国防科技大学《自然·材料》：智能超材料突破性进展

摩方精密

2023/05/11 16:50

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智能材料广受关注，常规材料一旦制备，特性就几乎不可调节（高温相变在工程实际中难以操作）。机械/力学超材料(mechanical metamaterials)是具有超常力学性能的结构功能材料，由人工基元拓扑序构而成。可重构机械/力学超材料可在变形的同时改变材料特性，但传统设计方法无法实现稳定、连续、健壮的参数控制。根本原因在于这些设计都遵循同一种设计模式：将单功能承载基元（梁/杆/板）用固定或屈曲结点连接构成确定性拓扑结构，如图1所示。在这种模式下，可重构力学超材料的变形过程常伴随着不稳定屈曲且需要大变形，导致稳定状态少、难以采用工程常用的硬质（如金属、塑料）制备、难以在承载状态下完成调控过程。

近日，国防科技大学智能科学学院方鑫、温激鸿等联合香港理工大学成利教授和德国Fraunhofer研究院，提出了基于齿轮/齿轮组构型的力学超材料设计方法，实现了金属基材料的大范围、连续、快速调节。该超材料的基元为内嵌刚度梯度的“太极”齿轮或行星齿轮组，通过齿轮啮合的方式实现基元间的稳定连接与整体材料的构筑，能够实现整体材料刚度两个数量级以上的光滑连续调控以及结构形状的大范围变化（如图2），调控过程可在大承载下完成。团队不仅提出了原创性设计方法、实现了大量案例，还突破了宏观及微观、金属基及复合材料基超材料的集成一体化制造和集成驱动技术。这种新型力学超材料的刚度调控过程不需要宏观结构大变形（即实现了原位调控），因此能在大载荷下始终保持结构稳定性，其综合性能相比传统的热响应、化学响应、电/磁响应的智能材料/超材料有显著提升，能在复杂恶劣工况（如高温、真空、腐蚀）下可靠运行，为设计智能材料与结构开辟了新道路。
论文Programmable gear-based mechanical metamaterials发表在Nature Materials上，方鑫副研究员为论文第一兼通讯作者，温激鸿研究员为论文共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金、“青年托举”等项目资助。除了智能机械/力学超材料，方鑫、温激鸿等人也对强非线性力学超材料的波动调控理论及其超低频超宽带振动噪声控制应用开展了系统开创性研究[Nat. Commun. 8, 1288 (2017)]。
图 1 不同的力学超材料设计模式（聚合物齿轮由摩方精密nanoArch S130设备加工制备）
图2 典型构型的等效杨氏模量调控过程
图3 不同的超材料调控所需的应变和最短时间。绿色阴影部分为新型齿轮力学超材料。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-022-01269-3