力学超材料是通过精巧合理设计而具有特殊性能的结构，它们为减缓冲击和能量吸收提供了创新的研究策略。然而，目前的吸能材料设计常常在可重复使用性或能量吸收能力往往存在相互制约的关系。高能量吸收的材料往往因为其能量耗散机制而只能单次使用，可重复使用的材料则因为局部变形导致仅仅部分材料参与吸能，从而限制了其整体吸能能力。如何克服这种制约关系，实现吸能能力与可重复使用性的同步提升，是目前研究的重点之一。
针对该问题，中山大学吴嘉宁副教授团队、吴志刚教授团队，联合北京航空航天大学潘飞副教授团队构建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。该研究基于传统张拉整体结构构筑了具有优异重复使用性能的双稳态张拉整体单元，并且通过特定的张拉整体连接策略构建了具有去局部变形机制的吸能超材料。单个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都会同步伸展以吸收能量，表现出“牵一发而动全身”的冲击响应行为,并且显著提高了展现更高的能量吸收能力。本研究提出的超材料在 10,000 次循环中的能量吸收能力达到 26.4 kJ/（kg-m²），在能量吸收能力和可重复使用性方面分别比其他可重复使用材料高出约 2 个数量级。相关成果以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上发表。
该研究首先展示了双稳态张拉整体单元的构筑过程以及基于张拉整体结构的连接策略，如图1所示。通过将传统张拉整体结构的中心绳索改为弹簧，作者成功将稳定结构转变为双稳态结构。随后，利用基于张拉整体的装配策略，通过连接绳将四个相同的双稳态结构交汇在一个中心加载节点上，形成一个具有同步变形机制的双稳态张拉整体模块（TBM）。该模块能够通过模块间的装配策略，沿三个正交方向周期性扩展，从而简便地构建一维、二维及三维力学超材料。当该超材料在加载节点上承受局部冲击时，也能够通过触发全局变形实现高效的能量吸收。
图1 双稳态张拉整体力学超材料结构范例。
为了探究张拉整体单元的双稳态特性，作者首先通过理论分析研究了节点受载后的结构变形行为，如图2(a)和2(b)所示。随后，分析了不同结构参数对双稳态特性的影响进行了详细分析，发现通过修改结构参数可以实现结构在双稳态和单稳态之间互相切换，如图2(c)至2(f)所示。最后，图2(g)展示了在稳态切换过程中的双稳态张拉整体结构中各组成部分的应力分布情况，其中弹簧为主要承力元件，为后续其可重复使用提供支持。
图2 双稳态张拉整体模块变形行为分析
为了进一步表征具备去局部变形特性的张拉整体模块的力学性能，研究团队进行了系列准静态实验和循环加载实验，如图3所示。准静态测试得到的力-位移曲线如图3(a)所示。而图3(b)和3(c)则展示了该模块在不同加载速度下表现出一致的力学曲线，表明其在各种受载速度下均具有良好的吸能能力。循环加载实验则展示了该模块的优异可重复使用性，如图3(d)和3(e)所示。具体而言，经过10,000次加载-卸载循环后，TBM的吸能性能仅下降了8.00%。此外，通过调整弹簧刚度，该结构的能量吸收能力还可以灵活调控，以满足不同应用需求，如图3(f)和3(g)所示。
图3 双稳态张拉整体模块力学性能表征
研究团队基于不同数量的模块构建了力学超材料，并通过一系列冲击实验评估了其抗冲击性能，如图4所示。在1米高度下进行的实验表明，9模块力学超材料能够将峰值冲击力降低85.28%。此外，研究人员还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，如图4(e)所示。随后，通过量化不同模块节点的位移和顶板的倾角，研究团队进行了同步率分析。图3(f)和3(g)的结果显示整个过程的最低同步率分别达到了93.75%和90.87%，展现出超材料卓越的同步变形能力。
图4 力学超材料的抗冲击性能评估
为进一步验证力学超材料在实际应用场景中的表现，特别是在集中冲击条件下对脆弱物体的保护效果，研究团队设计并进行了模拟碰撞实验，试验结果如图5所示。在实验中，超材料被用于承受小车冲头的集中冲击，并保护其后的气球。实验结果显示，采用张拉整体策略连接的超材料能够有效抵御局部冲击，并成功保护了后方的脆弱物体，证明其在实际应用中的应对局部冲击的吸能与保护能力。
图5 力学超材料的防护性能展示
考虑到理想的吸能材料需要兼具能量吸收能力以及可重复使用能力，研究团队通过与其他吸能材料的性能对比，得到了图6。研究表明，通过采用张拉整体双稳态结构单元设计及基于张拉整体结构的连接策略，成功构建出了一种在10,000次循环中能够实现26.4 kJ/(kg·m²)能量吸收能力的超材料。其能量吸收能力与可重复使用性能均优于其他材料。可以发现，通过采用张拉整体双稳态结构单元设计，以及基于张拉整体结构的连接策略，此外，这种材料可以通过低成本的大规模生产，具备在未来工程领域广泛应用的潜力。
图6 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
中山大学博士研究生杨昊以及大连理工大学博士后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。该研究得到了深圳市高等院校稳定支持计划、国家资助博士后研究人员计划以及国家自然科学基金的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202410217
审核：力学家
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