供稿人：王蕾蕾、李滌塵 供稿單位：西安交通大學(xué)精密微納制造技術(shù)全國重點實驗室 發(fā)布日期：2025-04-18
經(jīng)典力學(xué)超材料的研究絕大多數(shù)停留在彈性階段，而車輛、飛機等速度較高的應(yīng)用場景對優(yōu)異的塑性性能產(chǎn)生了迫切的需求和苛刻的要求?，F(xiàn)有超材料的塑性變形存在初始峰值應(yīng)力高、塑性量程短和塑性應(yīng)力低等問題。針對這些問題，西安交通大學(xué)張建勛副教授團隊設(shè)計了一種具有高應(yīng)力水平和穩(wěn)定性的大變形超材料。首先采用一種以性能為導(dǎo)向的多維性能擴展策略，獲得了仿生三角形波紋板晶格（TCPL）超材料。在此基礎(chǔ)上，為抑制TCPL的橫向膨脹和屈曲，通過設(shè)計增強拓撲結(jié)構(gòu)，創(chuàng)新性地提出了將TCPL作為主拓撲的變形約束策略，從而獲得了內(nèi)置雙拓撲增強的TCPL（ETCPL）。ETCPL的應(yīng)力均勻性再次得到顯著增強，幾乎沒有梯度，力學(xué)性能和應(yīng)變能大大提升，這種前所未有的性能證實了多維性能膨脹策略和變形約束策略為理想的高性能塑料超材料創(chuàng)造了新的設(shè)計準(zhǔn)則。
首先是仿生TCPL超材料的設(shè)計和性能研究。選用具有較強結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的三角形波紋結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，沿四個方向進行擴展(x 軸方向、y 軸方向和兩個對角線方向)，而后沿立方輪廓切除周圍區(qū)域并進行鏡像，最終形成的結(jié)構(gòu)即為TCPL(圖1(a))。對不同波紋角、不同厚度的5*5*5個單胞構(gòu)成的TCPL進行壓縮試驗，結(jié)果如圖1(b)- (e)，可見TCPL應(yīng)力-應(yīng)變曲線主要分為三個階段：彈性階段、應(yīng)力平臺穩(wěn)定而持久的塑性變形階段和結(jié)構(gòu)完全壓縮的致密化階段；其次晶胞波紋角為 40°、壁厚為 0.25 mm 時 TCPL具有最佳和最穩(wěn)定的壓縮機械性能；然后通過對圖中框定的典型晶胞單獨研究，可見在壓縮過程中，每個晶胞的上下對稱平面存在一定程度的橫向膨脹；最后可見晶胞圍繞TCPL 垂直對稱平面發(fā)生對稱變形，并且離水平對稱平面或垂直對稱平面越遠，不對稱變形越嚴重，同時應(yīng)力分布存在明顯的梯度，即越靠近對稱中心，剪切帶處的應(yīng)力越高。
圖1 TCPL超材料的設(shè)計和性能研究. (a) TCPL超材料單元; (b) TCPL 的 3D 模型; (c)具有不同幾何參數(shù)的 TCPL 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (d)-(e)TCPL-2在不同應(yīng)變下的典型晶胞變形模式和其在三種不同應(yīng)變下對稱剖面上的應(yīng)力分布
然后采用變形約束策略，以 TCPL 為主要拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)計增強拓撲結(jié)構(gòu)，以約束 TCPL的橫向膨脹和屈曲變形，增加 TCPL 晶胞在垂直方向上的強度，結(jié)構(gòu)命為ETCPL，如圖2(a)所示。同樣通過構(gòu)建5*5*5個單胞進行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗，結(jié)果如圖2(b)- (f)，可見與TCPL類似，結(jié)構(gòu)不對稱變形發(fā)生在基本單元內(nèi)部，但總體上發(fā)生對稱變形；不同的是ETCPL晶胞沒有發(fā)生橫向膨脹，在插入增強拓撲后，單胞的橫向擴展受到增強拓撲與主拓撲間物理連接的限制，整個超材料內(nèi)的應(yīng)力在增強拓撲功能下有均勻分布的趨勢，幾乎沒有梯度，同時通過圖2(e)所示，TCPL 主拓撲和增強拓撲不是簡單的疊加，而是通過相互連接和約束改變彼此的變形模式，導(dǎo)致組合后超材料的變形模式穩(wěn)定和高應(yīng)力水平，呈現(xiàn)出1+1＞2的效果。
圖2 ETCPL超材料的設(shè)計和性能研究. (a) ETCPL超材料單元; (b) ETCPL 的變形模式; (c)?ETCPL 典型晶胞在三種不同應(yīng)變下的變形模式; (d)?三種不同應(yīng)變下 ETCPL 對稱剖面上的應(yīng)力分布; (e)? ETCPL 和 TCPL 的應(yīng)力-應(yīng)變曲線; (f)?應(yīng)變???= 0.3 時增強拓撲超材料的變形模式和應(yīng)力分布
最后將所設(shè)計的TCPL和ETCPL的應(yīng)變能(SE)、比吸能(SEA)、破碎力效率(CFE)和比強度(SS)與典型多孔結(jié)構(gòu)(例如泡沫鋁、三周期極小曲面)比較(圖3(a)-(d))，可見與典型多孔結(jié)構(gòu)相比，ETCPL 的 SE、SEA、CFE 和 SS 都得到了很大的提升；同時與 TCPL 相比，ETCPL 的體積僅增加了2.67%，而 SE 的性能提升了51.56%，SEA 的性能提升了28.05%，CFE 的性能提升了13.58%，SS 的性能提升了11.90%。由此可見與現(xiàn)有的多孔材料相比，ETCPL 和 TCPL 在塑性大變形階段的應(yīng)力水平和評價指標(biāo)等力學(xué)性能得到了突飛猛進的提升。同時為了全面準(zhǔn)確地評價基于新思路和新策略提出和設(shè)計的兩種新型超材料，采用 Gibson-Ashby 模型進行評估(圖3(f))，可見TCPL 數(shù)據(jù)點最大超過理論上限的 60.9%，ETCPL 數(shù)據(jù)點最大超出 75.2%，代表了傳統(tǒng)多細胞材料從未達到的超高結(jié)構(gòu)強度和吸能效率，證明了所設(shè)計的設(shè)計策略打破了實證評價系統(tǒng)的封鎖。
圖3 TCPL 和 ETCPL 的非凡塑性 (a)7 種多細胞材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(b)-(c)機械性能指標(biāo)比較，包括應(yīng)變能、比能量吸收、破碎力效率、比強度; (d) ETCPL 和 TCPL 的晶胞體積和機械性能指標(biāo)的雷達圖。 (e)相對屈服強度與相對密度的 Gibson-Ashby 模型的對數(shù)圖。
該研究采用以性能為導(dǎo)向的多維性能擴展策略，創(chuàng)新性地將仿生波紋架構(gòu)的力學(xué)性能從一個方向擴展到四個方向，同時使用變形約束策略，對稱和無縫地將增強拓撲插入 TCPL 主拓撲的內(nèi)部空間，創(chuàng)建了一個集成的雙拓撲超材料，引入的增強拓撲限制了 TCPL 的橫向膨脹和屈曲變形，并增加了 TCPL 單元在垂直方向上的強度，增加了單元的整體變形能力，大大提高了應(yīng)力分布均勻性，同時ETCPL 和 TCPL 在應(yīng)力水平和四個機械性能指標(biāo)上實現(xiàn)了同步改進，均滿足了理想承載和吸能超材料的性能要求。