材料演化！揭示輕質(zhì)抗斷裂點(diǎn)陣超材料的增韌新機(jī)制

隨著航空航天、柔性電子等領(lǐng)域?qū)p質(zhì)高性能材料的需求快速增長，點(diǎn)陣超材料因其優(yōu)異的輕質(zhì)高強(qiáng)韌特性受到廣泛關(guān)注。然而，增材制造不可避免引起裂紋等制造缺陷，嚴(yán)重制約了點(diǎn)陣超材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用。與連續(xù)介質(zhì)不同，點(diǎn)陣超材料具有離散結(jié)構(gòu)特征，這可能導(dǎo)致非線性變形，并在含裂紋情況下顯著影響裂尖場的分析。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授課題組系統(tǒng)揭示了點(diǎn)陣超材料中桿件屈曲誘導(dǎo)裂紋鈍化的非線性增韌機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了比斷裂能隨相對(duì)密度降低而反常上升的標(biāo)度律關(guān)系。該研究相關(guān)研究成果以題為“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials"的論文發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》期刊上。

圖1. 不同離散系統(tǒng)中的增韌機(jī)制與點(diǎn)陣超材料中桿件屈曲引起的比斷裂能反常標(biāo)度律。

傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)斷裂力學(xué)理論主要考慮裂紋尖部的應(yīng)力奇異性，而研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在低相對(duì)密度條件下，點(diǎn)陣超材料的離散特征使得受壓桿件在裂尖區(qū)域會(huì)發(fā)生屈曲，從而鈍化裂紋前沿，顯著抑制裂紋擴(kuò)展（圖1a）。系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬顯示，當(dāng)相對(duì)密度低于臨界值時(shí)，點(diǎn)陣超材料的比斷裂能（單位質(zhì)量斷裂能）隨相對(duì)密度降低而顯著提升，呈現(xiàn)超輕高韌特性（圖1b-c）。這種反常變化在包括Kagome、八角桁架等多種二維與三維結(jié)構(gòu)中均得到了驗(yàn)證，揭示了該增韌機(jī)制的普適性（圖2a）。實(shí)驗(yàn)樣品采用摩方精密nanoArch^® S130（精度：2μm）3D打印系統(tǒng)制造，使得裂紋形貌、單元尺寸和邊界條件均得到了高精度實(shí)現(xiàn)，為系統(tǒng)開展裂紋起始實(shí)驗(yàn)與數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）應(yīng)變分析提供了堅(jiān)實(shí)技術(shù)支撐（圖1b）。

圖2. 點(diǎn)陣超材料中桿件屈曲引起斷裂增韌的普遍機(jī)制與結(jié)構(gòu)增韌設(shè)計(jì)。

研究團(tuán)隊(duì)基于裂尖桿件非線性屈曲調(diào)控能量耗散的增韌機(jī)制，系統(tǒng)建立了歸一化韌性-相對(duì)密度預(yù)測模型，提出可通過桿件長徑比、材料模量等參數(shù)優(yōu)化屈曲響應(yīng)。此外，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種非均勻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新型增韌策略?；诖嗽碓O(shè)計(jì)的非均勻點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)（圖2b）成功誘導(dǎo)桿件屈曲，從而影響裂尖應(yīng)力場，使超輕材料的斷裂能得到大幅提升（圖2c）。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)，通過精準(zhǔn)調(diào)控裂尖桿件的非線性變形行為及其能量耗散路徑，可在超低密度下實(shí)現(xiàn)高斷裂韌性，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣超材料的強(qiáng)韌力學(xué)設(shè)計(jì)提供了新范式（圖2d）。

總結(jié)：研究團(tuán)隊(duì)的工作系統(tǒng)揭示了離散點(diǎn)陣超材料中通過桿件屈曲失穩(wěn)調(diào)控裂紋尖部場的新型增韌機(jī)制，建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)與斷裂性能的定量映射關(guān)系，為發(fā)展超輕高韌材料提供了理論框架和設(shè)計(jì)方法。該成果為新一代超輕強(qiáng)韌材料開發(fā)開辟了新路徑，有望進(jìn)一步推動(dòng)輕質(zhì)點(diǎn)陣超材料在航空航天、柔性電子等領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用。