手性多曲壳超材料：压缩-扭转与屈曲机制协同实现理想能量吸收

《Nature Communications》：Chiral multi-curved shell metamaterials integrating compression-torsion and buckling mechanisms for ideal energy absorption

本研究针对传统压缩-扭转超材料承载能力低而屈曲超材料载荷波动大的瓶颈问题，提出了一种融合两种机制的手性多曲壳超材料新构型。通过压缩-扭转耦合屈曲的协同变形模式，实现了高而平稳的载荷平台，使比吸能(SEA)提升20倍、吸能效率(EEA)提高50%，为轻量化抗冲击防护结构提供了新范式。

　　

在追求轻量化与高强韧的工程材料领域，超材料因其可设计的微观结构展现出传统材料难以企及的力学性能。特别是在冲击防护场景中，理想的能量吸收材料需要在受到撞击时，像汽车保险杠一样平稳地耗散动能，既不能像玻璃般易碎（载荷过低），也不能像砖墙般刚性（峰值载荷过高）。然而，现有两类主流能量吸收超材料各有短板：具有压缩-扭转(compression-torsion)特性的手性超材料虽能通过旋转变形平滑吸能，却往往因过早失稳而承载不足；而依赖屈曲(buckling)机制的蜂窝状结构虽能提供较高承载力，但其局部屈曲会导致载荷剧烈波动，降低能量吸收效率(Efficiency of Energy Absorption, EEA)。如何协同利用两种机制的优点，实现高承载、平滑载荷曲线与高比吸能(Specific Energy Absorption, SEA)的统一，成为领域内亟待突破的难题。

针对这一挑战，清华大学刘战利团队在《Nature Communications》发表最新研究，提出了一种手性多曲壳(Chiral Multi-curved Shell, CMCS)超材料。该设计通过将多边形截面沿垂直轴旋转扫掠形成连续曲面结构，巧妙融合了压缩-扭转与屈曲机制。

压缩-扭转机制将轴向压缩转化为结构扭转，避免几何形状突变；而曲壳设计与该机制的协同作用确保屈曲应变分布于大部分区域，使材料得以充分利用。如图1b-c所示，与经典Kresling手性结构相比，CMCS的SEA提升20倍；与六边形屈曲结构相比，其EEA提高50%，更接近理想能量吸收曲线（EEA≈1，载荷平稳）。

研究人员主要采用熔融沉积成型(Fused Deposition Modeling, FDM)3D打印技术制备热塑性聚氨酯(Thermoplastic Polyurethane, TPU)试样，通过准静态压缩实验获取力-位移曲线，结合有限元分析（采用Yeoh超弹性模型）揭示变形机制，并通过多次落锤试验验证实际抗冲击性能与可重复使用性。

CMCS超材料的压缩-扭转与屈曲机制

通过对比CMCS、Kresling和六边形超材料的应力云图（图2a）发现，Kresling结构的应力集中于折痕处，导致承载能力低下；六边形结构屈曲后出现类似弯杆的弯曲变形，引起载荷骤降。而CMCS结构在压缩过程中，相邻曲壳间的脊线逐渐弯曲（图2b），表明其从压缩起始即进入屈曲状态。截面应力分布（图2c）显示，曲壳经历压缩-旋转-屈曲的协同变形模式，使材料整体参与能量吸收，从而实现高而平稳的平台载荷。

优化超材料以提升能量吸收性能

通过26组压缩实验分析几何参数（厚度t、边数n、旋转角θ）的影响规律（图3a-c）。

结果表明（图4a-c），厚度t主要调节平台载荷（SEA随t增加显著提升），而n和θ通过改变整体构型影响曲线形状（EEA和SEA同步变化）。当n=6、θ=72°时，EEA最高；通过优化加强筋宽度w减少冗余材料后（图4d-e），SEA进一步提升16%至75.7 J/kg。

与现有TPU超材料相比（图4f-g），CMCS的EEA（0.91）和SEA均实现领先。

CMCS超材料性能评估

将3×3×1周期排列的CMCS超材料与经典重入式(re-entrant)超材料对比（图5a-b）。

在相同平台应力下，CMCS的SEA达重入式结构的312.5%，相对密度仅为其41%（图5c）。落锤试验（图5d-f）显示，CMCS使冲击峰值力降低至无防护状态的22.3%，且经历20次重复冲击后性能保持稳定，证实其优异的抗冲击性与可重复使用性。

该研究通过压缩-扭转与屈曲机制的创新融合，解决了能量吸收超材料高承载与平滑载荷曲线难以兼得的矛盾。CMCS超材料展现出可编程的力学性能（通过参数t、n、θ调节）、接近理想的能量吸收曲线（高EEA与SEA）以及可靠的动态防护能力，为建筑、装甲车辆、安全头盔、无人机等领域的轻量化防护结构提供了新设计范式。这种协同变形机制的设计思路，有望引领下一代能量吸收材料的发展方向。