科學(xué)家利用材料塑性設(shè)計(jì)力學(xué)超材料，讓材料能以任意程度步驟順序?qū)崿F(xiàn)屈曲
文章來(lái)源： 更新時(shí)間：2025-06-20 15:00:54
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力學(xué)超材料是通過(guò)精心設(shè)計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)超常規(guī)的力學(xué)性能的一類材料，超材料的設(shè)計(jì)通常注重其內(nèi)部的幾何結(jié)構(gòu)，而往往忽略了組成其結(jié)構(gòu)材料本身的非線性力學(xué)特征。
盡管當(dāng)前超材料僅通過(guò)內(nèi)部特殊的幾何結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了很多新奇且優(yōu)異的力學(xué)性能，但其局限性也十分明顯，比如僅通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就很難使超材料同時(shí)具備高剛度和高的能量耗散。前者主要用作承載，而后者則用于吸收基于此，荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)博士生劉文峰和所在團(tuán)隊(duì)設(shè)想：是否可以結(jié)合材料本身的非線性力學(xué)特征和超材料的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出一類新的超材料來(lái)解決上述問(wèn)題？
為此，他們探索了材料中一個(gè)常見(jiàn)特性——塑性，即探索材料在受到過(guò)載時(shí)的失效傾向（設(shè)想一下當(dāng)你用力過(guò)度去彎折鋼勺時(shí)會(huì)發(fā)生什么）。
科學(xué)家通常會(huì)避免材料發(fā)生塑性變形，因?yàn)檫@會(huì)很容易使材料變軟失效。然而，通過(guò)設(shè)計(jì)和三維打印由鋼材制成的超材料，他們發(fā)現(xiàn)塑性軟化可以被用作控制超材料在壓縮時(shí)變形的機(jī)制。
通常，高剛度的材料和結(jié)構(gòu)在載荷達(dá)到臨界值之后，會(huì)突然失效（設(shè)想踩上一個(gè)空的汽水罐會(huì)發(fā)生什么）。
而在這項(xiàng)工作中，他們?cè)O(shè)計(jì)的超材料不僅強(qiáng)度和剛度高，而且在壓縮時(shí)會(huì)按順序逐步壓潰，事實(shí)上這一過(guò)程非常類似于雨傘傘把的回收過(guò)程。
之所以實(shí)現(xiàn)這一性能主要基于兩方面：首先，他們通過(guò)超材料的幾何設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)其失效前的高強(qiáng)度與剛度。其次，他們通過(guò)利用塑性軟化和超材料本身的自接觸強(qiáng)化，因此能夠控制超材料的壓潰過(guò)程。從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且巨大的能量耗散。
更重要的是，這兩個(gè)特性可以同時(shí)在輕量化的超材料中實(shí)現(xiàn)，從而能夠巧妙解決材料無(wú)法同時(shí)具備強(qiáng)度剛度、能量吸收和輕量化的這一長(zhǎng)期難題。
最后，使用這種策略設(shè)計(jì)的超材料可以被設(shè)計(jì)成多種幾何形狀和尺寸，因此這些超材料結(jié)構(gòu)適用于制備多種材料，比如制備具有塑性的聚合物、金屬或復(fù)合材料。
對(duì)于相關(guān)論文，審稿人表示研究人員利用材料塑性來(lái)設(shè)計(jì)力學(xué)超材料，讓這些超材料能夠以任意大的步驟順序屈曲。為了更簡(jiǎn)單的指導(dǎo)超材料的設(shè)計(jì)，研究人員提出了“屈服屈曲”。
具體而言，旋轉(zhuǎn)方形單元的“屈服屈曲”恰好發(fā)生在彈塑性材料的屈服點(diǎn)，導(dǎo)致單元在屈曲（一種失穩(wěn)形式）發(fā)生時(shí)負(fù)載下降，直到自接觸發(fā)生之后負(fù)載再次增加。通過(guò)屈服屈曲和合適的超材料結(jié)構(gòu)的結(jié)合，研究人員開(kāi)發(fā)了一種同時(shí)具有承載能力、高強(qiáng)度和最大漸進(jìn)能量耗散的減震器，在各種條件下，例如在不同的節(jié)點(diǎn)連接尺寸之下以及在不同的加載速度和離軸壓縮之下，材料表現(xiàn)出連續(xù)減震變形的出色穩(wěn)定性。
與其他現(xiàn)有超材料相比，該項(xiàng)工作所提出的超材料設(shè)計(jì)結(jié)合了高剛度、高效減速和高能量耗散，并且可以使用不同的制造方法在廣泛的規(guī)模范圍內(nèi)生產(chǎn)。
