【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】超輕點(diǎn)陣超材料憑借其卓越的比強(qiáng)度和能量吸收特性，在航空航天結(jié)構(gòu)與柔性電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，增材制造的點(diǎn)陣超材料中不可避免地存在裂紋等缺陷，這一短板嚴(yán)重限制了其工程化應(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，這種特征可能引發(fā)非線性變形，但其與裂尖場(chǎng)的關(guān)聯(lián)機(jī)制尚不明確。近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授研究團(tuán)隊(duì)與合作者揭示了桿件屈曲誘導(dǎo)裂紋鈍化的反常斷裂增韌機(jī)制，提出了超輕質(zhì)點(diǎn)陣超材料的相對(duì)密度-比斷裂韌性間的反常標(biāo)度律，為設(shè)計(jì)輕質(zhì)高強(qiáng)韌點(diǎn)陣超材料提供了全新思路。相關(guān)研究成果以“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》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)中，裂紋尖端應(yīng)力場(chǎng)具有奇異性；而點(diǎn)陣超材料的離散結(jié)構(gòu)特性，特別是桿件非線性屈曲變形引發(fā)的非局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)，會(huì)導(dǎo)致裂尖應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)離域化特征(圖1a)。理解這一現(xiàn)象的核心在于揭示離散結(jié)構(gòu)幾何非線性變形如何影響裂尖場(chǎng)的背后機(jī)制。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合增材制造、數(shù)值模擬和理論分析，在考慮裂紋尖端受壓桿件屈曲的情況下，系統(tǒng)研究了含裂紋點(diǎn)陣超材料的斷裂起始行為。研究發(fā)現(xiàn)，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。這是由于低相對(duì)密度下裂紋尖端附近的桿件發(fā)生屈曲失穩(wěn)，形成非局部變形區(qū)，導(dǎo)致裂紋尖端鈍化(圖1b-c)。這一現(xiàn)象揭示了相對(duì)密度對(duì)比斷裂能的反常變化機(jī)制，區(qū)別于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)理論的預(yù)測(cè)。進(jìn)一步分析表明該機(jī)制在Kagome、雙對(duì)角正方形、八角桁架等多種二維及三維點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出普適性(圖2a)。
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(cè)模型，提出可通過(guò)桿件長(zhǎng)徑比、材料模量等參數(shù)優(yōu)化屈曲響應(yīng)。基于此原理設(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，使超輕材料的斷裂能得到大幅提升(圖2c)。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)在固體力學(xué)旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》的近期相關(guān)研究表明：通過(guò)多材料協(xié)同設(shè)計(jì)，軟硬材料組合可調(diào)控拉伸/彎曲主導(dǎo)的斷裂模式，在臨界模量比下實(shí)現(xiàn)拉伸-彎曲協(xié)同增韌，得到斷裂能優(yōu)化峰值(doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105835)。這些發(fā)現(xiàn)證實(shí)，通過(guò)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)。
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(guò)桿件屈曲失穩(wěn)調(diào)控裂紋尖端場(chǎng)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。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院王澤文博士為論文第一作者，倪勇教授、吳開(kāi)金副教授和宋兆強(qiáng)特任研究員為共同通訊作者。合作者包括中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)何陵輝教授、中國(guó)船舶科學(xué)研究中心丁軍研究員等。該工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和中國(guó)科大青年創(chuàng)新重點(diǎn)基金等項(xiàng)目的支持。
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