中国科学技术大学 | 晶格超材料增韧设计新策略

3D科学谷洞察

超材料是一种工程材料，具有独特的属性和先进的功能，这是其微结构组成带来的直接结果。虽然最初的特性和功能仅限于光学与电磁学，但在过去十年中出现了许多新型超材料，它们在许多不同的研究和实践领域都有应用，包括声学、力学、生物材料和热工等。过去十年，旨在设计、模拟、制造和表征不同类型的超材料的研究在广度和深度上都出现了爆炸性增长。这种前所未有的增长主要发生在三大发展的交汇处，这些发展相互加强，并促进了超材料的研究。”

• 解决的问题：突破轻质晶格超材料在断裂韧性研究中忽视支柱屈曲失稳增韧作用的局限，探索支柱屈曲对晶格超材料断裂韧性的影响，解决轻质与韧性难以兼顾的问题。

• 提出的方法：通过增材制造、数值模拟和理论分析相结合，基于 J 积分的断裂力学框架，研究支柱屈曲失稳对晶格超材料断裂韧性的影响。

• 实现的效果：发现特定断裂能与相对密度的反常幂律缩放关系，在极低相对密度下实现异常增韧，验证了增韧机制的普遍性，并提出非均匀晶格设计增强断裂能。

• 创新点：揭示支柱屈曲诱导裂纹尖端钝化导致的反常密度缩放增韧规律，突破传统认知，为轻质高韧性晶格超材料设计提供新思路。

• 研究成果以题为 “Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials” 发表于《Advanced Materials》上。中国科学技术大学Zewen Wang 为论文第一作者，Kaijin Wu、Zhaoqiang Song 和 Yong Ni 为论文共同通讯作者。
  

• 摘要：轻质晶格超材料因其优异且可调节的机械性能备受关注，然而，其实际应用最终受到对不可避免制造缺陷耐受性的限制。传统晶格超材料的断裂力学局限于裂纹尖端支柱的局部拉伸失效，忽视了裂纹前沿周围离散支柱屈曲失稳的增韧作用。在此，通过增材制造、数值模拟和理论分析相结合，本研究确定了特定断裂能与相对密度的反常幂律缩放关系，在临界相对密度以下，缩放指数变为负值。这种反常增韧规律源于极低密度下非局部支柱屈曲转变引发的裂纹尖端钝化，在不同长度尺度、裂纹取向、节点连接性和组件属性的各种晶格超材料中普遍存在。通过合理利用支柱屈曲机制，可在极低相对密度下实现极高的特定断裂韧性，从而填补材料性能设计空间的空白。这些发现不仅为离散晶格断裂提供了物理见解，还为超轻、超韧晶格超材料提供了设计思路。

• 结论：采用基于 J 积分的断裂力学框架，有效捕捉了支柱屈曲对晶格超材料断裂能的影响。全面的理论、数值和实验结果表明，与无屈曲情况相比，支柱屈曲引起的裂纹尖端钝化促进了更均匀的应力分布，从而显著提高了特定断裂能。具体而言，我们发现了特定断裂韧性与相对密度的反常缩放规律，在临界密度以下，缩放指数变为负值。通过对不同长度尺度、裂纹取向、节点连接性和组件属性的各种晶格超材料的分析，我们发现支柱屈曲引发的裂纹尖端钝化在晶格超材料中普遍存在。此外，利用这种增韧机制，可在极低相对密度下实现晶格超材料的超高断裂韧性。未来研究可探索晶格结构固有的其他变形机制，如支柱扭转或手性结构，对断裂韧性的影响，以及多相晶格超材料产生的新机制。这项工作的发现有望推动轻质、高抗断裂材料的发展，应用于航空航天、汽车、体育和可穿戴设备等行业。
  

图1：离散晶格超材料中支柱屈曲转变增韧。

图2： 晶格超材料中特定断裂能的反常缩放规律。

图3：支柱屈曲转变对断裂能和临界相对密度的影响。

图4： 晶格超材料中支柱屈曲引发的裂纹钝化分析。

5.晶格超材料中支柱屈曲增韧机制的普遍性。

6.通过调控支柱屈曲实现超轻晶格超材料的增韧设计。

文章信息：

Z. Wang, K. Wu, J. Ding, J. Jin, Y. Zhou, M. Li, Y. Yao, L. He, Z. Song, Y. Ni, Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials.

Adv. Mater.

https://doi.org/10.1002/adma.202419635

超材料前沿 l

▌三维科学 l 无限可能

投稿丨 2509957133@qq.com

www.3dsciencevalley.com