超輕點陣超材料憑借其卓越的比強度和能量吸收特性，在航空航天結(jié)構(gòu)與柔性電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力。然而，增材制造的點陣超材料中不可避免地存在裂紋等缺陷，這一短板嚴重限制了其工程化應(yīng)用。與連續(xù)介質(zhì)不同，點陣超材料具有離散結(jié)構(gòu)特征，這種特征可能引發(fā)非線性變形，但其與裂尖場的關(guān)聯(lián)機制尚不明確。近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)倪勇教授、何陵輝教授研究團隊與合作者揭示了桿件屈曲誘導(dǎo)裂紋鈍化的反常斷裂增韌機制，提出了超輕質(zhì)點陣超材料的相對密度-比斷裂韌性間的反常標度律，為設(shè)計輕質(zhì)高強韌點陣超材料提供了全新思路。相關(guān)研究成果以“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials”為題發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》上。
圖1.不同離散系統(tǒng)中的增韌機制與點陣超材料中桿件屈曲引起的比斷裂能反常標度律
傳統(tǒng)連續(xù)介質(zhì)斷裂力學(xué)中，裂紋尖端應(yīng)力場具有奇異性；而點陣超材料的離散結(jié)構(gòu)特性，特別是桿件非線性屈曲變形引發(fā)的非局部結(jié)構(gòu)響應(yīng)，會導(dǎo)致裂尖應(yīng)力場呈現(xiàn)離域化特征(圖1a)。理解這一現(xiàn)象的核心在于揭示離散結(jié)構(gòu)幾何非線性變形如何影響裂尖場的背后機制。研究團隊結(jié)合增材制造、數(shù)值模擬和理論分析，在考慮裂紋尖端受壓桿件屈曲的情況下，系統(tǒng)研究了含裂紋點陣超材料的斷裂起始行為。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對密度低于臨界值時，點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提升，呈現(xiàn)超輕高韌特性。這是由于低相對密度下裂紋尖端附近的桿件發(fā)生屈曲失穩(wěn)，形成非局部變形區(qū)，導(dǎo)致裂紋尖端鈍化(圖1b-c)。這一現(xiàn)象揭示了相對密度對比斷裂能的反常變化機制，區(qū)別于經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)理論的預(yù)測。進一步分析表明該機制在Kagome、雙對角正方形、八角桁架等多種二維及三維點陣結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)出普適性(圖2a)。
圖2.點陣超材料中桿件屈曲引起斷裂增韌的普遍機制與結(jié)構(gòu)增韌設(shè)計
研究團隊基于裂尖桿件非線性屈曲調(diào)控能量耗散的增韌機制，系統(tǒng)建立了歸一化韌性-相對密度預(yù)測模型，提出可通過桿件長徑比、材料模量等參數(shù)優(yōu)化屈曲響應(yīng)。基于此原理設(shè)計的非均勻點陣結(jié)構(gòu)(圖2b)成功誘導(dǎo)桿件屈曲，使超輕材料的斷裂能得到大幅提升(圖2c)。進一步，團隊在固體力學(xué)旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》的近期相關(guān)研究表明：通過多材料協(xié)同設(shè)計，軟硬材料組合可調(diào)控拉伸/彎曲主導(dǎo)的斷裂模式，在臨界模量比下實現(xiàn)拉伸-彎曲協(xié)同增韌，得到斷裂能優(yōu)化峰值(doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105835)。這些發(fā)現(xiàn)證實，通過精準調(diào)控裂尖桿件的非線性變形行為及其能量耗散路徑，可在超低密度下實現(xiàn)高斷裂韌性，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)點陣超材料的強韌力學(xué)設(shè)計提供了新范式(圖2d)。
研究團隊的工作系統(tǒng)揭示了離散點陣超材料中通過桿件屈曲失穩(wěn)調(diào)控裂紋尖端場的新型增韌機制，建立了結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shè)計方法。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院王澤文博士為論文第一作者，倪勇教授、吳開金副教授和宋兆強特任研究員為共同通訊作者。合作者包括中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)何陵輝教授、中國船舶科學(xué)研究中心丁軍研究員等。該工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點研發(fā)計劃和中國科大青年創(chuàng)新重點基金等項目的支持。
