材料「尺寸效應」實現對微納3D列印結構的力學性能調控

           以面投影微立體光刻(PμSL)為例，目前高精度光固化三維(3D)列印已經被廣泛應用於快速製造具備微納特徵尺寸的高分辨率聚合物模板結構，用於規模化成形製造特徵尺寸小至幾微米甚至百納米級別的定制化3D微晶格（microlattice）機械超材料(mechanical metamaterials)。然而，聚合物3D列印件單元的本徵力學性能在相關對應的尺度上尚沒有系統的力學特性研究。特別是當超材料結構件的特徵尺寸進入微米/亞微米級別時，缺乏對其彈塑性在對應特徵尺寸下的根本理解，將大大限制了其在微/納米晶格（microlattice/nanolattice）和其他多功能結構超材料(structural metamaterials)應用中的性能評估和可靠應用。然而，受限於目前的微納尺度力學表徵的技術困難，相關研究尚處於起步階段。

          近期，香港城市大學機械工程系的陸洋教授及其合作團隊在製造領域的頂尖期刊《極。端製造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上發表《Tailoring Mechanical Properties of PμSL 3D-Printed Structures via Size Effect》的研究文章，基於實驗室客制化的原位微納米力學實驗平台，在光鏡下和電鏡裡，系統研究了PμSL 3D列印聚合物結構單元的“尺寸效應”。研究發現，在特徵尺寸（單元桿直徑）從20μm到60μm範圍內，PμSL列印的聚合物微纖維強度與韌性顯著提高，表現出明顯的尺寸相關的力學行為。而當特徵尺寸減小到20 μm，斷裂應變高達~100%，斷裂強度高達~100 MPa。這種三維光固化列印聚合物的顯著“尺寸效應”可以使得PμSL列印微晶格的材料強度和剛度可以在更大範圍內進行設計與調控，從而使製備的微晶格機械超材料具有增強的/可調的力學性能，或作為模板按照特定用途優化，並適用於各種結構和多功能應用。