超结构是通过将基本的结构单元组装成更大的结构，从而获得增强和协同的光、电、力、磁性质的新材料。这些材料在药物运载、光电技术、化学传感器、能源储存及催化领域有着重要用途。
超结构与超材料
© 3D科学谷白皮书
深刻变革
近年，增材制造技术赋予了先进结构前所未有的设计自由度，使得新一代工程构件可通过复杂热力结构实现如负泊松比、热隐形等诸多奇异热力性能，为结构设计带来了深刻变革，此类结构被广泛称为“超结构”。当前超结构由于其优异的热力性能，在航空航天、机器人等领域拥有十分广泛的应用前景。然而，新型航天器、机器人的复杂苛刻热力服役需求对先进结构提出了热控-承载的多性能一体化可编程的需求。由于热力分化的结构设计特征，现有超结构难以同时实现新型工程构件的高效热控-承载一体化可编程性能设计。
图 1. 可编程超界面
针对这项问题，上海交通大学特种材料研究所与香港大学陆洋教授团队合作，基于上海光源BL16U2线站，提出了蜂针生物结构的CT逆向设计方法，利用蜂针结构高度各向异性的机械与流体性能发明“超界面”，并将其作为可编程化的超结构界面热力单元，实现超结构机械性能，传热性能，与动态调控的智能一体化可编程。相关研究成果以题目为“Metainterface with mechanical, thermal, and active programming based on programmable orientation-distributed biometric architectonics”的论文被邀请作为封面文章在高水平期刊Materials Horizons发表（影响因子：12.2），博士生高振洋为第一作者，王洪泽副教授与吴一副教授为共同通讯作者，共同作者还包括博士生任芃源、硕士生郑庚辰、香港大学陆洋教授、硕士生彭伯康、博士后唐梓珏与王浩伟讲席教授。
图 2 超结构可编程超界面热力性能研究
该研究基于上海光源BL16U2线站对蜂针倒刺结构进行了CT成像和逐层逆向设计，提出了基于任意曲面的仿生热力编程界面单元的设计方法，在多类复杂热力系统中有十分广泛的应用前景（图1）。为实现蜂针单元的机械性能编程，团队研究了不同蜂针角度下耦合界面与非耦合界面仿生单元与基体分离过程的界面能量（图2(a)），团队还通过模拟界面分离过程的应力分布，发现仿生界面单元相较于传统平直界面可更为有效地将界面应力通过微裂纹地方式传递至深层基体中，提高界面分离所需地机械能（图2（b-c））。在传热方面，仿生界面单元相比于平直界面，可在不同流速下保持界面的传热效率，具有更高的传热稳定性。为进一步实现超界面的传热调控，团队基于全连接神经网络构建了仿生单元数据驱动流体流速与温度控制模型（图2（e-f）），最终实现了超界面热力性能的综合调控。
图 3 可编程超界面与现有界面设计的热力性能与各向异性比较
相比于现有界面设计，团队还发现采用CT逆向设计的超界面具有更为优异的机械与传热性能，相较于传统界面设计，超界面最高可实现近5倍传热效率提升与14%至727%的界面机械能量提升（图3（a-b））。同时，研究证明CT逆向设计的超界面单元相较于传统抽象简化的仿生单元或经验设计单元具有更为显著的各向异性特点(图3（c）)，对超结构的区域性能可编程化设计尤为关键。
图 4 可编程超界面在典型复合超结构中的力学应用
图 5 具有热控超界面的新型热控-承载一体化超结构。
为展现超界面在不同热力场景中的作用，研究团队首先将超界面应用于复合超结构当中，基于超结构不同拓扑结构高度异化的变形失效机理定制了其界面机械性能分布，使其能够充分利用多材料界面失效大幅提升其机械性能，研究证明此类设计在包括FCC，BCC，Tesseract，Vintiles，SHS，与fish scale assemblies等超结构当中都可实现十分显著的机械性能提升（图4）。
其次，研究团队通过赋予复杂承载结构超界面的方式，实现了热控-承载一体化的新型热力超结构，在保持其承载能力的同时，实现了热流流速，温度的可编程化调控，研究正式此类设计可实现包括复杂字母（“SJTU”，“AI”）的数据驱动热流调控，为新一代轻质热控承载一体化结构提出了新颖的解决方案。
最后，卫星、登月机器人等先进构件的服役环境复杂多变，现有构件界面难以对动态变化的服役环境做出实时界面性能的调整。基于这一问题，团队研究基于复杂机器人热力系统提出了超界面动态可编程构件，实现了新型人工外骨骼或智能机器人构件的热力性能实时调控，使得未来机器人热力系统界面性能的智能动态调控成为了可能。
图 6 动态可编程超界面在新型智能机器人系统中的应用。
上海交通大学特种材料所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟教授任负责人。团队近期在增材制造结构设计领域研发了具备失效可编程的仿生多级蜂窝球形结构超结构，基于逐层失效与晶界强化实现了同密度超结构72%的比吸能提升，相关成果发表于Composites Part B: Engineering上；基于自然纤维，团队提出了数据驱动新型纤维结构超结构，相比于密度超结构实现了可编程的非线性机械性能与近10倍的可恢复能量吸收提升，相关成果发表于Composites Part B: Engineering上。通过结合自然纤维与石墨烯抗冲击层，团队还实现了超软抗冲击超结构，相关成果发表于International Journal of Machine Tools and Manufacture上。团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像等方向博士后。联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)
团队相关领域已发表论文链接：
doi.org/10.1039/D4MH00570H
doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104101
doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110345
doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110468
l 谷专栏 l
网站投稿 l 发送至2509957133@qq.com
