兼具超轻量与高强度的先进新材料研发成功

by Kim Jonghwa

Published 18 Feb.2025 08:28(KST)

KAIST-多伦多大学开展国际合作研究
有望降低航空与汽车产业燃料消耗并提升性能

通过国际合作研究，研究团队开发出了具有超轻量、高强度性能的材料，并可通过定制化设计应用于多种产业。

韩国科学技术院（KAIST）机械工程系教授 Yoo Seunghwa 研究团队与多伦多大学（University of Toronto）教授 Tobin Filleter 研究团队合作，在保持高刚性和高强度的同时，将轻量化性能最大化，开发出了纳米晶格结构，相关成果于18日公布。

制作出的纳米晶格结构的场发射扫描电子显微镜图像，以及覆盖在气泡上的结构体。KAIST提供

研究团队在本次研究中通过对晶格结构中梁（beam）形状进行优化设计，在保持轻量化的同时，探索了最大化刚性和强度的方案。

特别是，研究团队利用可在同时考虑多个目标的情况下寻找最优解的“多目标贝叶斯优化（Multi-objective Bayesian Optimization）算法”，开展了在同时兼顾拉伸和剪切刚性提升以及减轻重量的前提下的最优设计。由此证明，相比既有方法，仅凭大约400条数据就能预测并设计出最优晶格结构。

研究团队还为了在纳米尺度上最大化“尺寸越小机械性能越优”的效应，利用在高温下分解有机物得到的碳材料——“热解碳（pyrolytic carbon）材料”，实现了超轻量·高强度·高刚性的纳米晶格结构。

研究团队采用利用激光束，使只有在特定波长的两个光子被同时吸收时才发生聚合反应的“二光子聚合（two-photon polymerization, 2PP）技术”，使结构同时具备可与钢材媲美的强度和与泡沫塑料相当的轻量化性能；并通过“多焦点二光子聚合（multi-focus 2PP）技术”，在保持纳米尺度精度的同时，证明了可以制造毫米尺度的结构体。

Yoo Seunghwa 教授表示：“这项融合了数据驱动最优设计与精密3D打印技术的工艺，不仅能够满足航空航天及汽车产业对轻量化的需求，还将通过定制化设计，为多种产业应用打开可能性。”

本次研究由 Dr. Peter Serles 与 KAIST 研究员 Yeo Jinuk 担任共同第一作者主导完成，Yoo Seunghwa 教授与 Tobin Filleter 教授作为通讯作者参与。