西安交大张建勋副教授课题组Adv. Mater.：具有高应力稳定性和优异塑性的性能导向和变形约束双拓扑超材料

研究背景

随着近年来新能源汽车、智能驾驶、航空航天产业的蓬勃发展，车辆和飞机的极限速度正在迅速增加，因此对材料和结构的承重和吸能性能提出了严苛的要求。经典的力学超材料的设计和研究绝大部分只停留在弹性阶段，而车辆的极限速度增加而对飞机产生了迫切的需求和苛刻的要求优异的塑性性能。虽然有些超材料具有较好塑性性能，它们或者初始峰值应力很大，之后应力水平急剧下降，或者塑性阶段非常短，很小的应变就会发生失效，无法承受大变形，或者塑性阶段的整体应力水平比较低。只有极少数超材料能够经受住塑性大变形并提供比较高的应力水平，适用于能量吸收相关场景。

针对上述问题，西安交通大学航天航空学院张建勋副教授团队报道了两种力学超材料。解决了高应力水平和应力稳定性之间的固有矛盾。以基本单元优异性能为导向，采用多维度性能拓展策略，设计并制造了基于三角形波纹的仿生三维板晶格超材料(TCPL)。并且采用变形抑制策略，通过主相和增强相相互嵌入，得到了双相ETCPL超材料。实验和仿真结果表明，TCPL的应变能、比吸能、压溃力效率和比强度都远高于现有典型多胞材料，最大的参数提升达到18667.19%。在主相和增强相相互嵌入下得到的ETCPL力学性能再次得到大幅提高。TCPL和ETCPL都不存在初始峰值应力，兼顾高应力水平和应力稳定性，满足了对理想承载和吸能超材料的性能需求。此外，两种超材料的塑性性能指标全部显著超越了Gibson-Ashby模型的理论上限。研究成果以“Performance-Oriented and Deformation-Constrained Dual-topology Metamaterial with High-Stress Uniformity and Extraordinary Plastic Property”为题于11月20日发表在材料领域顶级期刊《Advanced Materials》上。

自然界的生物体经过长时间的进化，获得了适应其生存环境的最佳结构组成，并带来了能够满足结构功能的机械性能。承受这种高强度冲击的能力归功于趾尖前趾内层的平行结构，该结构以规则的三角形波纹单元排列。受孔雀螳螂虾螯的启发，研究人员使用仿生三角形波纹作为构建新型超材料的基本单元。在传统的波纹承重体系中，波纹结构都是沿一个方向布置的，其力学性能只能在这个方向上发挥作用。基于以性能为导向的设计原则，研究人员创新性地提出了多维性能拓展策略，将三角波纹结构的力学性能向四个方向延伸。TCPL超材料单胞的结构组成如下所述。首先，沿着x轴建立一个三角形波纹，然后沿着y轴和两条对角线建立另外三个三角形波纹。这四种波纹相互连接、支撑、保持和约束，它们之间的相互作用可以使结构更加紧凑，性能实现更加充分。为了便于单元胞之间的连接形成超材料，沿着立方轮廓切除周围区域。与桁架结构相比，嵌入在超材料中的封闭空间的互联性显著增加了应变能的存储。通过镜像图1(a)④所示的结构，并从底部拼接，获得最终的TCPL单胞。

图1  TCPL的设计及相应的实验样品

TCPL的变形过程可分为三个阶段，第一阶段为初始弹性变形阶段。第二阶段是塑性变形阶段。TCPL的应力平台非常稳定且持久，非常有利于稳定承重和吸收能量。第三阶段是致密化阶段，随着超材料结构的充分压缩和致密化，应力水平急剧增加。对于TCPL整体而言，无论是沿压缩加载方向还是垂直于压缩加载方向，靠近中心的单元格首先发生破碎变形，从而导致图中蓝色划线的剪切带显示为圆弧。可以注意到，TCPL单元胞在对称的水平面上可以分为上下两部分，这种变形过程非常稳定，提供了平滑的应力水平和吸能能力。应力首先从加载端传播到受支撑端。对于含有125个单胞的TCPL，应力分布模式与前面描述的单胞试样S1、S2和S3相同，应力分布在水平和垂直对称面上对称。

图2  TCPL的应力水平和变形模式

在随后的仿真研究中使用5×5×5单胞布局。从不同应变下的有限元变形图可以看出，ETCPL的剪切带呈圆形。插入增强相后，由于增强相与主相之间的物理连接，限制了壁板的横向扩张。当应力为0.5时，应力大小分布基本一致，在增强相作用下，整个超材料内部的应力有均匀分布的趋势，几乎没有梯度。在增强相超材料的压缩过程中，不能看到单胞的完全压缩变形。应力在增强相中的分布也具有随机性和不规则性，不能有效地分布应力。ETCPL和TCPL的差曲线应力值在应力为0.04后始终高于增强相超材料的应力值。

图3 基于变形抑制策略的双相ETCPL

采用变形抑制策略优化后的性能取向型TCPL和ETCPL的压缩力学性能均明显优于其他典型力学多孔材料。ETCPL和TCPL在所有四个指标上都大大领先于其他多胞材料。与TCPL相比，ETCPL的体积只增加了2.67%，而SE的性能提高了51.56%，SEA的性能提高了28.05%，CFE的性能提高了13.58%，SS的性能提高了11.90%。增强相的加入不仅提高了ETCPL的应力水平，而且改善了其力学性能指标。与传统多孔材料泡沫铝相比，ETCPL的SE、SEA、CFE和SS分别提高了18667.19%、1327.18%、38.75%和943.83%，提高幅度巨大。

然后，研究人员采用Gibson-Ashby模型进行评估。对于包括超材料在内的多胞材料，一般很难超过Gibson-Ashby模型的理论上限。TCPL数据点超过理论上限的最大值为60.9%，ETCPL数据点超过理论上限的最大值为75.2%。与TCPL对Gibson-Ashby模型的突破相比，ETCPL在TCPL基础上提高相对屈服强度的效果较差，说明多维性能扩展策略是显著提高结构效率的主要机制，而变形抑制策略的优势则集中在结构塑性力学指标的改善上。

图4 TCPL和ETCPL优异的塑性性能。

论文第一作者是西安交通大学航天航空学院博士生郭昊元，通讯作者是西安交通大学航天航空学院张建勋副教授。张建勋副教授课题组已在轻质多孔结构塑性力学行为、冲击动力学、新型吸能结构设计、力学超材料等领域发表90余篇SCI期刊论文，包括Advanced Materials，IJSS，IJIE，JAM-ASME，CSTE，Compos A / B 等期刊。这些研究工作得到了国家自然科学基金面上项目等项目资助。

HY Guo, JX Zhang*. Performance-oriented and deformation-constrained dual-topology metamaterial with high stress uniformity and extraordinary plastic property. Advanced Materials, 2024, 36: 2412064.

原文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202412064