 3360負載框架（Instron，Norwood，MA）測量的。施加在樣品上的拉伸速率和壓縮速率分別爲

每種材料UT的比拉伸韌性描述爲等式

（1）

其中σ（ε）是與應變相對應的拉伸應力，而εd是斷裂伸長率；ρs是激光燒結複合材料的密度。

在具有10 kN稱重傳感器的Instron 3343 Universal試驗機上進行了拉脹晶格的壓縮試驗，並且以

的相同位移速率固定了所施加的法向應變。樣品的拉伸性能是平均值。每個晶格W的能量吸收能力

由公式給出

（2）

其中εD是每個晶格在壓縮時的致密化應變，並在具有最大吸收效率的應變下確定，該結構由方程式Emax給出

（3）

當達到Emax時，可以獲得σD和εD。此後，如公式所述，通過比能量吸收Umax得出的單位質量能量吸收的最優值

（4）

其中Wmax是通過能量吸收能力壓縮晶格時的最大能量吸收，而ρ是晶格密度。

五、結果與討論

高性能納米複合材料與理想的三維結構的匹配將使人們既可以利用拉脹型超材料的結構優勢，又充分利用其能量吸收的潛力。本文對碳納米管增強的納米複合粉末進行激光燒結，以制備具有較高能量吸收能力的機械超材料，該材料超越了傳統的金屬隨機泡沫或先前報道的增材制造複合材料。如圖1所示，機械超材料的潛在優勢需要通過增材制造工藝來實現。

由于CNT的網絡使連續基體韌性增加，使用納米複合材料制作的樣品表現出了良好的拉伸韌性和比能量吸收能力。結構可産生屈曲主要的大形變和高度順從效應，非常有利于能量的吸收。通常情況下，當盡可能多的結構單元避免與荷載方向一致，同時保證足夠的結構失穩和力耗散時，結構的耗能效率最高。這些拉脹晶格具有各向同性，並具有高度的結構連通性，在靜態壓縮時表現出負泊松比和較大的幾何非線性。

聚酰胺（PA12）是當前方法的良好實驗原料，這是因爲PA11和PA12占據激光燒結熱塑性塑料90％的市場份額。激光燒結PA12具有約45MPa的拉伸強度和28％的斷裂伸長率[23]。使用乳液沉積法，將平均粒徑爲60µm的原料粉末（PA12）附著表面活化處理的CNTs，以確保CNT在表面上均勻覆蓋[24]。激光燒結工藝的系統粉體評價和工藝優化在我們之前的工作中得到了證明[21,23]。碳納米管包覆的粉末可以有效吸收激光能量以促進其熔融凝結以及在聚合物基體內形成三維連續網絡。但是，由于表面CNT膜的厚度與熔融複合材料的粘度之間存在正相關關系，覆膜加厚引起的熔體粘度增加可能會在短時間的激光照射下引起熔融障礙，從而阻止粉末的固結。所以，當塗層既能有效地增強能量吸收又能保持足夠低的熔體粘度以保證複合材料熔體的快速熔融時，可以獲得最佳的負載比[25]。

圖1. CNT的微觀結構以及晶格的能量吸收性能

• a）用于選擇性激光燒結（SLS）工藝的典型建築平台的示意圖。
• b）具有均勻CNT覆膜的粉末。
• c）燒結的CNT/PA12複合材料中的CNT網絡。
• d，e）不同放大倍數的激光燒結複合材料的微觀結構。
• f）具有BCC-6H結構的激光燒結複合超材料。
• g）BCC-6H晶格的代表性單元。
• h）應力-應變曲線說明了BCC-6H晶格的能量吸收性能。機械變形的臨界轉變（例如平均應力，致密化應變和致密化應力）在應變-應力曲線中顯示。

Figure1. Microstructure of CNT and energy absorption capacityof crystal lattice：a) Schematic illustration of a typical building platform forselective laser sintering (SLS) process. b) The feedstock powder with a layerof CNT coating. c) The networks of CNT s within sintered CNT/PA12 composites.d,e) The microstructures of laser-sintered composite with differentmagnifications. f) The laser-sintered composite metamaterials with BCC-6Hpattern. g) The representative cell unit of the BCC-6H lattice. h) Theenergy-absorption performance of the BCC-6H lattice illustrated by thestress–strain curve. The critical transitions of mechanical deformation such asaverage plateau stress, densification strain, and densification stress areindicated in the strain–stress curve.

