顾剑锋&马前Materials Today：跳出经典力学模型，独辟蹊径提出力学超材料的强化策略

一、 【导读】 

这项研究揭示了超材料变形机制和其拓扑参数长径比的关系，对经典的力学模型Gibson-Ashby模型进行修正和完善，提出了通用Gibson-Ashby模型，该模型对于金属超材料的模量和强度具有更好的预测性，同时也适用于去合金纳米多孔材料、微纳尺度的金属多孔材料和人体骨骼的天然多孔材料。而且，该模型可以明确指导杆的拉伸、弯曲和剪切三种变形机制的调控。基于此，我们进一步提出了三种超材料的强化策略，包括中空杆、分级和Wolff定律强化策略。我们设计制备的超材料在密度1.63 g/cm³时屈服强度和最大压缩强度达到308.6 MPa和417.3 MPa，比商用镁合金WE54和AZ91更轻更强。这些轻质高强钛合金超材料有望获得多方面的应用，包括在航空航天、生物医学、化学工程、空间和能源技术等领域。此外，该研究在基础创新方面的发现有望推动超材料在结构材料领域的应用。

二、【成果掠影】

上海交通大学材料科学与工程学院的顾剑锋教授团队联合澳大利亚皇家墨尔本理工大学增材制造中心的马前杰出教授团队，共同在Materials Today期刊上发表了题为“Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model”的新研究。

【核心创新点】

1.对经典Gibson-Ashby力学模型进行修正拓展

2.提出基于变形机制进行强化的金属超材料的设计新策略

 四、【数据概览】

图1：杆状超材料库

图2：传统Gibson-Ashby模型（红色曲线）和拓展Gibson-Ashby模型对各种3D打印超材料力学性能的适用性比较

图3：3D打印金属超材料的长径比分布

图4：长径比()对金属超材料变形机制的影响

图5：长径比()对金属超材料强度的影响

图6：基于中空杆和分级杆的长径比()调控和超材料强化策略

图7：基于人体骨骼Wolff定律的长径比()调控和超材料强化策略

五、【成果启示】

有望成为材料-结构-功能一体化的新型材料：本工作设计制备的金属超材料，密度和人体皮质骨接近，但压缩强度高于人体皮质骨，模量等力学性能和人体骨骼基本力学适配，同时较高的孔隙率(64%)有利于骨长入和骨整合。该超材料是典型的结构-功能一体化的新金属材料，有望用于人工植入体等器官工程。

提出的拓展Gibson-Ashby模型和强化设计概念具有普适性：工作提出的拓展Gibson-Ashby模型亦可广泛用于其他多孔材料体系，比如微纳制造的纳米多孔材料，木头和水凝胶的多孔结构，以及骨骼、肌动蛋白和细胞骨架等不同尺度的生物结构。

网页链接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018