隨著近年來新能源汽車、智能駕駛、航空航天產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，車輛和飛機的極限速度正在迅速增加，因此對材料和結(jié)構(gòu)的承重和吸能性能提出了嚴苛的要求。經(jīng)典的力學超材料的設(shè)計和研究絕大部分只停留在彈性階段，而車輛的極限速度增加而對飛機產(chǎn)生了迫切的需求和苛刻的要求優(yōu)異的塑性性能。雖然有些超材料具有較好塑性性能，它們或者初始峰值應(yīng)力很大，之后應(yīng)力水平急劇下降，或者塑性階段非常短，很小的應(yīng)變就會發(fā)生失效，無法承受大變形，或者塑性階段的整體應(yīng)力水平比較低。只有極少數(shù)超材料能夠經(jīng)受住塑性大變形并提供比較高的應(yīng)力水平，適用于能量吸收相關(guān)場景。

針對上述問題，西安交通大學航天航空學院張建勛副教授團隊報道了兩種力學超材料。解決了高應(yīng)力水平和應(yīng)力穩(wěn)定性之間的固有矛盾。以基本單元優(yōu)異性能為導向，采用多維度性能拓展策略，設(shè)計并制造了基于三角形波紋的仿生三維板晶格超材料(TCPL)。并且采用變形抑制策略，通過主相和增強相相互嵌入，得到了雙相ETCPL超材料。實驗和仿真結(jié)果表明，TCPL的應(yīng)變能、比吸能、壓潰力效率和比強度都遠高于現(xiàn)有典型多胞材料，最大的參數(shù)提升達到18667.19%。在主相和增強相相互嵌入下得到的ETCPL力學性能再次得到大幅提高。TCPL和ETCPL都不存在初始峰值應(yīng)力，兼顧高應(yīng)力水平和應(yīng)力穩(wěn)定性，滿足了對理想承載和吸能超材料的性能需求。此外，兩種超材料的塑性性能指標全部顯著超越了Gibson-Ashby模型的理論上限。研究成果以“Performance-Oriented and Deformation-Constrained Dual-topology Metamaterial with High-Stress Uniformity and Extraordinary Plastic Property”為題于11月20日發(fā)表在材料領(lǐng)域頂級期刊《Advanced Materials》上。

自然界的生物體經(jīng)過長時間的進化，獲得了適應(yīng)其生存環(huán)境的最佳結(jié)構(gòu)組成，并帶來了能夠滿足結(jié)構(gòu)功能的機械性能。承受這種高強度沖擊的能力歸功于趾尖前趾內(nèi)層的平行結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)以規(guī)則的三角形波紋單元排列。受孔雀螳螂蝦螯的啟發(fā)，研究人員使用仿生三角形波紋作為構(gòu)建新型超材料的基本單元。在傳統(tǒng)的波紋承重體系中，波紋結(jié)構(gòu)都是沿一個方向布置的，其力學性能只能在這個方向上發(fā)揮作用。基于以性能為導向的設(shè)計原則，研究人員創(chuàng)新性地提出了多維性能拓展策略，將三角波紋結(jié)構(gòu)的力學性能向四個方向延伸。TCPL超材料單胞的結(jié)構(gòu)組成如下所述。首先，沿著x軸建立一個三角形波紋，然后沿著y軸和兩條對角線建立另外三個三角形波紋。這四種波紋相互連接、支撐、保持和約束，它們之間的相互作用可以使結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能實現(xiàn)更加充分。為了便于單元胞之間的連接形成超材料，沿著立方輪廓切除周圍區(qū)域。與桁架結(jié)構(gòu)相比，嵌入在超材料中的封閉空間的互聯(lián)性顯著增加了應(yīng)變能的存儲。通過鏡像圖1(a)④所示的結(jié)構(gòu)，并從底部拼接，獲得最終的TCPL單胞。

