材料演化！揭示輕質抗斷裂點陣超材料的增韌新機制

隨著航空航天、柔性電子等領域對輕質高性能材料的需求快速增長，點陣超材料因其優異的輕質高強韌特性受到廣泛關注。然而，增材制造不可避免引起裂紋等制造缺陷，嚴重制約了點陣超材料在實際工程中的應用。與連續介質不同，點陣超材料具有離散結構特征，這可能導致非線性變形，并在含裂紋情況下顯著影響裂尖場的分析。

近日，中國科學技術大學倪勇教授、何陵輝教授課題組系統揭示了點陣超材料中桿件屈曲誘導裂紋鈍化的非線性增韌機制，發現了比斷裂能隨相對密度降低而反常上升的標度律關系。該研究相關研究成果以題為“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials"的論文發表在國際著名學術期刊《Advanced Materials》期刊上。

圖1. 不同離散系統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。

傳統連續介質斷裂力學理論主要考慮裂紋尖部的應力奇異性，而研究團隊發現在低相對密度條件下，點陣超材料的離散特征使得受壓桿件在裂尖區域會發生屈曲，從而鈍化裂紋前沿，顯著抑制裂紋擴展（圖1a）。系統的實驗與數值模擬顯示，當相對密度低于臨界值時，點陣超材料的比斷裂能（單位質量斷裂能）隨相對密度降低而顯著提升，呈現超輕高韌特性（圖1b-c）。這種反常變化在包括Kagome、八角桁架等多種二維與三維結構中均得到了驗證，揭示了該增韌機制的普適性（圖2a）。實驗樣品采用摩方精密nanoArch^® S130（精度：2μm）3D打印系統制造，使得裂紋形貌、單元尺寸和邊界條件均得到了高精度實現，為系統開展裂紋起始實驗與數字圖像相關（DIC）應變分析提供了堅實技術支撐（圖1b）。

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構增韌設計。

研究團隊基于裂尖桿件非線性屈曲調控能量耗散的增韌機制，系統建立了歸一化韌性-相對密度預測模型，提出可通過桿件長徑比、材料模量等參數優化屈曲響應。此外，研究團隊提出了一種非均勻結構設計的新型增韌策略。基于此原理設計的非均勻點陣結構（圖2b）成功誘導桿件屈曲，從而影響裂尖應力場，使超輕材料的斷裂能得到大幅提升（圖2c）。這些發現證實，通過精準調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高斷裂韌性，為復雜結構點陣超材料的強韌力學設計提供了新范式（圖2d）。

總結：研究團隊的工作系統揭示了離散點陣超材料中通過桿件屈曲失穩調控裂紋尖部場的新型增韌機制，建立了結構參數與斷裂性能的定量映射關系，為發展超輕高韌材料提供了理論框架和設計方法。該成果為新一代超輕強韌材料開發開辟了新路徑，有望進一步推動輕質點陣超材料在航空航天、柔性電子等領域的發展與應用。