研究背景

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(yán)苛的要求,。經(jīng)典的力學(xué)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,。

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針對上述問題,，西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院張建勛副教授團隊報道了兩種力學(xué)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(dǎo)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(xué)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(biāo)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(xué)性能只能在這個方向上發(fā)揮作用,?；谝孕阅転閷?dǎo)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(xué)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(dǎo)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

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