中國金宝搏入口188揭示輕質抗斷裂點陣超材料的增韌機制
超(chao)輕(qing)點(dian)陣(zhen)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)憑(ping)借其(qi)(qi)卓越的(de)比強度和能量吸收特性(xing)(xing)，在(zai)航空航天(tian)結構(gou)與柔(rou)性(xing)(xing)電(dian)子器件(jian)等領域(yu)展(zhan)現出(chu)巨大應用潛(qian)力。然而，增材(cai)制(zhi)造的(de)點(dian)陣(zhen)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)中不可(ke)(ke)避免地存在(zai)裂(lie)紋(wen)等缺陷，這一短板(ban)嚴重限制(zhi)了其(qi)(qi)工程(cheng)化(hua)應用。與連續介質(zhi)(zhi)不同，點(dian)陣(zhen)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)具(ju)有離散結構(gou)特征，這種特征可(ke)(ke)能引發非線性(xing)(xing)變形，但其(qi)(qi)與裂(lie)尖場(chang)的(de)關(guan)聯機制(zhi)尚不明確。近(jin)日，188bet足球倪勇(yong)教授、何陵(ling)輝教授研(yan)究團(tuan)隊與合作者揭示了桿(gan)件(jian)屈曲(qu)誘導(dao)裂(lie)紋(wen)鈍化(hua)的(de)反(fan)常斷(duan)裂(lie)增韌(ren)機制(zhi)，提(ti)出(chu)了超(chao)輕(qing)質(zhi)(zhi)點(dian)陣(zhen)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)的(de)相對密度-比斷(duan)裂(lie)韌(ren)性(xing)(xing)間的(de)反(fan)常標(biao)度律，為設計輕(qing)質(zhi)(zhi)高強韌(ren)點(dian)陣(zhen)超(chao)材(cai)料(liao)(liao)提(ti)供(gong)了全新(xin)思(si)路(lu)。相關(guan)研(yan)究成果以“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials”為題發表在(zai)國際著名學術(shu)期刊《Advanced Materials》上。
圖1.不同(tong)離散系統中的(de)增韌機(ji)制與(yu)點陣超材料中桿件屈(qu)曲引起的(de)比斷裂能反常(chang)標(biao)度律
傳(chuan)統連續介(jie)質(zhi)(zhi)斷裂(lie)(lie)力學中，裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端應力場(chang)(chang)具有奇(qi)異性；而(er)(er)點(dian)(dian)陣(zhen)(zhen)超(chao)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)離(li)散(san)結(jie)構(gou)特性，特別是桿件非(fei)(fei)線性屈(qu)曲(qu)(qu)變(bian)形引發(fa)的(de)(de)(de)(de)非(fei)(fei)局部結(jie)構(gou)響應，會導致裂(lie)(lie)尖(jian)(jian)應力場(chang)(chang)呈現(xian)(xian)離(li)域化(hua)特征（圖1a）。理(li)解(jie)這(zhe)一現(xian)(xian)象(xiang)的(de)(de)(de)(de)核心在(zai)于揭示(shi)離(li)散(san)結(jie)構(gou)幾何非(fei)(fei)線性變(bian)形如(ru)何影響裂(lie)(lie)尖(jian)(jian)場(chang)(chang)的(de)(de)(de)(de)背后(hou)機制(zhi)。研(yan)(yan)究(jiu)團隊(dui)結(jie)合增材(cai)制(zhi)造(zao)、數值模擬和理(li)論(lun)分(fen)析(xi)，在(zai)考慮裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端受壓桿件屈(qu)曲(qu)(qu)的(de)(de)(de)(de)情況(kuang)下(xia)，系(xi)統研(yan)(yan)究(jiu)了(le)含裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)點(dian)(dian)陣(zhen)(zhen)超(chao)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)斷裂(lie)(lie)起始(shi)行為。研(yan)(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)(xian)，當相(xiang)對(dui)密度(du)低于臨界值時，點(dian)(dian)陣(zhen)(zhen)超(chao)材(cai)料的(de)(de)(de)(de)比斷裂(lie)(lie)能（單位質(zhi)(zhi)量斷裂(lie)(lie)能）隨相(xiang)對(dui)密度(du)降低而(er)(er)顯著提升，呈現(xian)(xian)超(chao)輕高韌特性。