3D打印超材料实现可调节的冲击保护

来源：滚动播报

（来源：中国航空报）

　　来自英国和意大利的研究人员共同研发了一种新型3D打印超材料，这种材料独特的晶格结构使其能够自身扭曲，从而有效抵御各种类型和强度的冲击。

　　该团队的“自适应扭曲超材料”已发表在《先进材料》（Advanced Materials）期刊上，其设计理念与目前使用的冲击保护材料截然不同。

　　与传统的泡沫或吸能区等提供预设冲击阻力的材料不同，该团队研发的这种材料能够机械地控制其对冲击的响应，从而改变其能量吸收能力。通过精细调节，它可以为剧烈碰撞提供更强的抵抗力，或为轻微冲击提供更柔软的缓冲。

　　这种材料采用增材制造技术（3D打印）以钢材为原料制成。该工艺使研究团队能够对材料的结构进行精细控制，从而在材料内部编织出一种被称为螺旋晶格的复杂且高度多孔的结构。

　　当材料受到外力压缩时，它会像螺旋钻一样扭转，吸收冲击能量。在实验室实验中，研究团队测试了三种不同版本的材料，以评估它们对两种载荷的响应：快速冲击和缓慢且稳定增加的应变。

　　当超材料在受到冲击时完全无法扭转时，它表现出最大的刚度并吸收了最多的能量——每克材料吸收15.36焦耳的能量。而当允许材料自由扭转时，其刚度和能量吸收能力则下降了约10%。

　　在材料的第三种构型中，它被迫过度扭转，导致能量吸收降低了33%。结果表明，该材料具有提供多种防护能力的潜力，从刚性屏蔽到更柔和的能量吸收均可实现。

　　该团队的实际测试得到了一个综合理论和计算模型的支持，该模型能够精确预测不同应变率下扭转螺旋晶格的复杂行为。为了实现数值模拟与实验结果的精确匹配，研究人员通过整合打印晶格的微型CT重建图像，量化了增材制造过程中引入的几何缺陷。

　　领导这项研究的格拉斯哥大学研究人员表示，目前大多数车辆使用的防护材料都是静态的，是针对特定冲击场景设计的，无法适应不断变化的环境条件。这项研究引入了自适应扭转超材料，这是一种新型的超材料，无须任何复杂的电子或液压系统即可实现自适应。相反，它们可以通过简单的机械旋转控制来实现自适应。

　　当施加压缩力时，螺旋晶格会将其转化为扭转力，通过改变边界条件，我们可以调节能量吸收特性。这些材料能够根据冲击类型和强度调整自身特性，从而减轻冲击影响。

　　研究人员相信，这种材料未来有望应用于汽车和航空航天安全领域，提供一种能够根据不同需求进行调整的新型材料。它还可以通过将冲击转化为旋转动能，支持新型能量收集方式的发展。

　　来自意大利马尔凯理工大学、拉奎拉大学和意大利国家核物理研究所的研究人员也参与了这项研究。（航柯）