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斗三公:斗三公机械系杨楠教授团队 在增材制造顶刊《Additive Manufacturing》发表研究成果

近日,杨楠教授团队在《Additive Manufacturing》(中科院一区,IF=11)上发表研究文章“Self-rotation-symmetry transformation for tuning anisotropy of single type lattice structures with minimal surfaces”,探索晶向对称变换调控物质力学各向同(异)性的新机理。

我们很难控制自然物质内部的晶格走向,但是感谢增材制造技术,我们能自由设计材料内部的晶格方向。本工作开展之前,我们提出这样一个问题:在力学上,各向异性的晶格,能否组合成一个各向同性的物质?怎样做到?

基于多类型三周期极小表面(TPMS)的杂化结构的力学性能研究已经有很多工作。然而,单一类型的最小表面结构的所有力学性质还没有被研究透彻。本文提出了一种自旋转对称变换(SRST)方法,通过数值模拟和实验证明了,该方法可将单一类型TPMS结构进行各向同性/异性的调整。在SRST中,具有相同类型的多个子结构以角度θ旋转,然后对称地组合成一个新的单元。随着θ的变化,二维SRST P型晶格的各向最大模量与最小模量之比(Max/Min)为1.02-2.03,三维SRST P型晶格的各向最大模量与最小模量之比为1.07-2.15。这说明即便子结构是各向异性的(如P型晶格),那么其对称旋转组合体也可能是各向同性的(Max/Min接近1)。此外,SRST方法可以在给定方向上有效地调节弹性模量。例如,二维P晶格的弹性模量能从200 MPa左右调整到300 MPa。有趣的是,弹性模量和各向异性的变化与体积分数无关,因为每个子结构的体积在旋转时不会改变。该方法为设计具有目标体积分数的目标机械性能提供了可行性,可应用于能源、航空航天、光学和医疗等领域。

该工作受到国家自然科学基金、 广东省自然科学基金、汕头大学科研启动基金 、广东省高校重点专项基金 、 广东省高校创新团队项目和2020李嘉诚跨学科研究基金的资助。

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860423004785

文:杨楠


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