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?？梢宰⒁獾?，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(dāng)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(xué)性能均明顯優(yōu)于其他典型力學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)航天航空學(xué)院博士生郭昊元，通訊作者是西安交通大學(xué)航天航空學(xué)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(xué)行為、沖擊動力學(xué)、新型吸能結(jié)構(gòu)設(shè)計、力學(xué)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(xué)基金面上項目等項目資助。

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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.

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原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202412064

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