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力學(xué)超材料作為超材料的經(jīng)典類型，通過精巧設(shè)計實現(xiàn)不同與傳統(tǒng)材料的優(yōu)異性能。它們?yōu)闇p緩沖擊和吸收能量提供了創(chuàng)新的解決方案，并且為現(xiàn)實生活中沖擊集中于局部區(qū)域的情況提供了新的應(yīng)對策略。然而，目前的吸能材料設(shè)計常常在可重復(fù)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為其能量耗散機制而只能單次使用，可重復(fù)使用的材料則因為局部變形導(dǎo)致僅僅部分材料參與吸能，從而限制了其整體吸能能力。

為了解決這一問題，中山大學(xué)吳嘉寧、吳志剛團(tuán)隊聯(lián)合北京航空航天大學(xué)潘飛團(tuán)隊創(chuàng)造性的構(gòu)建了一種基于去局部變形機制的雙穩(wěn)態(tài)張拉整體可重復(fù)吸能超材料。該超材料基于雙穩(wěn)態(tài)的張拉整體單元構(gòu)建，展現(xiàn)出極高的可重復(fù)使用性。當(dāng)單個加載節(jié)點受到局部沖擊時，力學(xué)超材料中所有雙穩(wěn)態(tài)單元的彈性元件都會同步伸展以吸收能量，表現(xiàn)出“牽一發(fā)而動全身”的沖擊響應(yīng)行為,并且顯著提高了展現(xiàn)更高的能量吸收能力。本研究提出的超材料在10,000次循環(huán)中的能量吸收能力達(dá)到 26.4 kJ/（kg·m²），在能量吸收能力和可重復(fù)使用性方面分別比其他可重復(fù)使用材料高出約2個數(shù)量級。該研究以題為“Delocalized deformation enhanced reusable energy absorption metamaterials based on bistable tensegrity”的論文發(fā)表在《Advanced Functional Materials》。

雙穩(wěn)態(tài)張拉整體力學(xué)超材料設(shè)計

在這項研究工作中，高可重復(fù)性和吸能能力的實現(xiàn)主要依賴雙穩(wěn)態(tài)張拉整體單元設(shè)計以及基于張拉整體結(jié)構(gòu)的連接策略。通過將傳統(tǒng)張拉整體結(jié)構(gòu)的中心繩索改為彈簧，研究人員成功將穩(wěn)定結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)殡p穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。隨后，作者利用基于張拉整體的裝配策略，通過連接繩將四個相同的雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)交匯在一個中心加載節(jié)點上，形成一個具有同步變形機制的雙穩(wěn)態(tài)張拉整體模塊（TBM）。該模塊能夠沿三個正交方向周期性擴展，從而簡便地構(gòu)建一維、二維及三維力學(xué)超材料。當(dāng)該超材料在加載節(jié)點上承受局部沖擊時，能夠通過全局變形實現(xiàn)高效的能量吸收。

雙穩(wěn)態(tài)張拉整體力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)范例。(a)新型雙穩(wěn)態(tài)張拉整體單元。(b)雙穩(wěn)態(tài)單元的能量示意圖。(c)張拉整體模塊內(nèi)部的裝配策略。(d)雙穩(wěn)態(tài)張拉整體模塊TBM結(jié)構(gòu)圖。(e)張拉整體模塊之間的裝配策略。(f) 3×3陣列力學(xué)超材料結(jié)構(gòu)圖。

力學(xué)超材料抗沖擊以及同步變形能力

本文作者基于不同數(shù)量的模塊構(gòu)建了力學(xué)超材料，并通過沖擊實驗研究了其抗沖擊性能。在1米的下落高度下，9模塊力學(xué)超材料能夠?qū)⒎逯禌_擊力降低85.28%。作者還通過高速相機記錄了超材料在局部加載點受到?jīng)_擊后的全局變形過程。通過量化不同模塊節(jié)點的位移及頂板的傾角，完成了同步率分析，結(jié)果顯示整個過程的最低同步率分別達(dá)到了93.75%和90.87%，展現(xiàn)出卓越的同步變形能力。

力學(xué)超材料的抗沖擊性能評估。(a) 實驗裝置。(b)峰值力沖擊統(tǒng)計。(c)沖擊結(jié)果曲線。(d) 9模塊力學(xué)超材料示意圖。(e) 9模塊超材料的變形過程時序。(f) 各模塊節(jié)點位移對比。(g)各模塊頂板傾角對比。

力學(xué)超材料防護(hù)性能展示

為了進(jìn)一步驗證該力學(xué)超材料在實際應(yīng)用場景中，在集中沖擊條件下對脆弱物體的保護(hù)效果，本文作者設(shè)計并進(jìn)行了模擬碰撞實驗。在實驗中，超材料被用于承受來自小車沖頭的集中沖擊，并且保護(hù)其后的氣球。實驗結(jié)果表明，利用張拉整體策略連接后的超材料能夠有效抵御局部沖擊，并成功保護(hù)后方的脆弱物體。

力學(xué)超材料的防護(hù)性能展示。(a) 不同的實驗案例展示。(b) 碰撞過程展示。(c) 碰撞后的超材料構(gòu)型對比。

本文超材料與其他典型吸能材料的能量吸收能力和可重復(fù)使用性對比

總  結(jié)：

作者通過采用張拉整體雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)單元設(shè)計，以及基于張拉整體結(jié)構(gòu)的連接策略，成功構(gòu)建了兼具高能量吸收能力和可重復(fù)使用性的力學(xué)超材料。此外，該材料還可以通過低成本的方式實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，從而有望使得性能優(yōu)異的力學(xué)超材料在未來的工程領(lǐng)域得到實際應(yīng)用。