【技術前沿】探索微晶格阻尼材料背後的3D列印與材料科學

什麼是材料的阻尼

關於微晶格阻尼材料和可重複吸收能量的方法，據市場調研，當前波音公司與HRL實驗室有著頗為深入的研究。

波音公司曾在2015年展示了他們獨特的3D列印微點陣結構材料的巨大潛力，並且波音相信這是世界上最輕的金屬。該材料的研發背景是2011年由波音子公司HRL實驗室為國防高階研究計劃局（DARPA）開始研發的。重量比塑膠更輕，壁結構比人的頭髮絲還細一千倍，密度僅為0。9毫克/ CC，該結構是一種由相互連線的空心管金屬晶陣，這使得它具有非常強的抗壓縮能力和高水平的吸收力。

不再依賴於溫度

透過3D列印技術創造的這一突破性的金屬結構，其基本的架構是透過UV光固化聚合物形成的模板。然後使用化學電鍍的方法為模板鍍上一層超薄的鎳，再除掉熱聚合物模板材料，只留下空心的金屬結構。該金屬結構的99。99%都是空氣，奈米固體結構只佔0。01%，空心管壁厚度僅100奈米，比頭髮細1000倍。

在此之前，市場上通常使用的是粘彈性阻尼材料，這些材料透過在應力下滑動的聚合物鏈吸收能量，不過，粘彈性聚合物的功效強烈依賴於溫度，因此，粘彈性聚合物僅在較小的溫度範圍內表現出高阻尼係數，而在極端溫度下則效能較差。

透過利用中空管彎曲的能量吸收機構（如微晶格所提供的），HRL實驗室的研究結果可以提供高阻尼的效能，特別是適用於聲學，振動或衝擊領域的阻尼用途。

據市場研究，HRL實驗室實現的中空管壁厚與直徑之比小於3。ε，中空管直徑在10微米到10釐米之間。材料方面，中空管由金屬、陶瓷和塑膠材料形成。微晶格適於在大於300攝氏度的溫度，低於負100攝氏度的溫度或在超過200攝氏度的溫度範圍內提供阻尼用途。

阻尼的物理意義是力的衰減，或物體在運動中的能量耗散。通俗地講，就是阻止物體繼續運動。一般來說，材料的阻尼係數越大意味著其減震效果或阻尼效果越好。但是並不是阻尼越大越好，阻尼大到一定程度時兩個物體之間變成了剛性連線。

當然，微晶格需要閾值應力以觸發屈曲和伴隨的能量吸收等特性是可以設計的。

透過製造這種具有類似於粘彈性阻尼材料的金屬或陶瓷微晶格材料，同時保留金屬或陶瓷的優點，例如溫度不敏感（與粘彈性僅20-30攝氏度範圍相比）。

可期待的商業化前景

關於微點陣結構的商業化應用，我們曾介紹過Incase利用Carbon的20臺3D列印平臺來設計和生產更先進的移動裝置保護裝置，這是業內首個3D列印的新型彈性體複雜結構設計的移動裝置防護解決方案。

這樣的微晶格材料還可用作吸聲器，其比傳統的吸聲器更薄更輕。另外，它可以用在汽車中作為減振器來減弱聲音並提供衝擊保護。可擴充套件的商業化前景包括可以用作約束層阻尼器，以抑制平面或旋翼機機身中板的振動。

這是一種具有較低的重量，較低的溫度依賴性和多功能特性的材料，而3D列印讓這種新型的材料成為現實。