2017年3月杂志俱乐部:建筑材料

构架的材料

介绍

建筑材料(或建筑材料)是一类通过材料属性和几何形状之间的相互作用显示新的和/或定制行为的材料[1,2,3]。随着可以预测材料和结构行为的计算建模以及3D打印等先进制造方法的进步，这一领域的研究已经非常活跃。在过去的杂志俱乐部里有相关的文章，包括负泊松比材料(2010年4月，卡蒂亚·贝托尔迪)利用不稳定性应对刺激(2012年11月，赵宣和)受弹性波能量收集概念启发的超材料(2012年12月，Massimo Ruzzene)机械超材料(2013年4月，沈宗民)纳米结构纳米晶格结构(2013年11月，卢卡斯·梅扎、劳伦·蒙特马约尔、朱莉娅·格里尔)。从那时起，在研究设计原理、开发新的制造方法、探索新的性能和应用方面，该领域有了许多令人兴奋的发展。因此，现在是总结该领域最新发现并探索未来机会的好时机。由于篇幅有限，本文不打算对该领域进行全面的回顾。相反，它的目的是作为一个活生生的文件，可以促进该领域的研究人员和广泛的iMechanica社区之间的讨论，以便人们可以添加关于这个不断发展的领域的想法和参考。万博manbetx平台在介绍之后，将介绍建筑材料中的一些最新例子，然后介绍该领域当前的挑战和潜在的未来方向，作为进一步讨论的起点。

建筑材料的最新进展

自2014年以来，该领域出现了令人兴奋的新研究，这些研究显著扩大了可用的房产空间(或填补了Ashby地块的“空白”)，并引入了以前没有的新房产。图1显示了最近的一些示例的发展。基于合理的建筑设计，其次是高分辨率的3D打印，郑等。已报道的超轻和超硬材料(图1A-B)，最小密度为0.87 kg/m3 (c.f.水密度~1000 kg/m3)，模量为~1 MPa[4]。建筑材料的相对密度为0.025%(即99.75%的空气)，但它具有相当的承载能力。同年，梅扎等。据报道，三维陶瓷晶格(图1C-D)具有高比刚度和大变形后形状恢复。虽然陶瓷在大变形下容易发生塑性变形或断裂，但所报道的结构陶瓷晶格在超过50%应变的压缩后可以恢复其原始形状[5]。从那时起，有许多研究扩大了可用的材料属性空间。然而，没有几何或建筑达到材料性能的理论上限，如各向同性弹性刚度。伯杰最近的研究等。通过报告在Hashin-Shtrikman上界的理论极限下具有各向同性弹性刚度的建筑材料(图1E-F)来解决这一挑战[6]。除了扩展可用的属性空间之外，还可以生成在批量形式中无法观察到的新属性或行为。

图1所示。(一)拉伸主导的八元桁架单元格受压荷载的力学响应[4]。(B)八柱桁架单元格被包装成一个立方微晶格[4]。©2014美国科学促进会。(C)空心八柱桁架单元格剖面图[5]。(D)氧化铝八元桁架纳米晶格的SEM图像[5]。©2014美国科学促进会。(E)三立方八元泡沫(Isomax™)的代表性拓扑结构[6]。©2017自然出版集团。(F)三维打印模型的泡沫的细胞结构，各向同性弹性刚度在理论极限。(图片来源:Sonia Fernandez)

特别是，已经有积极的研究利用弹性变形的新的可逆和/或可调的机械行为。例如，Shan等。(图2A)和Frenzel等。有报道称，利用机械不稳定性吸收可重复使用能量的建筑材料[7,8]。雷斯特雷波等。和Haghpanah等。(图2B)报道了具有弹性变形能量耗散的形状可重构材料[9,10]。除了准静态加载条件外，也有研究报告了动态加载(如弹性波传播)的建筑材料。山等。报道了一种结构材料(图2C)，通过触发不同的机械不稳定性诱导的模式形成，可以调节振动的传播和吸收[11]。Matlack等。报道了一种具有低频宽带振动吸收的结构材料(图2D)[12]。兰尼等。据报道，利用机械不稳定性存储弹性应变能，实现了机械信号在软介质中的稳定传播(图2E)[13]。

