文章导读
结构化可拉伸材料是一类由有序微观结构组成的软材料，其在可拉伸电子、软体机器人、组织工程、生物医学设备和可重复使用的能量吸收设备中广泛应用。基于结构化可拉伸材料的器件在使用过程中需要承受一定外载荷而经历较大的变形，其断裂失效是一个很重要的问题。但其断裂能测量存在明显的尺寸效应，目前对这一类材料的断裂能测量缺乏统一的标准。
近期，西安交通大学王正锦教授课题组在International Journal of Smart and Nano Materials上发表题为“Specimen size effect on the fracture energy of architected stretchable materials”的论文，探索了结构化可拉伸材料断裂能的试样尺寸效应，材料性质和单元胞的拓扑构型对尺寸效应的影响，为研究结构化可拉伸材料的断裂行为和设计高韧性的结构化可拉伸器件提供了思路。
引用：
Xiao Li, Libo Men, Yilin Yu, Zhaoyang Hou, Zhengjin Wang (2023) Specimen size effect on the fracture energy of architected stretchable materials, International Journal of Smart and Nano Materials, 14:4: 420-439, DOI: 10.1080/19475411.2023.2246420
文章内容
首先分别通过实验测试和有限元计算研究了四边形单元胞结构化可拉伸材料断裂能的试样尺寸效应（图1）。当试样尺寸与单元胞尺寸的比值H/h为1时，断裂能为。随着H/h的增加，测得的断裂能首先增加。当H/h达到一个转变比Rt时，断裂能趋于稳定，为
。在这个比值之上，结构化可拉伸材料的断裂过程区小于试样尺寸，断裂行为与试样尺寸无关。
图1. 四边形单元胞结构化可拉伸材料断裂能的试样尺寸效应
图2和图3展示了组分材料的极限拉伸比（λlim）和应变硬化效（Jlim）对转变比Rt的影响。通过对断裂能进行归一化，结果显示材料极限拉伸比和应变硬化效应对转变比Rt影响不大。
图2. 组分材料的极限拉伸比（λlim）对转变比Rt的影响
图3. 组分材料的应变硬化效应（Jlim）对转变比Rt的影响
通过理性分析，单元胞拓扑结构对结构化可拉伸材料断裂能的影响可以分为三个方面，即单元胞纤维的长径比（h/w）、连接到一个节点的纤维数量（n）以及节点的圆角半径（r）。首先研究了单元胞纤维长径比对转变比Rt的影响，图4显示，转变比Rt在9到13之间变化，其受到纤维长径比的影响不大。
图4. 单元胞纤维长径比对转变比Rt的影响
连接到一个节点的纤维数量n也是影响转变比Rt的关键因素。n通常为3、4或6，分别对应六边形、四边形和三角形。接下来又研究了六边形单元胞（n=3）的结构化可拉伸材料断裂能的尺寸效应。图5显示，六边形单元胞的结构化可拉伸材料的转变比Rt同样约为11，同时极限拉伸比、应变硬化效应和纤维长径比对六边形单元胞结构化可拉伸材料转变比Rt的影响不明显。
图5. 六边形单元胞结构化可拉伸材料断裂能的尺寸效应
最后考虑了三角形单元胞（n=6）结构化可拉伸材料的尺寸效应。首先改变了三角形单元胞网络材料圆角的半径（0.2 mm和0.9 mm），图6显示，节点处圆角半径对裂尖处应力集中位置影响较大，从而对材料的断裂能产生影响（图6(a)）。从图6(b)中，注意到具有不同圆角半径的三角形单元胞结构化可拉伸材料的Rt在4到7之间，明显小于四边形和六边形单元胞结构化可拉伸材料。将其归因于两个原因：一是三角形单元胞中的应力集中程度与四边形和六边形相比更高；另一个是三角形单元胞中节点的约束较强，与节点相连接的纤维越多，不同单元胞之间的变形局域化程度越大，不利于大变形在不同单元胞之间传递。此外，连接度更高，节点处纤维之间的夹角越小，进一步增加了节点处的应力集中。因此，断裂能和转变比Rt大幅下降。
图6. 三角形单元胞结构化可拉伸材料的断裂能及Rt
课题组简介
王正锦，西安交通大学航天航空学院教授，博导，国家级青年人才。长期从事固体强度理论、断裂力学、软物质与柔性器件力学研究。2010年本科毕业于西安交通大学力学专业，2010-2015年于西安交通大学攻读博士学位，2013年-2015年赴美国哈佛大学联合培养，2016-2019年在哈佛大学从事博士后研究。2019年全职加入西安交通大学。近五年，先后主持自然科学基金青年项目和国家重点研发计划课题等项目/课题。在Proc. Natl. Acad. Sci. （PNAS）、J. Mech. Phys. Solids（JMPS）等期刊发表论文30余篇。
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期刊介绍
International Journal of Smart and Nano Materials
名誉主编：
杜善义 院士，哈尔滨工业大学
Ken P. Chong 教授，华盛顿大学
主编：
冷劲松 院士，哈尔滨工业大学
International Journal of Smart and Nano Materials是哈尔滨工业大学和Taylor & Francis集团合作出版的开放获英文期刊，拥有由知名学者组成的国际化编委团队。IJSNM 被Science Citation Index数据库收录，2022年影响因子为3.9。
IJSNM主要发表国内外智能材料、智能结构力学与设计、多功能纳米材料等领域的最新研究成果和前沿进展，涵盖智能材料与结构、多功能纳米复合材料、4D打印技术、仿生结构、柔性机器人、传感器、结构健康监测等领域，主要刊登具有创新性的综述论文（Review Articles）、研究论文（Research Articles）和短篇报道（Short Communications）等。
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