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近年来，力学超材料的迅速发展为缓解冲击和吸收能量提供了创新的研究平台。通过精巧的设计，力学超材料可以展现出不同于传统材料的优异性能，从而可以为现实生活中冲击集中于局部区域的情况提出新的应对策略。然而，目前的吸能材料在可重复使用性或能量吸收能力方面依然存在不足。高能量吸收的材料往往由于其能量耗散机制的限制，通常只能一次性使用，而可重复使用的材料则因局部变形导致仅部分材料参与吸能，从而限制了整体吸能能力。
近日，中山大学吴嘉宁、吴志刚团队与北京航空航天大学潘飞团队合作，在应对集中冲击的吸能材料设计方面取得了新的突破。他们创造性地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。该材料结合了新型的双稳态张拉整体单元和相应的组装策略，当单一加载节点受到局部冲击时，所有双稳态单元的弹性元件能够同步伸展以吸收能量，展现出“牵一发而动全身”的冲击响应特性，并且表现出卓越的能量吸收能力。在10,000次循环中，该超材料的能量吸收能力达到了26.4 kJ/（kg-m²），在能量吸收和可重复使用性方面比其他材料高出约两个数量级。相关成果以“Delocalized deformation enhanced reusable energy absorption metamaterials based on bistable tensegrity”为题Advanced Functional Materials期刊上。
在这项研究工作中，高吸能能力和卓越可重复性能的实现主要依赖于双稳态张拉整体单元的设计以及基于张拉整体结构的连接策略。团队首先通过将传统张拉整体结构的中心绳索改为弹簧，成功将稳定结构转变为双稳态结构。随后，团队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，能够通过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。
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。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。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，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2 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。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3 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，得到了如下相图。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
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。该工作得到了国家自然科学基金面上项目等资助。
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202410217
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