爲了獲得最佳的激光燒結CNT/PA12複合材料的力學性能，在SLS系統中應用了多種材料組合。將直徑範圍爲20–40或40–60nm的CNT作爲原料塗覆在PA12粉末上作爲進料材料。在圖2a中，最佳的CNT/PA12複合材料可以明顯改善機械性能，其中：楊氏模量E=1301±14.5 MPa，極限抗拉強度σu= 68±2.6 MPa，斷裂伸長率εf= 33±4％，並且這些特性幾乎與粉末的方向無關。

爲了進一步研究各向同性的強化和增韌機理，對燒結複合材料及其變形成分進行了微觀結構表征。觀察結果表明，CNT網絡的均勻分布可以阻止分離的聚合物相的移動，從而增強基質（圖2b，c）。另一方面，變形複合材料的微觀結構表明，外力在微觀尺度上引起聚合物相的大變形。所得的CNT網絡被密集地壓實，並保留在這些分段的邊界之間（圖2d，e）。

這種精細壓實的微觀結構提供了一種適應應變的方法，從而防止了裂紋的産生和擴展，使基體堅實[26,27]。但是，CNTs（20–40 nm）的負載增加到1wt％會對聚合物基體的機械性能産生不利影響（圖2a）。添加0.5wt％的CNT（40–60 nm）也會導致斷裂伸長率從28％下降至24％。這主要是因爲增加的塗層會提高複合材料的熔融粘度，然後阻止熔融粉末的固結，不充分的融合會引起巨大的微觀缺陷或空洞，導致燒結複合材料的脆性破壞及其延展性的缺陷。因此，優化複合材料配方和有效控制燒結過程是在不犧牲其楊氏模量的情況下增強CNT納米複合材料強度和韌性的關鍵步驟。

優化的CNT增強複合材料的機械性能（例如：韌性、比能吸收率和延展性）不僅優于純聚合物，而且還超過了許多廣泛使用的3D打印材料，包括塑料、複合材料和合金（圖2f）。在SLS工藝中采用CNT增強粉末，對工程化所需的組成和微觀結構起了關鍵作用，從而使斷裂伸長率提高了33％，比吸收率達到20.68 J g-1。相比之下，通過FDM或直接添加的聚合物複合材料通常在聚合物相和微纖維之間存在界面缺陷和不可避免的空洞[28–32]。鋁和钛合金通過SLM和電子束熔化（EBM）均表現出斷裂伸長率降低的特征，這與快速熔化固結過程中形成的缺陷和殘余應力有關[25]。

此外，通過激光燒結納米複合材料制造可拉脹的超材料可能是一種有效的策略，可以實現將有益的機械性能植根于恒定的材料和結構。拉脹型超材料由一系列球形殼組成，在空間上排列以形成晶體結構。以體心立方模式組裝的空心球形塊由于高度的結構不穩定性而具有很高的可壓縮性和變形性，可以通過更改殼體厚度、孔的數量和角度來進行拓撲優化。了解幾何形狀、機械性能和變形機制之間的關系至關重要，以便于計算出拉脹晶格允許的壓應力和能量吸收能力。

爲確定三維結構對能量吸收性能的影響，選擇6孔（6H）和12孔（12H）構件來組裝BCC模式，並調整殼厚度以更改絕對密度和相對密度。晶格分別爲100-301 kg m-3和0.09-0.3（圖3a）。該密度範圍與氣凝膠、氧化鋁納米晶格和其他超輕材料的密度範圍相當[16,17,33]。壓應力-應變曲線顯示了准靜態壓縮時的變形和能量吸收（圖3d，e）。複合材料的拉脹網格存在競爭失效機制，例如：材料斷裂、節點屈服、連接單元的整體（歐拉）屈曲以及單個構件的局部（殼）屈曲，屈曲經常先于料斷裂發生。破壞機制可能在變形過程中發生改變，這取決于在加載過程中在球形殼體和旋轉節點中的應力狀態[34–41]。

對于BCC-6H構型，晶格（ρ*> 20％）發生彈性變形以達到屈曲或塑性開始，然後由于整體屈曲和後屈服，其壓縮應力在應力平穩區域內緩慢增加（圖3d）。由于連接處周圍殼體的廣泛旋轉，整個晶格承受較大的應力引起有效壓縮應變。通過彈性力學的有限元分析，揭示了這種屈曲的誘導旋轉現象和後屈曲效應。隨著構件厚度的減小（ρ*<20％），破壞機制轉變爲由局部屈曲主導的破壞行爲，應力-應變曲線的波動揭示了通過離散的層狀裂縫引起的漸進形變（圖3d）。

