Nature最新：3D打印制造可多次使用的力学超材料！中国学者一作！
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10月16日，《自然》杂志发表了一篇题为“Harnessing plasticity in sequentialmetamaterials for ideal shock absorption”的文章，该研究提出了一种创新的力学超材料设计，能够实现理想的冲击吸收和减震效果。3D打印技术参考注意到，该研究提出的先进设计使用3D打印技术制造。
这种超材料类似于一种能够承载且高效吸收冲击载荷的超级海绵。它能够根据所需的能量吸收水平，调节其吸收冲击的能力，以适应多样化的冲击条件。该超材料还可多次使用，与一次性使用的金属泡沫相比，其在承受冲击前具有较高的刚度和强度， 能够作为承载结构，在承受冲击后仍能保持结构完整性从而实现多次重复使用。这一发现不仅为超材料的设计提供了新的视角，而且为制造具有广泛应用潜力的高性能冲击吸收材料提供了新思路。3D打印技术参考注意到，该研究的第一作者为中国学者刘文峰，其硕士毕业于中科院力学所，现就读于荷兰阿姆斯特丹大学）。本文内容获得了作者斧正！
https://www.nature.com/articles/s41586-024-08037-0
研究背景
在材料科学领域，力学超材料因其独特的力学性能而备受关注。这些性能包括在低密度下具有高刚度、增强的能量吸收、形状变化、顺序变形、负泊松比以及稳定的波导等。传统上，超材料的设计主要依赖于几何结构，而材料的非线性特性，如粘弹性、断裂和塑性，很少被纳入设计考虑。特别是塑性变形，通常被视为一种失效模式，需要避免。然而，本研究反其道而行之，将塑性变形作为一种设计工具，探索了塑性和屈曲不稳定性之间的微妙平衡。
大型超材料的屈服屈曲
材料或结构在受到外部力的作用超过一定阈值而发生稳定性改变的现象称之为屈曲的现象称之为屈曲。研究人员指出，屈服屈曲特别指的是在材料刚好屈服时发生的屈曲，导致承载能力减少（也就是负刚度），直至结构单元发生自接触。
塑性和屈曲不稳定性之间的微妙平衡
研究者们首先从理论上定义了屈服屈曲的概念，并使用有限元模拟来验证这一理论。研究人员首先考虑了由两个正方形组成的基本单元，这两个正方形通过一条弹塑性韧带连接。当该单元沿其主轴压缩时，韧带会经历弹性和塑性变形，而两个正方形则因屈曲不稳定性而开始旋转。他们发现，存在三种屈曲模式：弹性屈曲、塑性屈曲和屈服屈曲。
弹性屈曲：当单元的纵横比（韧带厚度与正方形边长的比值）足够小或屈服应力与弹性模量的比值足够大时，单元会在塑性变形之前开始失稳屈曲。因此，后屈曲刚度将保持正值，导致承载力继续增加。
塑性屈曲：当纵横比足够大或切线模量与弹性模量的比值足够大时，单元将不再弹性屈曲，而是在塑性变形开始后屈曲，导致屈曲后载荷继续增加。
屈服屈曲：当单元的纵横比和材料的塑性（屈服应力与弹性模量的比值、切线模量与弹性模量的比值）达到微妙平衡时，屈曲恰好发生在屈服点。这导致屈曲时承载能力下降，与屈曲同时发生。
研究者特别关注屈服屈曲模式，因为屈曲时承载能力的降低保证了载荷始终保持在初始屈曲载荷以下，直至单元达到自接触结构出现刚度显著增强。这对于实现后续单元的顺序屈曲至关重要。
屈服屈曲模式
该研究与其他研究超材料的性能差异
为了验证这一预测，研究者进行了数值模拟，通过改变材料弹塑性模量的比值以及结构单元节点尺寸和单元尺寸的比值等参数，测量了屈曲刚度和自接触前的后屈曲载荷。他们发现，当满足特定条件时，当单元结构的屈服载荷低于其理论上的塑性屈曲载荷时（通常发生在材料的塑性模量远低于材料的弹性模量时）， 单元会在连接铰链发生塑性屈服的同时发生屈曲，从而导致结构出现负刚度，单元将立即失去稳定性，并在塑性开始的瞬间屈曲。
3D打印制造先进的超材料结构
在确定了屈服屈曲的基本机制后，研究者开始将其应用于超材料的设计中。他们开发了一种新型超材料结构，通过屈服屈曲和相应的超材料结构实现顺序的局部屈曲和能量耗散，避免了整体屈曲。这种结构能够在保持高刚度和强度的同时，实现多次使用的减震性能。
超材料的3D打印
研究者首先设计了一个包含额外稳定的超材料几何结构，这些延迟屈曲限制了载荷减小，使得屈服屈曲状态能有序发生。他们通过数值模拟和实验验证了这一设计的有效性。在由相同屈曲单元重复叠加组成的超材料中，在弹性屈曲和塑性屈曲状态下，实现了顺序屈曲。
接下来，研究者将屈服屈曲的概念扩展到二维和三维超材料设计中。在二维层面，通过修改设计，实现了沿两个方向的顺序屈曲，产生了具有多个振荡的波浪形力-位移曲线平台。这种策略同样可以扩展到三维，其中包含三个正交层模式。
顺序超材料的每次撞击与具有相同刚度和强度的碰撞罐的瞬时对比
顺序屈服屈曲在两个方向和大压缩行程
为了验证这一设计在实际应用中的效果，研究者使用3D打印技术制造了一种超材料圆柱体。这种圆柱体在压缩过程中表现出高刚度，随后各层依次屈曲并接触，形成波动的平台，展现了承载能力和能量耗散的结合。他们发现，与标准减震结构相比，超圆柱体在静态和动态测试中均能更均匀地吸收能量。此外，该结构可多次使用，保持初始性能，与一次性的碰撞罐相比，展示了其在减震方面的可调性、坚固性和高效性。
3D打印技术的制造优势
3D打印技术在制造屈服屈曲超材料方面展现出显著的优势。3D打印技术能够精确控制制造过程中的几何参数，这对于实现精确的屈服屈曲行为至关重要。其次，3D打印技术能够制造复杂的内部结构，这对于设计具有多步屈曲序列的超材料尤为重要。
顺序元材料的几何设计
通过调整打印参数和材料选择，3D打印技术可以轻松调整超材料的性能，以满足不同的应用需求。例如，通过选择不同的打印材料，可以调整超材料的屈服应力和弹性模量，从而实现不同的屈服屈曲行为。
六线模式超材料的轴外压缩
此外，3D打印技术还使得超材料的快速原型制作和测试成为可能。研究者们可以迅速地设计、打印并测试新的超材料样品，从而加快了新材料的开发进程。这种快速迭代的能力对于推动新材料科学的发展具有重要意义。
END
总的来说，通过屈服屈曲设计的超材料不仅能够在单一方向上实现理想的冲击吸收，而且能够通过调整几何和材料参数，实现在多个方向上的顺序屈曲。这些超材料在压缩过程中表现出了高刚度和高强度，同时具有高效的能量耗散能力。此外，这些超材料能够多次使用，保持其初始的力学性能。
这些发现为超材料的设计和应用开辟了新的可能性。屈服屈曲超材料因其优异的冲击吸收性能，有望在汽车、航空航天、微细加工和软体机器人等领域得到广泛应用。例如，在汽车行业中，这些超材料可以用于制造更有效的安全气囊和碰撞吸收系统；在航空航天领域，它们可以用于制造轻质但强度高的飞机结构部件；在微细加工领域，它们可以用于精确控制力和位移的设备中。