供稿人：王蕾蕾、李涤尘 供稿单位：西安交通大学精密微纳制造技术全国重点实验室 发布日期：2025-04-18
经典力学超材料的研究绝大多数停留在弹性阶段，而车辆、飞机等速度较高的应用场景对优异的塑性性能产生了迫切的需求和苛刻的要求。现有超材料的塑性变形存在初始峰值应力高、塑性量程短和塑性应力低等问题。针对这些问题，西安交通大学张建勋副教授团队设计了一种具有高应力水平和稳定性的大变形超材料。首先采用一种以性能为导向的多维性能扩展策略，获得了仿生三角形波纹板晶格（TCPL）超材料。在此基础上，为抑制TCPL的横向膨胀和屈曲，通过设计增强拓扑结构，创新性地提出了将TCPL作为主拓扑的变形约束策略，从而获得了内置双拓扑增强的TCPL（ETCPL）。ETCPL的应力均匀性再次得到显著增强，几乎没有梯度，力学性能和应变能大大提升，这种前所未有的性能证实了多维性能膨胀策略和变形约束策略为理想的高性能塑料超材料创造了新的设计准则。
首先是仿生TCPL超材料的设计和性能研究。选用具有较强结构刚度和稳定性的三角形波纹结构为基础结构，沿四个方向进行扩展(x 轴方向、y 轴方向和两个对角线方向)，而后沿立方轮廓切除周围区域并进行镜像，最终形成的结构即为TCPL(图1(a))。对不同波纹角、不同厚度的5*5*5个单胞构成的TCPL进行压缩试验，结果如图1(b)- (e)，可见TCPL应力-应变曲线主要分为三个阶段：弹性阶段、应力平台稳定而持久的塑性变形阶段和结构完全压缩的致密化阶段；其次晶胞波纹角为 40°、壁厚为 0.25 mm 时 TCPL具有最佳和最稳定的压缩机械性能；然后通过对图中框定的典型晶胞单独研究，可见在压缩过程中，每个晶胞的上下对称平面存在一定程度的横向膨胀；最后可见晶胞围绕TCPL 垂直对称平面发生对称变形，并且离水平对称平面或垂直对称平面越远，不对称变形越严重，同时应力分布存在明显的梯度，即越靠近对称中心，剪切带处的应力越高。
图1 TCPL超材料的设计和性能研究. (a) TCPL超材料单元; (b) TCPL 的 3D 模型; (c)具有不同几何参数的 TCPL 的应力-应变曲线; (d)-(e)TCPL-2在不同应变下的典型晶胞变形模式和其在三种不同应变下对称剖面上的应力分布
然后采用变形约束策略，以 TCPL 为主要拓扑结构，设计增强拓扑结构，以约束 TCPL的横向膨胀和屈曲变形，增加 TCPL 晶胞在垂直方向上的强度，结构命为ETCPL，如图2(a)所示。同样通过构建5*5*5个单胞进行准静态压缩试验，结果如图2(b)- (f)，可见与TCPL类似，结构不对称变形发生在基本单元内部，但总体上发生对称变形；不同的是ETCPL晶胞没有发生横向膨胀，在插入增强拓扑后，单胞的横向扩展受到增强拓扑与主拓扑间物理连接的限制，整个超材料内的应力在增强拓扑功能下有均匀分布的趋势，几乎没有梯度，同时通过图2(e)所示，TCPL 主拓扑和增强拓扑不是简单的叠加，而是通过相互连接和约束改变彼此的变形模式，导致组合后超材料的变形模式稳定和高应力水平，呈现出1+1＞2的效果。
图2 ETCPL超材料的设计和性能研究. (a) ETCPL超材料单元; (b) ETCPL 的变形模式; (c) ETCPL 典型晶胞在三种不同应变下的变形模式; (d) 三种不同应变下 ETCPL 对称剖面上的应力分布; (e) ETCPL 和 TCPL 的应力-应变曲线; (f) 应变 ɛ = 0.3 时增强拓扑超材料的变形模式和应力分布
最后将所设计的TCPL和ETCPL的应变能(SE)、比吸能(SEA)、破碎力效率(CFE)和比强度(SS)与典型多孔结构(例如泡沫铝、三周期极小曲面)比较(图3(a)-(d))，可见与典型多孔结构相比，ETCPL 的 SE、SEA、CFE 和 SS 都得到了很大的提升；同时与 TCPL 相比，ETCPL 的体积仅增加了2.67%，而 SE 的性能提升了51.56%，SEA 的性能提升了28.05%，CFE 的性能提升了13.58%，SS 的性能提升了11.90%。由此可见与现有的多孔材料相比，ETCPL 和 TCPL 在塑性大变形阶段的应力水平和评价指标等力学性能得到了突飞猛进的提升。同时为了全面准确地评价基于新思路和新策略提出和设计的两种新型超材料，采用 Gibson-Ashby 模型进行评估(图3(f))，可见TCPL 数据点最大超过理论上限的 60.9%，ETCPL 数据点最大超出 75.2%，代表了传统多细胞材料从未达到的超高结构强度和吸能效率，证明了所设计的设计策略打破了实证评价系统的封锁。
图3 TCPL 和 ETCPL 的非凡塑性 (a)7 种多细胞材料的应力-应变曲线：(b)-(c)机械性能指标比较，包括应变能、比能量吸收、破碎力效率、比强度; (d) ETCPL 和 TCPL 的晶胞体积和机械性能指标的雷达图。 (e)相对屈服强度与相对密度的 Gibson-Ashby 模型的对数图。
该研究采用以性能为导向的多维性能扩展策略，创新性地将仿生波纹架构的力学性能从一个方向扩展到四个方向，同时使用变形约束策略，对称和无缝地将增强拓扑插入 TCPL 主拓扑的内部空间，创建了一个集成的双拓扑超材料，引入的增强拓扑限制了 TCPL 的横向膨胀和屈曲变形，并增加了 TCPL 单元在垂直方向上的强度，增加了单元的整体变形能力，大大提高了应力分布均匀性，同时ETCPL 和 TCPL 在应力水平和四个机械性能指标上实现了同步改进，均满足了理想承载和吸能超材料的性能要求。