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力学超材料(Mechanical Metamaterials)是一类通过精密设计周期性单元结构，赋予材料特定宏观力学性能的人工材料，包括负泊松比结构、蜂窝状结构等。其中，负泊松比结构(Auxetic Structure, AS)因其在拉伸或压缩时横向膨胀的特性，在能量吸收领域备受关注。然而，传统负泊松比材料的设计多局限于单一结构层次，缺乏内部支撑和应力分散机制，限制了能量吸收性能的进一步提升。因此，如何在三维空间中集成多种结构以优化性能，仍是当前研究亟待解决的技术难题。![]()
最近，吉林大学徐超教授团队在Journal of Bionic Engineering上发表题为“Glass Sponge-inspired Auxetic Mechanical Metamaterials for Energy Absorption”的学术论文。研究人员受到深海玻璃海绵的独特结构启发，开发出了一种兼具结合了负泊松比材料的高致密化应变与玻璃海绵的高平台应力的力学超材料，称为玻璃海绵-负泊松比结构（Glass-Sponge-Auxetic Structure, GSAS）。这种材料模拟了玻璃海绵的高强度对角支撑结构，其卓越的能量吸收能力在汽车防撞和减振等领域呈现出广阔的前景，为材料的轻量化和高效防护应用提供了新的解决方案。本研究首先通过3D建模软件设计出GSAS、负泊松比结构（AS）、玻璃海绵（GS）、体心立方（BCC）和蜂窝结构的数字模型。在GSAS的设计中，利用了玻璃海绵结构的斜交支撑来增强结构的稳定性，同时保留负泊松比结构的凹陷单元。图1展示了GSAS的设计过程及不同支撑模式的结构单元构型。与AS、GS、BCC 和蜂窝结构相比，GSAS展现出其独特的结构优势。为了验证设计地合理性，研究人员在实际制备前对GSAS的压缩响应进行有限元分析（FEA）模拟，获取其变形模式、应力分布和破坏机制，以确保结构设计具有良好的力学性能。图2详细展示了五种结构在1%、5%、10%、20%、和50%压缩应变下的变形行为。GSAS在压缩初期显示出横向收缩的负泊松比特性，随着应变的增加，凹陷单元的应力逐渐集中在支撑和凹角处，表现出分层逐步破裂的独特模式。
图2 压缩响应与变形行为分析。注：图例中的等效应力为 Von Mises 应力在此基础上，研究人员采用了选择性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）增材制造技术制备了GSAS和其他对比结构的实体样品，使用Ti6Al4V钛合金粉末，确保结构具备良好的力学性能和耐用性。在制备出GSAS、AS、GS、BCC和蜂窝结构样品后，研究人员使用静态单轴压缩试验测试这些样品的吸能性能，并结合有限元模拟结果进行分析对比。实验（图3）和模拟（图4）结果显示，GSAS结构在压缩过程中表现出明显的层间非同步破裂模式，有助于延迟结构的完全失效，显著提升能量吸收能力。
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图4.结构单元性能分析在实验结构的基础上，研究人员深入讨论了GSAS结构在不同配置和参数下的表现：
1.支撑配置（图5）：非对称支撑模式赋予GSAS更高的致密化应变，通过非同步破裂模式有效提升能量吸收能力。![]()
图5.GSAS构型对性能的影响2.支柱厚度（图6）：随着支柱厚度的增加，GSAS的压缩平台应力提高，但致密化应变则可能受限。0.5 mm的厚度被认为是最佳选择，平衡了结构的吸能效率和压缩性能。![]()
图6.支柱厚度的影响3.单元排列（图7）：单元排列的对称性显著影响吸能能力，非对称排列的GSAS在横向单元为偶数时表现出更好的非同步破裂模式，进一步提升致密化应变和吸能效率。![]()
图7.单元比例的影响结论：GSAS结构通过结合玻璃海绵结构的高平台应力和负泊松比结构的高致密化应变，展现出优异的能量吸收性能。实验和模拟表明，GSAS结构相比传统的AS和其他常见结构具有显著的吸能优势。其能量吸收能力（EA）和比能量吸收（SEA）均大幅提升，且其吸能性能受支撑配置、厚度及单元排列的显著影响。研究认为，这种新型的GSAS结构在振动阻尼和碰撞保护等高吸能应用中具有广阔的前景，并建议在未来研究中进一步探索不同材料和环境下的性能表现。
全文链接：https://rdcu.be/dZ9e2![]()
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