科研成果 |中山大学吴志刚教授团队在材料领域顶刊Advanced Functional Materials发表最新成果

力学超材料的迅速发展为缓解冲击和能量吸收提供了全新的研究平台。通过精巧设计，力学超材料可以展现出不同于传统材料的优异性能。然而，现有的吸能材料在可重复使用性或能量吸收能力方面存在矛盾。高能量吸收的材料通常因能量耗散机制的限制，往往只能一次性使用；而可重复使用的材料则因局部变形行为的影响，导致仅有部分材料参与吸能，从而限制了整体吸能效果。针对这一问题，航空航天学院吴志刚教授团队以“Delocalized deformation enhanced reusable energy absorption metamaterials based on bistable tensegrity”为题，在材料科学领域顶刊《Advanced Functional Materials》 （IF = 18.5）上发表论文。中山大学航空航天学院为第一通讯单位，航空航天学院博士研究生杨昊以及张捷为文章的共同第一作者。中山大学吴志刚教授，北京航空航天大学潘飞副教授，中山大学吴嘉宁副教授为共同通讯作者。该研究得到了深圳市高等院校稳定支持计划以及国家自然科学基金的资助。

作者在文章中开发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，成功兼顾了高能量吸收能力和优异的可重复使用性。该研究基于传统张拉整体结构构建出具有出色重复使用性能的双稳态单元，并通过特定的张拉整体连接策略构建了能够应对局部变形的吸能超材料。当单一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会同步伸展以吸收能量，展现出“牵一发而动全身”的响应特性，大大提升了整体能量吸收能力。

图1 双稳态张拉整体力学超材料结构范例。

该研究首先展示了双稳态张拉整体单元的构建过程及其基于张拉整体结构的连接策略（见图1）。研究人员通过将传统张拉整体结构中的中心绳索替换为弹簧，成功将原本稳定的结构转变为双稳态结构。接着，利用张拉整体装配策略，通过连接绳将四个相同的双稳态单元汇聚于一个中心加载节点，形成了具备同步变形机制的双稳态张拉整体?？椋═BM）。该?？榛鼓芄煌ü？榧涞淖芭洳呗?，在三个正交方向上进行周期性扩展，从而简便地构建出一维、二维及三维力学超材料。当局部冲击作用于加载节点时，超材料通过触发全局变形可以实现高效能量吸收。

图2 力学超材料的抗冲击性能评估

研究团队通过构建不同数量?？榈牧ρС牧?，开展了一系列冲击试验来评估其抗冲击性能，如图2所示。在1米高度下进行的试验表明，9?？榈牧ρС牧夏芄唤逯党寤髁档?5.28%。此外，研究人员利用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?？榻诘愕奈灰坪投グ宓那憬?，团队进行了同步率分析，结果显示整个过程中的最低同步率分别达到了93.75%和90.87%，展现了超材料卓越的同步变形能力。

图3 力学超材料的防护性能展示

为了进一步验证力学超材料在实际应用场景中的表现，尤其是在集中冲击条件下对脆弱物体的?；つ芰?，研究团队设计并开展了模拟碰撞试验，结果如图3所示。在试验中，超材料被用于承受小车冲头的集中冲击，并?；て浜蟮拇嗳跷锾?。试验结果表明，采用张拉整体策略连接的超材料能够有效缓冲局部冲击，并成功?；ち撕蠓降钠?。证明其在实际应用中的应对局部冲击的吸能与?；つ芰?。

图4 该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

理想的吸能材料需要同时具备卓越的能量吸收能力和可重复使用性能。研究团队通过与其他吸能材料的性能对比，得出了如下相图。结果显示，本探究提出的的超材料可以实现26.4 kJ/(kg·m2)的能量吸收，并且在10,000次循环后依旧不发生明显下降。该材料的能量吸收能力和可重复使用性能均优于现有的其他材料。值得一提的是，这种材料不仅具备显著的吸能效果，还能通过低成本方式实现大规模生产，展现出在未来工程领域中的广泛应用潜力。

文章信息：

引用格式：

Yang H, Zhang J, Wang J, et al. Delocalized Deformation Enhanced Reusable Energy Absorption Metamaterials Based on Bistable Tensegrity[J]. Advanced Functional Materials, 2024: 2410217.

https:// doi.org/10.1002/adfm.202410217