機器學(xué)習(xí)催生超輕超硬新材料，輕若泡沫，卻能承擔超其自身重量100萬倍的物體
文章來源：新能源網(wǎng) 更新時間：2025-03-21 15:05:36
近日，加拿大多倫多大學(xué)團隊和合作者造出一種輕若泡沫、堅若鋼鐵的碳納米晶格材料。
如下圖所示：即使讓其“躺在”肥皂泡上，肥皂泡也不會破裂；而即使面對超過其自身重量 100 萬倍的物體，它也能撐得住。
本次材料的體積為 14.3 立方毫米，由 1875 萬個納米晶格單元組成，它的抗壓強度范圍在 180-360MPa，密度范圍在 125-215kg m−3，所能承受的壓力大約是鈦的 5 倍。
這種新材料將能用于為航空航天打造超輕部件，從而能夠充當飛機、直升機和航天器的零件，除了能在飛行過程中減少燃料需求之外，它還能保持高性能和高安全性，從而有助于減少飛行產(chǎn)生的高碳足跡。
研究人員估計，假如使用這種材料來替換飛機上的鈦部件，那么每替換一公斤材料，每年就能節(jié)省 80 升的燃料。
研究人員表示，他們通過將機器學(xué)習(xí)用于納米材料優(yōu)化，并使用 3D 打印技術(shù)造出了這種材料。簡單來說，該團隊采用了多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法（multi-objective Bayesian optimization machine learning algorithm）。
眾所周知，機器學(xué)習(xí)通常需要大量的數(shù)據(jù)。但是，使用多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法只需要 400 個數(shù)據(jù)點，而其他算法可能需要 20000 個或更多，這讓研究人員得以使用規(guī)模很少但卻質(zhì)量極高的數(shù)據(jù)集，來完成了本次研究。
同時，多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法可以從模擬的幾何形狀中學(xué)習(xí)，從而能夠預(yù)測最佳的幾何形狀，進而可以增強應(yīng)力分布，并能提高納米架構(gòu)設(shè)計的強度重量比。
完成上述步驟之后，這時再使用雙光子聚合（2PP，two-photon polymerization）3D 打印機，即可造出本次材料。
研究中，該團隊使用多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法進行梁單元（beam element）設(shè)計，并結(jié)合高 sp² 鍵合的納米級熱解碳，制備出了輕質(zhì)碳納米晶格，其具有超高的比強度和可擴展性。（注：梁單元，是指在有限元分析中用來模擬梁結(jié)構(gòu)的一種基本單元。）
同時，研究人員利用有限元分析（FEA，F(xiàn)inite element analysis）導(dǎo)出訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，進而將其用于生成建模的預(yù)測。（注：有限元分析，指的是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)進行模擬。）
貝葉斯優(yōu)化（Bayesian Optimization），是一種用于函數(shù)全局最優(yōu)化的策略，特別適用于那些計算代價比較昂貴的黑箱函數(shù)，比如機器學(xué)習(xí)模型的超參數(shù)調(diào)優(yōu)。
此前，貝葉斯優(yōu)化已被人們成功用于提升宏觀結(jié)構(gòu)化材料的力學(xué)性能。而結(jié)合納米尺度的強化作用，則能實現(xiàn)協(xié)同性的高性能表現(xiàn)。
通過利用雙光子聚合納米級增材制造技術(shù)與熱解技術(shù)，本次研究人員制備出一種性能更強的晶格，進而將其用于制備碳納米晶格。而在所制備的碳納米晶格中，則分別包含平均支柱直徑為 300 納米和 600 納米這兩類晶格。
通過局部結(jié)構(gòu)表征和原子表征，再結(jié)合分子動力學(xué)模擬，研究人員發(fā)現(xiàn)在熱解的作用之下，熱解碳支柱的外殼區(qū)域存在徑向梯度。當 sp² 鍵合增加，碳純度也就更高。
這樣一來，就能在支柱直徑最小化的情況下，讓晶格的比強度和剛度達到最大值。（注：比強度，是材料的抗拉強度與材料表觀密度之比，比強度越高表明達到相應(yīng)強度所用的材料質(zhì)量越輕。）
在實現(xiàn)機械響應(yīng)最大化的同時，研究人員還通過多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)了相對密度的最小化，并設(shè)法讓材料的支柱直徑達到納米級。
通過此，研究人員讓本次碳納米晶格不僅實現(xiàn)了碳鋼一般抗壓強度，也實現(xiàn)了泡沫一般的密度，并讓它比同等低密度材料的強度高出一個數(shù)量級。
為了測試材料性能，該團隊針對所制備的晶格進行驗證。常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)主要有三種，它們分別是面心立方晶格、體心立方晶格和密排六方晶格，本次成果主要涉及到面心立方晶格和體心立方晶格。