這(zhe)是由(you)于低相(xiang)對(dui)密度(du)下(xia)裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端附近的(de)(de)(de)(de)桿件發(fa)生屈(qu)曲(qu)(qu)失穩，形成(cheng)非(fei)(fei)局部變(bian)形區，導致裂(lie)(lie)紋(wen)(wen)尖(jian)(jian)端鈍(dun)化(hua)（圖1b-c）。這(zhe)一現(xian)(xian)象(xiang)揭示(shi)了(le)相(xiang)對(dui)密度(du)對(dui)比斷裂(lie)(lie)能的(de)(de)(de)(de)反常變(bian)化(hua)機制(zhi)，區別于經典(dian)連續介(jie)質(zhi)(zhi)理(li)論(lun)的(de)(de)(de)(de)預測。進一步(bu)分(fen)析(xi)表明該機制(zhi)在(zai)Kagome、雙(shuang)對(dui)角(jiao)正方形、八角(jiao)桁架等多種二維及(ji)三維點(dian)(dian)陣(zhen)(zhen)結(jie)構(gou)中表現(xian)(xian)出(chu)普適性（圖2a）。
圖2.點陣(zhen)超材(cai)料中桿件屈曲(qu)引起(qi)斷裂增韌的(de)普遍機(ji)制(zhi)與結構增韌設計
研究團隊基(ji)于裂(lie)(lie)尖桿件(jian)(jian)非線性(xing)(xing)屈曲(qu)調(diao)控(kong)(kong)能量耗散的(de)增韌(ren)機制，系統建立了(le)歸一(yi)化(hua)(hua)韌(ren)性(xing)(xing)-相對密(mi)度預測模型，提(ti)出(chu)可通(tong)過桿件(jian)(jian)長徑比、材(cai)料(liao)模量等(deng)參數優(you)化(hua)(hua)屈曲(qu)響應。基(ji)于此(ci)原理設計的(de)非均勻(yun)點陣結(jie)(jie)構(gou)（圖2b）成功誘導桿件(jian)(jian)屈曲(qu)，使超輕材(cai)料(liao)的(de)斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)能得到大幅提(ti)升（圖2c）。進一(yi)步，團隊在(zai)固體力學(xue)旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》的(de)近期相關(guan)研究表明：通(tong)過多材(cai)料(liao)協(xie)同設計，軟(ruan)硬材(cai)料(liao)組合可調(diao)控(kong)(kong)拉伸/彎(wan)曲(qu)主(zhu)導的(de)斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)模式(shi)，在(zai)臨界模量比下實(shi)現(xian)拉伸-彎(wan)曲(qu)協(xie)同增韌(ren)，得到斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)能優(you)化(hua)(hua)峰值(zhi)（doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105835）。這些發現(xian)證實(shi)，通(tong)過精準調(diao)控(kong)(kong)裂(lie)(lie)尖桿件(jian)(jian)的(de)非線性(xing)(xing)變形行為及(ji)其能量耗散路徑，可在(zai)超低密(mi)度下實(shi)現(xian)高斷(duan)(duan)裂(lie)(lie)韌(ren)性(xing)(xing)，為復雜結(jie)(jie)構(gou)點陣超材(cai)料(liao)的(de)強韌(ren)力學(xue)設計提(ti)供了(le)新范式(shi)（圖2d）。
研究團隊的(de)工(gong)作(zuo)系統揭示了離散(san)點陣超(chao)(chao)材料中通過桿件(jian)屈(qu)曲失穩(wen)調控裂紋尖端場的(de)新型(xing)增韌機制，建立(li)了結(jie)構參數與斷(duan)裂性能(neng)的(de)定量映射關系，為(wei)發展超(chao)(chao)輕高(gao)韌材料提供了理論框(kuang)架(jia)和設計方(fang)法(fa)。
188bet足球工程科(ke)學學院王澤文(wen)(wen)博士為論文(wen)(wen)第一作(zuo)者(zhe)，倪勇教(jiao)授(shou)(shou)(shou)、吳開(kai)金(jin)副教(jiao)授(shou)(shou)(shou)和宋兆強特任研究員為共同通訊作(zuo)者(zhe)。合作(zuo)者(zhe)包(bao)括188bet足球何陵輝教(jiao)授(shou)(shou)(shou)、中(zhong)國(guo)船舶(bo)188bet金宝搏在线中(zhong)心丁軍研究員等(deng)。該工作(zuo)得(de)到國(guo)家自然科(ke)學基(ji)金(jin)、國(guo)家重點(dian)研發計劃和中(zhong)國(guo)金宝搏入口188青年創新重點(dian)基(ji)金(jin)等(deng)項(xiang)目的支持。
論文鏈接：//doi.org/10.1002/adma.202419635
（工程科學學院、科研部(bu)）