圖2. CNT的微觀結構以及力學性能

• a）重量百分比爲0.5％和1％的PA12和CNT/PA12的拉伸應力-應變曲線。
• b，c）具有不同放大倍數的聚合物基質中CNT的微觀結構。
• d，e）具有不同放大倍數的CNT/PA12壓縮或拉伸試樣的微觀結構。
• f）3D打印的輕質材料的比能量吸收率與斷裂伸長率的關系圖。[8,28,34–41]

Figure 2. The microstructure and mechanical properties of CNT：a) Tensile stress–strain curves of PA12 and CNT/PA12 with the weight percentages of 0.5% and 1%. Two sets of CNT s with the length range of 20–40 nm and 40–60 nm are selected. b,c) The original microstructures of CNT within the polymeric matrix with different magnifications. d,e) The microstructures of the compressed or elongated specimen of CNT/PA12 with different magnifications. f) The comparison diagram of specific energy absorption versus elongation at break for 3D-printed lightweight materials.[8,28,34–41]

圖3. 不同類型晶格的結構以及力學性能

• a）BCC-6H和BCC-12H超材料的結構設計概念圖（比例尺爲10 mm）。
• b，c）拉脹BCC-6H和BCC-12H晶格相對于不同相對密度的結構變形。
• d，e）BCC-6H和BCC-12H晶格相對于不同相對密度的壓縮應力-應變曲線。曲線下的有色區域表示准靜態壓縮過程中結構吸收的能量。

Figure 3. The structure and mechanical properties of different crystal lattice：a) Illustration of the concept of structural designs of BCC-6H and BCC-12H metamaterials (Scale bar is 10 mm). b,c) The structural defor-mations of auxetic BCC-6H and BCC-12H lattices with respect to the different relative densities. d,e) The compressive stress–strain curves of BCC-6H and BCC-12H lattices with respect to the different relative densities. The colored-areas under curves indicate the energy absorbed by structures during the quasistatic compressions.

對于BCC-12H晶格受壓直到其致密化，壓應力與應變幾乎呈線性關系。在相對密度從9.9％到33％的範圍內，拉脹晶格具有顯著的應變硬化效應。有限元（FE）模擬揭示了BCC-12H晶格的變形，整體屈曲起主導作用，引起了單個晶胞內的整體旋轉以及分段旋轉。

BCC-12H結構的競爭失效機制包括整體屈曲、節點屈服和晶胞局部斷裂。每兩個變形模式之間的過渡通常是由結構屈曲和材料破壞之間的激烈競爭驅動的。在嚴重變形的代表單元中給出了應力集中區和應變局部化區域，以預測引發每一種破壞機制所需的應力。

在圖3c中，當網殼厚度接近臨界狀態時，一旦節點出現裂紋，破壞模式將從整體屈曲過渡到單元內的過度局部化斷裂。簡而言之，我們發現整體屈曲效應是引起拉脹的主要機制，主要受空心晶格行爲的影響。在圖3b，c中，具有較高密度的BCC-6H晶格與其他晶格相比，顯示出負泊松比效應，這是十分關鍵的。它承受壓縮後的最大體積減小，以此來消散機械能，從而顯示出具有吸收能量的潛力。

古典泡沫理論允許使用Gibson和Ashby的對應關系來檢測控制失效機理[8]。在圖4a，b中，繪制了單位體積的能量吸收σp/Es和拉脹複合材料單位體積的峰值應力W/Es之間的關系圖。這些圖是針對特殊應用的能量吸收材料的選擇指南，這些材料要能夠控制應力和能量吸收能力。針對給定的類別，最優結果時在最大允許壓應力σp下吸收最多的能量。每個晶格密度都有一個σp對應于能量曲線上的肩部。此後，最佳的能量吸收遵循各個W–σp曲線的包絡線。對于泡沫結構，能量吸收能力可以表示爲致密化應力σD和結構的相對密度的函數[8]。

（5）

其中A，Es，ρs，ρ和εD是經驗參數，分別是楊氏模量，組成材料的密度，晶格的密度和晶格的致密化應變。在圖4a，b中，包絡線爲線性函數，可以表示爲

（6）

η的值表示包絡線的斜率，該包絡線在每個σp=σD處對應不同相對密度的複合材料。在致密化應力的斜率η=1.01時，BCC-12H晶格遵循指數比例變化規律。這類似于在低應力下具有η≈1的以彎曲和屈曲爲主的開孔彈性體隨機泡沫[8]。然而，隨著致密化應力增加幾個數量級，η≈0.78的BCC-6H晶格表現出增量ΔW的下降趨勢。