下圖展示了四個面心立方晶格（CFCC，cubic-face centered cubic）的生成式設(shè)計。
對于采用本次方法制備的晶格來說，它呈現(xiàn)出比較直觀的材料重新分布現(xiàn)象，即會朝向節(jié)點處聚集材料，同時通過讓中間梁區(qū)域（mid-beam regions）變薄，以此來實現(xiàn)剛度與密度比值的最大化。與此同時，節(jié)點處的應(yīng)力集中現(xiàn)象也能被消除掉。
下圖顯示了具有支柱輪廓的 CFCC MOB-3 碳納米晶格的場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM，field-emission scanning electron microscopy）圖像。
與模型渲染相比，盡管它的曲率和制造流程更加復(fù)雜，但是其顯示出高度共形的幾何形狀。與此同時，橫截面 FESEM 圖像和幾何分析則進一步顯示：CFCC MOB-3 碳納米晶格內(nèi)部具有低密度結(jié)構(gòu)和共形支柱幾何形狀。（注：高度共形，是指一種幾何形狀在變形過程中，保持其局部形狀和角度不變的特性。）
除此之外，研究員還使用相同的流程，創(chuàng)建了體心立方晶格（CBCC，cubic-body centered cubic），借此證明通過利用本次算法和制造流程，可以讓晶格在各種骨架幾何形狀之間實現(xiàn)輕松轉(zhuǎn)換。
其還發(fā)現(xiàn)，與具有均勻支柱的標準幾何形狀相比，基于多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法打造的晶格的楊氏模量增加了 68%，強度增加了 118%。
在本次研究之中，盡管所制備的幾種晶格的橫截面積明顯不同，但是這也表明并不存在能夠?qū)崿F(xiàn)高比剛度和高強度的單一主導(dǎo)梁橫截面。（注：比剛度，是指材料的彈性模量與其密度的比值，比剛度越高意味著在相同剛度下材料的重量更輕，或者在相同質(zhì)量下剛度更大。）
此外，采用本次方法制備的體心立方晶格，顯示出類似的機械性能增強，這展現(xiàn)了本次技術(shù)的廣泛適用性。
同時，當將晶格的尺寸減半，能將其支柱直徑從 600 納米減小到 300 納米，而剛度則能提高 75%，強度則能提高 79%。
如果將支柱直徑進一步減小到 300 納米以下，則會導(dǎo)致最終部件的幾何保真度降低，而這是由于體素打印分辨率和熱解過程中的翹曲所造成的。（注：體素打印分辨率，是指在 3D 打印過程中體積像素的最小尺寸，體素分辨率的高低會直接影響 3D 打印件的精度。）
有趣的是，本次研究所使用的多目標貝葉斯優(yōu)化機器學(xué)習(xí)算法，在實現(xiàn)比剛度最大化的同時，比強度也能得到極大提高。
與此同時，研究人員還將經(jīng)過本次算法優(yōu)化之后的面心立方晶格和體心立方晶格的性能，與其他建筑材料和天然材料進行對比。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，面心立方晶格的最大比強度為 2.03MPa m3 kg−1，比其他輕質(zhì)材料高出一個數(shù)量級以上。
同時，僅在不到兩天的時間之內(nèi)，研究人員就利用面心立方晶格生產(chǎn)出 1875 萬余個晶格單元，總計體積為 6.3×6.3×3.8 立方毫米。
盡管 1875 萬個晶格在熱解過程中出現(xiàn)收縮，但是仍能觀察到較高的納米晶格保真度，同時熱解所引起的翹曲較小。
研究人員還發(fā)現(xiàn)，雖然沿著晶格縫合線會出現(xiàn)缺陷，不過所影響的晶格總數(shù)不到 1％。
盡管這并不能完全體現(xiàn)納米晶格的高機械性能，但是也意味著通過亞微米分辨率的高通量打印技術(shù)，將有希望打造具有宏觀幾何形狀的高性能碳納米晶格。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Advanced Materials）
（來源：UNIVERSITY OF TORONTO ENGINEERING NEWS）
下一步，研究人員計劃進一步擴大材料設(shè)計的規(guī)模，以實現(xiàn)具有成本效益的宏觀尺度組件。此外，其還將繼續(xù)探索新的設(shè)計方案，旨在將材料結(jié)構(gòu)推向更低的密度，同時讓其仍能保持高強度和高剛度。
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1.https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202410651
2.https://news.engineering.utoronto.ca/strong-as-steel-light-as-foam-machine-learning-and-nano-3d-printing-produce-breakthrough-high-performance-nano-architected-materials/
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