轻质超强的三维纳米陶瓷新材料

机械超材料是通过人工设计微/纳米尺度几何结构获得超越传统材料特性的结构材料。近年来，纳米级3D打印技术推动纳米晶格在高强度密度比等性能组合上取得进展，但陶瓷因难直接光聚合，其纳米晶格制备受限。现有陶瓷纳米晶格多为空心梁或聚合物芯壳结构，强度较低；虽已开发兼容高分辨率光刻的陶瓷树脂，但存在原料制备复杂、材料适用范围窄、透明度差和陶瓷成分负载低等问题。

本研究开发了一种基于酸碱中和反应的通用合成方法，制备出15种以上全透明光敏金属丙烯酸盐，无需有机溶剂或交联剂，金属丙烯酸盐负载量高达70%且不影响光学透明度，可用于后续光刻纳米制造。基于此方法制备高熵陶瓷（HEC）光敏树脂，通过双光子聚合直接激光写入（2PP-DLW）和两步烧结技术制造HEC纳米晶格。为获得高致密、高保真的HEC纳米晶格，系统研究了烧结过程中晶粒尺寸和致密化演变，以及锚定效应对结构收缩的影响，最终将HEC纳米晶格的特征尺寸缩小至150纳米。

高熵效应促进高密度位错生成，使预失效应变超过10%的HEC微柱展现出远优于低熵和中熵成分的高压缩强度。实验发现，轻质壳基HEC纳米晶格同时具有超过1 GPa g⁻¹ cm³的超高比强度和高达230 MJ m⁻³的能量吸收，甚至可与最先进的热解碳（PC）纳米晶格媲美。有限元模拟和动态力学分析进一步证实HEC增强了3D结构的韧性，在机械超材料、纳米机电系统和耐损伤轻质材料等领域具有工程应用前景，如航空航天、机器人设计、车辆抗冲击和人工关节等。