圖1、TCPL的設(shè)計及相應(yīng)的實驗樣品。

TCPL的變形過程可分為三個階段，第一階段為初始彈性變形階段。第二階段是塑性變形階段。TCPL的應(yīng)力平臺非常穩(wěn)定且持久，非常有利于穩(wěn)定承重和吸收能量。第三階段是致密化階段，隨著超材料結(jié)構(gòu)的充分壓縮和致密化，應(yīng)力水平急劇增加。對于TCPL整體而言，無論是沿壓縮加載方向還是垂直于壓縮加載方向，靠近中心的單元格首先發(fā)生破碎變形，從而導致圖中藍色劃線的剪切帶顯示為圓弧。可以注意到，TCPL單元胞在對稱的水平面上可以分為上下兩部分，這種變形過程非常穩(wěn)定，提供了平滑的應(yīng)力水平和吸能能力。應(yīng)力首先從加載端傳播到受支撐端。對于含有125個單胞的TCPL，應(yīng)力分布模式與前面描述的單胞試樣S1、S2和S3相同，應(yīng)力分布在水平和垂直對稱面上對稱。

圖2、TCPL的應(yīng)力水平和變形模式。

在隨后的仿真研究中使用5×5×5單胞布局。從不同應(yīng)變下的有限元變形圖可以看出，ETCPL的剪切帶呈圓形。插入增強相后，由于增強相與主相之間的物理連接，限制了壁板的橫向擴張。當應(yīng)力為0.5時，應(yīng)力大小分布基本一致，在增強相作用下，整個超材料內(nèi)部的應(yīng)力有均勻分布的趨勢，幾乎沒有梯度。在增強相超材料的壓縮過程中，不能看到單胞的完全壓縮變形。應(yīng)力在增強相中的分布也具有隨機性和不規(guī)則性，不能有效地分布應(yīng)力。ETCPL和TCPL的差曲線應(yīng)力值在應(yīng)力為0.04后始終高于增強相超材料的應(yīng)力值。

圖3、基于變形抑制策略的雙相ETCPL。

采用變形抑制策略優(yōu)化后的性能取向型TCPL和ETCPL的壓縮力學性能均明顯優(yōu)于其他典型力學多孔材料。ETCPL和TCPL在所有四個指標上都大大領(lǐng)先于其他多胞材料。與TCPL相比，ETCPL的體積只增加了2.67%，而SE的性能提高了51.56%，SEA的性能提高了28.05%，CFE的性能提高了13.58%，SS的性能提高了11.90%。增強相的加入不僅提高了ETCPL的應(yīng)力水平，而且改善了其力學性能指標。與傳統(tǒng)多孔材料泡沫鋁相比，ETCPL的SE、SEA、CFE和SS分別提高了18667.19%、1327.18%、38.75%和943.83%，提高幅度巨大。

然后，研究人員采用Gibson-Ashby模型進行評估。對于包括超材料在內(nèi)的多胞材料，一般很難超過Gibson-Ashby模型的理論上限。TCPL數(shù)據(jù)點超過理論上限的最大值為60.9%，ETCPL數(shù)據(jù)點超過理論上限的最大值為75.2%。與TCPL對Gibson-Ashby模型的突破相比，ETCPL在TCPL基礎(chǔ)上提高相對屈服強度的效果較差，說明多維性能擴展策略是顯著提高結(jié)構(gòu)效率的主要機制，而變形抑制策略的優(yōu)勢則集中在結(jié)構(gòu)塑性力學指標的改善上。

圖4、TCPL和ETCPL優(yōu)異的塑性性能。

論文第一作者是西安交通大學航天航空學院博士生郭昊元，通訊作者是西安交通大學航天航空學院張建勛副教授。張建勛副教授課題組已在輕質(zhì)多孔結(jié)構(gòu)塑性力學行為、沖擊動力學、新型吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學超材料等領(lǐng)域發(fā)表90余篇SCI期刊論文，包括Advanced Materials，IJSS，IJIE，JAM-ASME，CSTE，Compos A / B 等期刊。這些研究工作得到了國家自然科學基金面上項目等項目資助。

HY Guo, JX Zhang*. Performance-oriented and deformation-constrained dual-topology metamaterial with high stress uniformity and extraordinary plastic property. Advanced Materials, 2024, 36: 2412064.

原文鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.202412064