總的來(lái)說(shuō)，本次論文結(jié)合材料塑性實(shí)現(xiàn)了超材料順序屈曲的設(shè)計(jì)策略新穎獨(dú)特，是對(duì)力學(xué)超材料領(lǐng)域的一項(xiàng)非常出色的貢獻(xiàn)。
期刊編輯則表示本次研究構(gòu)建了一種力學(xué)超材料，它可以依次屈曲以耗散大量能量，從而實(shí)現(xiàn)沖擊吸能。通過(guò)觀看該作品的視頻來(lái)更好地欣賞這一過(guò)程，作者們對(duì)其工作機(jī)理以及為什么會(huì)根據(jù)材料的塑性和幾何形狀設(shè)計(jì)進(jìn)行深入研究，使得其可以很容易地根據(jù)各種彈塑性材料和情況進(jìn)行定制。
該項(xiàng)成果適用于結(jié)構(gòu)同時(shí)承載與沖擊減震吸能，直接的應(yīng)用場(chǎng)景便是各類防護(hù)設(shè)備、汽車、飛機(jī)、火箭和地震沖擊防護(hù)。
他們的工業(yè)合作者荷蘭塔塔鋼鐵公司對(duì)這項(xiàng)研究非常感興趣，他們認(rèn)為該項(xiàng)研究在汽車的沖擊防護(hù)有非常巨大的應(yīng)用前景，因此這篇論文投稿之前，研究人員就聯(lián)合提交了歐洲發(fā)明專利申請(qǐng)。除此之外，他們認(rèn)為該項(xiàng)研究未來(lái)還可能應(yīng)用于各類形變超材料，比如高性能的柔性機(jī)器人、材料的自主裝、 甚至是具備“學(xué)習(xí)”能力的動(dòng)態(tài)材料。
據(jù)了解，該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在超材料的變形領(lǐng)域研究多年。當(dāng)劉文峰加入實(shí)驗(yàn)室時(shí)，劉文峰和導(dǎo)師倫丁·庫(kù)萊（Corentin Coulais）教授就其博士課題方向展開(kāi)過(guò)討論，當(dāng)時(shí)大概討論了四五個(gè)方向，其中的一個(gè)方向是超材料順序屈曲變形行為。
所以在劉文峰讀博早期，他要基于實(shí)驗(yàn)室先前的一些工作 [1,2]，通過(guò)在超材料中設(shè)計(jì)一系列的條狀零能量結(jié)構(gòu)（Zero energy modes）來(lái)實(shí)現(xiàn)上述變形特征。
但是，當(dāng)劉文峰沿著這個(gè)思路設(shè)計(jì)更高階的順序屈曲行為時(shí)卻總是失敗。直到有一天劉文峰在一本經(jīng)典力學(xué)教材中讀到一小段內(nèi)容，其中介紹了彈塑性桿件在壓縮下失穩(wěn)的情況，并簡(jiǎn)單討論了塑性和屈曲失穩(wěn)之間的關(guān)系，這啟發(fā)了劉文峰將塑性作為超材料的設(shè)計(jì)工具（盡管塑性在以往超材料的設(shè)計(jì)中通常被避免）。
通過(guò)此，劉文峰發(fā)現(xiàn)當(dāng)超材料的幾何結(jié)構(gòu)與基材的塑性達(dá)到微妙的平衡時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一種有趣的順序行為，更有意思的是，他們發(fā)現(xiàn)這種由材料塑性所誘發(fā)的超材料的順序屈曲行為，巧妙解決了超材料設(shè)計(jì)中剛度和能量耗散無(wú)法兼容的矛盾。
之后他們發(fā)現(xiàn)這種順序屈曲的行為，廣泛適用于各種彈塑性材料和多種超材料結(jié)構(gòu)之中，并且這類超材料具備在各種工業(yè)尺寸實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的潛力。
當(dāng)他們將這一發(fā)現(xiàn)展示給他們?cè)谒撹F荷蘭公司（一家鋼鐵制造商）的合作伙伴時(shí)，他們也非常興奮，因?yàn)檫@可能會(huì)應(yīng)用于車輛緩沖區(qū)中理想的減震設(shè)計(jì)。
之后，為了驗(yàn)證這一機(jī)理的可靠性，他們聯(lián)系了塔塔鋼鐵荷蘭公司的一個(gè)三層樓高工業(yè)落塔上試驗(yàn)裝置來(lái)進(jìn)行沖擊測(cè)試，他們通過(guò)高速攝像機(jī)來(lái)捕捉高速?zèng)_擊下超材料的變形過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了這一機(jī)理的可靠性，但實(shí)驗(yàn)過(guò)程還是非常之驚險(xiǎn)，尤其是當(dāng)重達(dá) 25 公斤的鐵塊從 10 米落下之時(shí)，所帶來(lái)的震動(dòng)和聲響還是相當(dāng)之震撼。雖然整個(gè)過(guò)程實(shí)驗(yàn)人員都是被隔離在了落塔之外，但他們價(jià)值上百萬(wàn)的高速攝像機(jī)卻在離落塔實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩米左右的距離。幸運(yùn)的是，高速攝像機(jī)完好無(wú)損。
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