图2所示。(一)具有可逆能量吸收的建筑材料的照片[7]©2015 Wiley-VCH。(B)多稳定形状可重构建筑材料图像[10]。©2016 Wiley-VCH。(C)利用软周期结构中的多重折叠机制对弹性波传播进行可调控制的结构材料的照片[11]。©2014 Wiley-VCH。(D)具有周期性的一维中尺度单体胞链x方向(上)。3D打印过程中的元结构照片，聚碳酸酯晶格(白色)，支撑材料(棕色)和嵌入的钢谐振器(灰色)(中间)。带有嵌入式谐振器的最终3d打印元结构(下)[12]©2016美国国家科学院。(E)一种由软耦合单元连接的一维双稳态单元，利用存储的弹性能在软介质中稳定传播机械信号[13]。©2016美国国家科学院。

此外，也有研究报道了建筑材料具有不寻常或奇异的特性，如负有效膨胀(图3A)[14]、负热膨胀(图3B)[15]和静态非互易性(图3C)[16]。这些例子展示了建筑材料以一种与那些成分相反的方式表现出的特性，并为我们提供了设计材料和结构的有趣的新机会。

图3所示。(一)在膨胀过程中具有有效负膨胀的建筑材料的实验快照。红色虚线表示用于计算εsw(膨胀应变)的单元格[14]。©2016 Wiley-VCH。(B)随温度升高，显示负热膨胀行为的单胞实验序列。红色箭头表示加固PEGDA梁的向内弯曲[15]。©2016美国物理学会。(C)具有静态非互易性的3D打印建筑材料[16]©2017自然出版集团。

挑战与展望

虽然建筑材料已经取得了许多令人兴奋的进展，但也存在一些挑战，如逆向设计能力和跨不同长度尺度的分层结构的制造。为了设计建筑材料，基于单元格的参数化方法是最常用的方法。其他方法包括组合方法(图4B)[17]和寻找物理原理的力学类似物，如具有静态非互易性的建筑材料[16]。然而，在指导基于这些方法的所需应用程序的体系结构逆设计方面存在挑战。从这个意义上讲，拓扑优化的最新进展(图4A) [3]在考虑制造约束和公差等其他条件的情况下，为具有所需性能的建筑材料提供设计算法，使其适合作为建筑材料制造的指导。然而，这种方法也存在挑战，例如考虑优化算法的不稳定性，以合理设计具有变化属性的可调架构。据我所知，目前还没有一种算法或工具可以为我们提供具有材料和/或结构非线性行为的建筑材料的逆设计能力。

图4所示。(一)结构材料拓扑优化设计框架的一个实例。然后在各个方向上重复优化的晶胞结构，并制造成块状材料[3]。©2016年度回顾。(B)(第一行)(左)砖块(上)及其示意图(下)，颜色表示方向，黑色凹痕和白色突起表示变形。(右)两个例子，适当极化，相邻的砖块适合在一起。(第二行)周期(左)，复杂(中)和受挫(右)2 × 2 × 2堆叠-对于受挫堆叠，不存在一致的砖配置(灰色/虚线)。为了便于可视化，示意图符号彼此分开[17]。©2016自然出版集团。

在制造方面，在不同长度尺度的可用材料和制造方法方面仍然存在局限性。大多数制造方法对特定类别的材料和/或长度尺度是有效的。没有单一的工具可以让我们从亚微观到宏观层次上制造任何材料制成的任意3D结构。最近使用单一制造工具制造多尺度材料的演示(图5A)[18]提供了连接不同长度尺度的潜在制造路径。我们还可以通过使用各种刺激响应材料，包括形状记忆材料和凝胶，来扩展建筑材料的设计空间。

除了控制外部几何形状外，除了材料特性外，还可以通过将几何形状与打印路径[19]或微观结构耦合，进一步扩展建筑材料的设计空间和由此产生的性能空间。3D打印的最新进展通过在打印几何结构内实现微观结构控制提供了这样的机会(图5B-C)[20,21]。对微结构的额外控制可以使我们拥有基于微结构的不同响应的建筑材料，而它们具有相同的几何形状和材料成分。

图5所示。(一)扫描电子显微图显示了多尺度建筑材料的结构层次的横截面分解，其壁厚可达数十纳米[18]。©2016自然出版集团。(B)(左)三角形蜂窝复合材料3D打印光学图像。(右)复合油墨沉积过程中喷嘴内高纵横比填料的渐进式对齐示意图[20]。©2014 Wiley-VCH。(C)显示3D磁性打印过程的原理图系统地对齐和选择性地聚合体素组，这些体素组被编程为在每层打印材料中基于移动场具有特定的增强方向[21]。©2015自然出版集团。

