清華新聞網(wǎng)9月6日電 輕質(zhì)且力學(xué)性能優(yōu)異的先進(jìn)材料在航天航空、交通運(yùn)輸和生物醫(yī)療等眾多工程領(lǐng)域中都有著迫切的需求。作為力材料學(xué)（Mechanomaterials）范式的應(yīng)用實(shí)例，三維點(diǎn)陣超材料通過(guò)主動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為實(shí)現(xiàn)輕質(zhì)且力學(xué)性能優(yōu)異的先進(jìn)材料提供了切實(shí)可行的路徑。在實(shí)際工程應(yīng)用中，結(jié)構(gòu)材料不可避免地會(huì)面臨制造或服役過(guò)程中產(chǎn)生的缺陷和裂紋，因此材料的斷裂韌性，即抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，對(duì)于材料的實(shí)際應(yīng)用尤為關(guān)鍵。然而目前對(duì)于三維點(diǎn)陣超材料的斷裂行為和斷裂機(jī)理的理解仍十分有限。如何通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到低密度、高斷裂韌性的三維點(diǎn)陣超材料是固體力學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題和重要挑戰(zhàn)之一。
圖1.典型的桁架和曲殼單胞結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的點(diǎn)陣超材料的斷裂測(cè)試結(jié)果
針對(duì)上述問(wèn)題和挑戰(zhàn)，清華大學(xué)力學(xué)與工程交叉研究院研究團(tuán)隊(duì)與新加坡南洋理工大學(xué)對(duì)三維點(diǎn)陣超材料的斷裂行為和斷裂機(jī)理展開(kāi)了合作研究。團(tuán)隊(duì)前期研究成果表明，新型的極小曲面點(diǎn)陣超材料可以實(shí)現(xiàn)超高的強(qiáng)度和比強(qiáng)度，這與其獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密不可分?；诖耍瑘F(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了這種新型極小曲面點(diǎn)陣超材料的斷裂行為，并與傳統(tǒng)的桁架點(diǎn)陣超材料進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比（圖1）。結(jié)果表明，相比于被廣泛研究的桁架點(diǎn)陣超材料，曲殼點(diǎn)陣超材料具有更高的斷裂韌性，從而能夠更好地抵抗裂紋擴(kuò)展（圖2）。在桁架點(diǎn)陣超材料中，由于節(jié)點(diǎn)處較強(qiáng)的應(yīng)力集中，裂紋較為容易地通過(guò)節(jié)點(diǎn)的破壞沿著單胞依次擴(kuò)展。相比之下，曲殼點(diǎn)陣超材料獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠更均勻地分布應(yīng)力從而延緩裂紋擴(kuò)展。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步揭示了點(diǎn)陣超材料斷裂中的三種能量耗散機(jī)制：材料的損傷破壞、結(jié)構(gòu)的彈性振動(dòng)耗散和材料的塑性耗散（圖3）。有限元分析表明，曲殼點(diǎn)陣超材料優(yōu)異的斷裂韌性來(lái)源于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠引起更大的斷裂過(guò)程區(qū)，其通過(guò)上述三種機(jī)制耗散的能量均高于傳統(tǒng)的桁架點(diǎn)陣超材料。該研究工作展示了曲殼點(diǎn)陣超材料的優(yōu)異斷裂韌性并揭示了其增韌機(jī)理，對(duì)后續(xù)通過(guò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到輕質(zhì)、高強(qiáng)韌的先進(jìn)材料具有重要的指導(dǎo)意義。
圖2.桁架和曲殼點(diǎn)陣超材料的斷裂韌性和斷裂行為對(duì)比
圖3.點(diǎn)陣超材料斷裂的能量耗散機(jī)制與拓?fù)湔T導(dǎo)的內(nèi)在增韌機(jī)理
8月30日，相關(guān)研究成果以“三維曲殼點(diǎn)陣超材料的優(yōu)異斷裂韌性與拓?fù)湔T導(dǎo)的內(nèi)在增韌機(jī)理”（Superior fracture resistance and topology-induced intrinsic toughening mechanism in 3D shell-based lattice metamaterials）為題，發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。
清華大學(xué)力學(xué)與工程交叉研究院高華健院士、李曉雁教授和新加坡南洋理工大學(xué)王一凡教授（Nanyang，Assistant Professor）為論文共同通訊作者；新加坡科技研究局（A*STAR）王宇嘉博士（航院2022屆博士畢業(yè)生、現(xiàn)為南洋理工大學(xué)博士后）為論文第一作者。論文的其他合作者包括南洋理工大學(xué)博士生吳坤霖、北京大學(xué)工學(xué)院助理教授張璇。研究得到新加坡科技研究局、新加坡南洋理工大學(xué)杰出校聘教授基金、南洋助理教授基金等的支持。
論文鏈接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adq2664
供稿：航院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
