力学超材料作为超材料的经典类型，通过精巧设计实现不同与传统材料的优异性能。它们为减缓冲击和吸收能量提供了创新的解决方案，并且为现实生活中冲击集中于局部区域的情况提供了新的应对策略。然而，目前的吸能材料设计常常在可重复使用性或能量吸收能力存在不足。高能量吸收的材料往往因为其能量耗散机制而只能单次使用，可重复使用的材料则因为局部变形导致仅仅部分材料参与吸能，从而限制了其整体吸能能力。

 

为了解决这一问题，中山大学吴嘉宁、吴志刚团队联合北京航空航天大学潘飞团队创造性的构建了一种基于去局部变形机制的双稳态张拉整体可重复吸能超材料。该超材料基于双稳态的张拉整体单元构建，展现出极高的可重复使用性。当单个加载节点受到局部冲击时，力学超材料中所有双稳态单元的弹性元件都会同步伸展以吸收能量，表现出“牵一发而动全身”的冲击响应行为,并且显著提高了展现更高的能量吸收能力。本研究提出的超材料在10,000次循环中的能量吸收能力达到 26.4 kJ/（kg·m²），在能量吸收能力和可重复使用性方面分别比其他可重复使用材料高出约2个数量级。该研究以题为“Delocalized deformation enhanced reusable energy absorption metamaterials based on bistable tensegrity”的论文发表在《Advanced Functional Materials》。

 

双稳态张拉整体力学超材料设计

 

在这项研究工作中，高可重复性和吸能能力的实现主要依赖双稳态张拉整体单元设计以及基于张拉整体结构的连接策略。通过将传统张拉整体结构的中心绳索改为弹簧，研究人员成功将稳定结构转变为双稳态结构。随后，作者利用基于张拉整体的装配策略，通过连接绳将四个相同的双稳态结构交汇在一个中心加载节点上，形成一个具有同步变形机制的双稳态张拉整体模块（TBM）。该模块能够沿三个正交方向周期性扩展，从而简便地构建一维、二维及三维力学超材料。当该超材料在加载节点上承受局部冲击时，能够通过全局变形实现高效的能量吸收。

 

双稳态张拉整体力学超材料结构范例。(a)新型双稳态张拉整体单元。(b)双稳态单元的能量示意图。(c)张拉整体模块内部的装配策略。(d)双稳态张拉整体模块TBM结构图。(e)张拉整体模块之间的装配策略。(f) 3×3阵列力学超材料结构图。

 

力学超材料抗冲击以及同步变形能力

 

本文作者基于不同数量的模块构建了力学超材料，并通过冲击实验研究了其抗冲击性能。在1米的下落高度下，9模块力学超材料能够将峰值冲击力降低85.28%。作者还通过高速相机记录了超材料在局部加载点受到冲击后的全局变形过程。通过量化不同模块节点的位移及顶板的倾角，完成了同步率分析，结果显示整个过程的最低同步率分别达到了93.75%和90.87%，展现出卓越的同步变形能力。

 

力学超材料的抗冲击性能评估。(a) 实验装置。(b)峰值力冲击统计。(c)冲击结果曲线。(d) 9模块力学超材料示意图。(e) 9模块超材料的变形过程时序。(f) 各模块节点位移对比。(g)各模块顶板倾角对比。

 

力学超材料防护性能展示

 

为了进一步验证该力学超材料在实际应用场景中，在集中冲击条件下对脆弱物体的保护效果，本文作者设计并进行了模拟碰撞实验。在实验中，超材料被用于承受来自小车冲头的集中冲击，并且保护其后的气球。实验结果表明，利用张拉整体策略连接后的超材料能够有效抵御局部冲击，并成功保护后方的脆弱物体。

 

力学超材料的防护性能展示。(a) 不同的实验案例展示。(b) 碰撞过程展示。(c) 碰撞后的超材料构型对比。

 

本文超材料与其他典型吸能材料的能量吸收能力和可重复使用性对比

 

总  结：

 

作者通过采用张拉整体双稳态结构单元设计，以及基于张拉整体结构的连接策略，成功构建了兼具高能量吸收能力和可重复使用性的力学超材料。此外，该材料还可以通过低成本的方式实现大规模生产，从而有望使得性能优异的力学超材料在未来的工程领域得到实际应用。

 

 

来源：高分子科学前沿

关键词： 可重复吸能超材料