北航陳玉麗教授團隊提出了一種具有超強力學性能可編程性、複雜形狀可重構性,並且可高效重複吸能的力學超材料設計策略

2021-02-15 高分子科技

力學超材料由於具備天然材料無法達到的超常力學性能而備受關注。超材料的性能主要取決於人工設計的微觀結構，因此可以超越構成材料的本徵性質，使材料真正進入「人工設計」時代。然而，目前的設計中微觀單元相互連接、彼此制約，嚴重限制了材料的局部變形能力。儘管超材料可以在均勻變形下展現出大變形、形狀可重構等特性，但是在非均勻變形下，尤其是在局部大剪切應變下，超材料極易發生破壞，從而導致功能性的喪失。而局部的變形能力，既是超材料能夠主動呈現複雜功能形貌的前提，也是其承受極端外載而不破壞的基礎。新一代可變形飛行器、機械裝甲等應用中迫切需要材料具備該性能。

為了突破這一變形限制，陳玉麗教授的研究團隊受刺蝟背刺的啟發，提出了一種全新的機械像素陣列設計策略。所謂機械像素，就是可以大幅伸長或縮短的柱狀多穩態力學結構。眾所周知，調整像素點的顏色可以構成不同的圖像，與之類似，該設計策略通過調整陣列中機械像素的高度（長度）來形成和重構超材料的穩定三維形態。陣列化的排列形式解除了微觀單元間的變形約束，充分釋放了單元的變形自由度，可以實現無剪切應力的局部大變形。

陳玉麗教授團隊利用吸管構型實現了這一設計策略（見圖1）。他們發現，以可彎吸管為例的多穩態力學結構，具有多個穩定的長度，可以通過完全可逆的彈性變形在不同長度間切換，並能同時耗散外加的機械能，因此是設計機械像素的理想方案。

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