同時，多孔材料的 值隨其相對密度 的變化以線性變化或以指數方式變化。能量吸收能力的最佳值Wmax隨以下公式變化

（7）

圖4.拉脹晶格的能量吸收性能

• a，b）拉脹型BCC-6H和BCC-12H晶格的能量吸收圖，其中單位體積吸收的能量與外部壓縮或沖擊産生的峰值應力相對應。兩個軸均通過實體模量標准化。剛好接觸每條曲線的包絡線就可以確定在特定應變率下泡沫的最佳選擇。
• c）與彈性和塑料隨機泡沫相比，高能網格（ρ*≥10％）的能量吸收能力與相對密度之間的關系。

Figure 4. Energy absorption performances of auxetic lattices. a,b) The energy absorption diagrams of auxetic BCC-6H and BCC-12H lattices with the energy absorbed per unit volume against peak stress generated by external compression or impact. Both axes are normalized by the solid modulus. The envelope which just touches each curve defines the optimum choice of foam at the specific strain-rate. c) The relationships of energy absorption capacity versus relative density for auxetic lattices (ρ*≥10％) as compared with the elastomeric and plastic stochastic foams.

圖5.單位體積能量吸收與密度的阿什比圖

這張圖將迄今爲止的拉脹超材料與其他最先進的金屬和複合結構進行了比較[8,42–48]

Fig.5 Ashby map of energy absorption per unit volume versus density. This chart compares auxetic metamaterials against other most advanced metallic and composite structures so far.[8,42–48]

BCC-6H和BCC-12H的拉脹晶格比例因子γ爲3和5/2。相比之下，橡膠和塑料的縮放系數只有2和3/2[8]。這些拉脹晶格具有高度各向同性，因此能量吸收能力與晶格密度不受複合材料晶格方向變化的影響，這一點通過沿不同方向壓縮晶格可以證實。尤其是，BCC-6H晶格表現出顯著的線性關系（γ=3），表明隨著晶格密度略微增加，能量吸收會顯著增加。與具有隨機孔隙分布的泡沫相比，拉脹複合材料的每個晶格都經曆了較大的體積變形和收縮，從而引起了普遍的體積收縮，有效地吸收了外部能量。實際上，拉脹結構的能量吸收能力也超過了蜂窩結構（平面內）、八角點陣結構和金字塔形等傳統結構網格。這是因爲受彎曲或拉伸應力支配的桁架格由于其局部支撐斷裂或結構塌陷，導致無法同時變形以承受較大的壓縮應變[13]。

這項工作解釋了晶格的延展行爲，並且探索了固有韌性納米複合材料組成的非線性塑性變形結構。對于致密化應變，BCC-6H和BCC-12H的拉脹晶格分別在0.13–6.29和0.18–2.55 MJ m-3的範圍內表現出優異的能量吸收能力。這些拉脹晶格的比能量吸收能力爲1.6-20.42 J g-1，與鎳、氧化鋁納米晶格和钛合金結構相當，並且超過了普通鋁合金材料和其他增材制造結構，如圖4所示[4]。相比之下，輕質钛合金泡沫具有出色的性能，然而它們的制造方法（例如EBM，SLM和激光熔覆）與目前用于輕型複合材料制造的方法（圖5）相比價格昂貴且能耗高。迄今爲止，微立體光刻法和直接打印技術仍受到尺寸的限制，難以實現大型結構的制作。總之，在諸如汽車和航空工業等領域中，激光燒結的拉脹複合材料的優點是能量吸收率高且經濟效益好。

六、結論

1、本文通過激光燒結複合材料工藝制備了機械超材料，有效地將材料設計和結構選擇結合，實現了可控制的形狀轉換並且驗證了其出色的能量吸收能力。

2、激光燒結納米複合超材料的能量吸收性能既取決于結構韌帶的變形機理，又取決于組成材料的微觀結構。

3、增材制造技術將高性能納米複合材料與晶體的設計相結合，可以用于緩沖、防沖擊、防爆以及包裝等領域。

4、複合材料超材料由于其膨脹變形、可控制行爲、高可預測性以及出色的能量吸收能力，在航空航天和軍事等行業中具有巨大潛力。

致 謝

感謝國家自然科學基金（U1930207）和國家自然科學基金重點項目（51790171、5171101743、51735005）、國家青年科學基金（51905439）以及重慶市科學技術局新型高端研發機構專項（Grant No. CSTC2018(C)XXYFJG0004）的資助。與其他方沒有利益沖突。

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作者簡介：袁上欽 西北工業大學副教授 博導

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