作为结束语，建筑材料是一个令人兴奋的领域，通过结合各种学科，包括力学，材料科学/工程，物理学，化学和生物学，开辟了新的机会。这也是一个需要在许多领域进行进一步研究的领域，包括分析和数值建模，以及具有扩展材料调色板，长度尺度和微观结构的先进制造方法。在科学界之外，工业也活跃在这一领域的应用，如航空航天，汽车和运动服装。建筑材料是一个跨学科和部门的研究人员可以共同努力的领域，为材料和结构的行为带来新的理解，并为具有定制和/或有趣特性的材料和结构开辟新的机会。

参考文献

1.Valdevit, L.， Jacobsen, A. J.， Greer, J. R. & Carter, W. B.多功能细胞结构优化设计方案:从高超声速到微结构材料。美国陶瓷学会杂志94年,15 - 34(2011)。

2.Schaedler, t.a.和Carter, w.b.建筑细胞材料。材料研究年度回顾46岁,187 - 210(2016)。

3.Osanov, M.和Guest, J. K.结构材料设计的拓扑优化。材料研究年度回顾46岁,211 - 33(2016)。

4.郑晓宇。et al。超轻、超硬的机械超材料。科学344年,1373 - 1377(2014)。

5.Meza, L. R, Das, S. & Greer, J. R.强、轻、可回收的三维陶瓷纳米晶格。科学345年,1322 - 1326(2014)。

6.Berger, J. B, Wadley, H. N. G.和McMeeking, R. M.各向同性弹性刚度理论极限下的机械超材料。自然(2017)。doi: 10.1038 / nature21075

7.山,S。et al。捕获弹性应变能的多稳态结构材料。先进材料27日,4296 - 4301(2015)。

8.Frenzel, T.， Findeisen, C.， Kadic, M.， Gumbsch, P. & Wegener, M.定制屈曲微晶格作为可重复使用的轻质减震器。先进材料5865 - 5870(2016)。

9.Restrepo, D.， Mankame, n.d.和Zavattieri, P. D.相变细胞材料。极限力学快报4，52-60(2015)。

10.Haghpanah, B.， Salari-Sharif, L.， Pourrajab, P.， Hopkins, J. & Valdevit, L.多稳定形状可重构建筑材料。先进材料28，8065(2016)。

11.汕头，南卡罗来纳州。et al。利用软周期结构中的多重折叠机制实现弹性波的可调控制。高级功能材料24日,4935 - 4942(2014)。

12.Matlack, k.h, Bauhofer, A.， Krödel, S.， Palermo, A. & Daraio, C.用于低频和宽带振动吸收的复合3d打印元结构。美国国家科学院院刊113年,8386 - 8390(2016)。

13.J. R.雷尼。et al。利用储存的弹性能在软介质中稳定传播机械信号。美国国家科学院院刊113年,201604838(2016)。

14.刘,J。et al。利用屈曲来设计具有有效负膨胀的建筑材料。先进材料28，6619 - 6624(2016)。

15.王,问。et al。具有可调负热膨胀的轻质机械超材料。物理评论快报117年,(2016)。

16.Coulais, C, Sounas, D. & Alù， A.机械超材料中的静态非互易性。自然542年,461 - 464(2017)。

17.Coulais, C.， Teomy, E.， de Reus, K.， Shokef, Y.和van Hecke, M.组合设计的纹理机械超材料。自然535年,529 - 532(2016)。

18.郑,X。et al。多尺度金属超材料。自然材料15，1100 - 1106(2016)。

19.Sydney Gladman, A.， Matsumoto, E. A.， Nuzzo, R. G.， Mahadevan, L. & Lewis, J. A.仿生4D打印。自然材料15，413 - 8(2016)。

20.康普顿，b.g. &刘易斯，j.a.轻量化细胞复合材料的3d打印。先进材料26日,5930 - 5935(2014)。

21.Martin, J. J.， Fiore, b.e. & Erb, R. M.通过3D磁打印设计仿生复合材料增强结构。自然通讯6，8641(2015)。