超輕點陣超材料憑借其卓越的比強度和能量吸收特性，在航空航天結構與柔性電子器件等領域展現出巨大應用潛力。然而，增材制造的點陣超材料中不可避免地存在裂紋等缺陷，這一短板嚴重限制了其工程化應用。與連續介質不同，點陣超材料具有離散結構特征，這種特征可能引發非線性變形，但其與裂尖場的關聯機制尚不明確。近日，中國科學技術大學倪勇教授、何陵輝教授研究團隊與合作者揭示了桿件屈曲誘導裂紋鈍化的反常斷裂增韌機制，提出了超輕質點陣超材料的相對密度-比斷裂韌性間的反常標度律，為設計輕質高強韌點陣超材料提供了全新思路。相關研究成果以“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials”為題發表在國際著名學術期刊《Advanced Materials》上。
圖1.不同離散系統中的增韌機制與點陣超材料中桿件屈曲引起的比斷裂能反常標度律
傳統連續介質斷裂力學中，裂紋尖端應力場具有奇異性；而點陣超材料的離散結構特性，特別是桿件非線性屈曲變形引發的非局部結構響應，會導致裂尖應力場呈現離域化特征(圖1a)。理解這一現象的核心在于揭示離散結構幾何非線性變形如何影響裂尖場的背后機制。研究團隊結合增材制造、數值模擬和理論分析，在考慮裂紋尖端受壓桿件屈曲的情況下，系統研究了含裂紋點陣超材料的斷裂起始行為。研究發現，當相對密度低于臨界值時，點陣超材料的比斷裂能(單位質量斷裂能)隨相對密度降低而顯著提升，呈現超輕高韌特性。這是由于低相對密度下裂紋尖端附近的桿件發生屈曲失穩，形成非局部變形區，導致裂紋尖端鈍化(圖1b-c)。這一現象揭示了相對密度對比斷裂能的反常變化機制，區別于經典連續介質理論的預測。進一步分析表明該機制在Kagome、雙對角正方形、八角桁架等多種二維及三維點陣結構中表現出普適性(圖2a)。
圖2.點陣超材料中桿件屈曲引起斷裂增韌的普遍機制與結構增韌設計
研究團隊基于裂尖桿件非線性屈曲調控能量耗散的增韌機制，系統建立了歸一化韌性-相對密度預測模型，提出可通過桿件長徑比、材料模量等參數優化屈曲響應。基于此原理設計的非均勻點陣結構(圖2b)成功誘導桿件屈曲，使超輕材料的斷裂能得到大幅提升(圖2c)。進一步，團隊在固體力學旗艦期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》的近期相關研究表明：通過多材料協同設計，軟硬材料組合可調控拉伸/彎曲主導的斷裂模式，在臨界模量比下實現拉伸-彎曲協同增韌，得到斷裂能優化峰值(doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105835)。這些發現證實，通過精準調控裂尖桿件的非線性變形行為及其能量耗散路徑，可在超低密度下實現高斷裂韌性，為復雜結構點陣超材料的強韌力學設計提供了新范式(圖2d)。
研究團隊的工作系統揭示了離散點陣超材料中通過桿件屈曲失穩調控裂紋尖端場的新型增韌機制，建立了結構參數與斷裂性能的定量映射關系，為發展超輕高韌材料提供了理論框架和設計方法。
中國科學技術大學工程科學學院王澤文博士為論文第一作者，倪勇教授、吳開金副教授和宋兆強特任研究員為共同通訊作者。合作者包括中國科學技術大學何陵輝教授、中國船舶科學研究中心丁軍研究員等。該工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃和中國科大青年創新重點基金等項目的支持。
