隨著(zhù)航空航天、柔性電子等領(lǐng)域對輕質(zhì)高性能材料的需求快速增長(cháng)，點(diǎn)陣超材料因其優(yōu)異的輕質(zhì)高強韌特性受到廣泛關(guān)注。然而，增材制造不可避免引起裂紋等制造缺陷，嚴重制約了點(diǎn)陣超材料在實(shí)際工程中的應用。與連續介質(zhì)不同，點(diǎn)陣超材料具有離散結構特征，這可能導致非線(xiàn)性變形，并在含裂紋情況下顯著(zhù)影響裂尖場(chǎng)的分析。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授課題組系統揭示了點(diǎn)陣超材料中桿件屈曲誘導裂紋鈍化的非線(xiàn)性增韌機制，發(fā)現了比斷裂能隨相對密度降低而反常上升的標度律關(guān)系。該研究相關(guān)研究成果以題為“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials"的論文發(fā)表在國際著(zhù)名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》期刊上。

圖1. 不同離散系統中的增韌機制與點(diǎn)陣超材料中桿件屈曲引起的比斷裂能反常標度律。

傳統連續介質(zhì)斷裂力學(xué)理論主要考慮裂紋尖部的應力奇異性，而研究團隊發(fā)現在低相對密度條件下，點(diǎn)陣超材料的離散特征使得受壓桿件在裂尖區域會(huì )發(fā)生屈曲，從而鈍化裂紋前沿，顯著(zhù)抑制裂紋擴展（圖1a）。系統的實(shí)驗與數值模擬顯示，當相對密度低于臨界值時(shí)，點(diǎn)陣超材料的比斷裂能（單位質(zhì)量斷裂能）隨相對密度降低而顯著(zhù)提升，呈現超輕高韌特性（圖1b-c）。這種反常變化在包括Kagome、八角桁架等多種二維與三維結構中均得到了驗證，揭示了該增韌機制的普適性（圖2a）。實(shí)驗樣品采用摩方精密nanoArch^® S130（精度：2μm）3D打印系統制造，使得裂紋形貌、單元尺寸和邊界條件均得到了高精度實(shí)現，為系統開(kāi)展裂紋起始實(shí)驗與數字圖像相關(guān)（DIC）應變分析提供了堅實(shí)技術(shù)支撐（圖1b）。

圖2. 點(diǎn)陣超材料中桿件屈曲引起斷裂增韌的普遍機制與結構增韌設計。

研究團隊基于裂尖桿件非線(xiàn)性屈曲調控能量耗散的增韌機制，系統建立了歸一化韌性-相對密度預測模型，提出可通過(guò)桿件長(cháng)徑比、材料模量等參數優(yōu)化屈曲響應。此外，研究團隊提出了一種非均勻結構設計的新型增韌策略?；诖嗽碓O計的非均勻點(diǎn)陣結構（圖2b）成功誘導桿件屈曲，從而影響裂尖應力場(chǎng)，使超輕材料的斷裂能得到大幅提升（圖2c）。這些發(fā)現證實(shí)，通過(guò)精準調控裂尖桿件的非線(xiàn)性變形行為及其能量耗散路徑，可在超低密度下實(shí)現高斷裂韌性，為復雜結構點(diǎn)陣超材料的強韌力學(xué)設計提供了新范式（圖2d）。

總結：研究團隊的工作系統揭示了離散點(diǎn)陣超材料中通過(guò)桿件屈曲失穩調控裂紋尖部場(chǎng)的新型增韌機制，建立了結構參數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計方法。該成果為新一代超輕強韌材料開(kāi)發(fā)開(kāi)辟了新路徑，有望進(jìn)一步推動(dòng)輕質(zhì)點(diǎn)陣超材料在航空航天、柔性電子等領(lǐng)域的發(fā)展與應用。