《Nature》通过扭转屈曲实现手性超材料的大 recoverable 弹性能

为解决高储能超材料设计难题，研究人员构建手性超材料，发现其性能优异，为超材料设计提供新思路。

　　

在材料的微观世界里，一场关乎 “能量存储秘密” 的探索正在展开。如今，具备高可恢复弹性能密度的材料（即高焓弹性超材料）备受关注，它就像一个能量 “小宇宙”，拥有高效的机械能存储、强大的承载能力、出色的抗冲击性和灵活的运动敏捷性等诸多 “超能力”，在轻量化、小型化和多功能结构领域有着广阔的应用前景。想象一下，在航空航天领域，轻量化且能高效存储能量的材料可以让飞行器性能大幅提升；在电子设备中，小型化的高储能材料能让电池续航更持久。

然而，制造这种材料却困难重重。就像搭建一座既要坚固又要能承受巨大变形的 “积木城堡”，它需要将高刚度、高强度和大可恢复应变这些看似矛盾的特性融合在一起。碳纳米管虽在纳米尺度表现卓越，但在宏观尺度实现高焓依旧是个难以攻克的挑战。传统的超材料设计也存在局限，现有的非手性晶格在实现大可恢复应变时，往往伴随着平台应力的降低，这大大限制了能量存储能力。

为了突破这一困境，国防科技大学国家装备状态感知与智能保障重点实验室的研究人员 Xin Fang、Dianlong Yu、Jihong Wen 等，联合国内外多所高校和研究机构，开展了一项关于手性超材料的研究，相关成果发表在《Nature》上。

研究人员采用了多种技术方法来深入探究手性超材料的奥秘。有限元分析（FEA）是其中的关键技术之一，借助 ANSYS 软件，研究人员考虑到材料在大变形时的非线性几何特性，通过设定一端固定、另一端施加位移边界条件，从而获取材料的 von Mises 应力、应变能和反作用力等重要数据。此外，研究人员还建立了分析模型，针对非手性杆和手性杆的屈曲过程进行理论分析，详细推导了相关的计算公式，从理论层面揭示了材料的变形和能量存储机制。为了验证理论分析和模拟结果，研究人员使用 3D 打印技术制备了橡胶和 TC4 钛合金等多种样本，并对这些样本进行压缩屈曲实验，通过实验数据来评估手性超材料的性能。

研究结果主要围绕以下几个方面展开：

1. 手性与非手性杆的屈曲：传统基于杆的晶格在压缩时，杆一般呈现一阶屈曲模式来存储弹性能。研究人员通过分析模型和非线性有限元分析发现，调整非手性杆的倾斜角度或诱导高阶屈曲模式，都无法有效提高其指定材料强度下的能量存储。而手性超材料则展现出独特的扭转屈曲变形模式，这种模式下每个杆包含面内弯曲、面外弯曲、扭转和压缩四种变形模式。手性超材料在小应变（ε<0.02）时具有高刚度，随着载荷增加，其屈曲过程平滑，相比非手性杆，能存储更多能量。

2. 机制分析：研究表明，手性超材料在大压缩下，其性能主要由手性（即压缩和全局扭转的耦合）主导。在变形过程中，不同变形模式的能量贡献会发生变化，当ε>0.05时，杆内扭转能占总能量的 40%，加上面外弯曲，这两种非手性晶格中不存在的模式能贡献 55% 的能量。而且，手性杆的应力分布更有利，扭转在增加存储能量的同时，对最大 von Mises 应力的提升较小。

3. 性能对比：研究人员对比了手性超材料与多种非手性模型的性能。在相同体积下，手性超材料的承载强度σbh?、极限变形能力εlimit?、模量 E、能量密度（焓）?等性能指标均优于非手性晶格。例如，手性超材料的屈曲强度比棱柱和八面体晶格高 5 - 10 倍，焓高 5 - 20 倍，相比张拉整体桁架，焓更是高出 100 多倍。在以质量为关注点的评估中，手性超材料同样表现出色，橡胶手性超材料的Em?（能量与质量比）比棱柱、八面体和张拉整体晶格分别高 2.8 倍、6.3 倍和 6.2 - 32 倍，钛手性超材料比所有非手性晶格的Em?高约 2 倍。

4. 实验验证：研究人员通过 3D 打印制备的橡胶和 TC4 钛合金样本进行实验，实验结果与理论分析高度吻合。橡胶样本能承受多次重复变形，手性超材料的屈曲强度σbk?比高刚度棱柱晶格高 7.5 倍，焓比棱柱、八面体、张拉整体和 Kelvin 晶格分别高 11 倍、20 倍、167 倍和105倍。TC4 钛合金样本在初始加载时符合理论屈曲过程，虽然金属的变形能力有限，但手性结构的σbk?比棱柱晶格提高了 5.7 倍，焓比密度高 3.5 倍的板基棱柱还高 1.8 - 2 倍。

研究结论和讨论部分指出，研究人员提出的策略通过在手性元胞中引入扭转、弯曲和压缩变形，形成独特的手性扭转屈曲，成功制备出高焓超材料。与现有非手性晶格相比，非优化的手性超材料在材料强度极限内，保持了高刚度，实现了更大的可恢复变形、5 - 10 倍的屈曲强度、2 - 160 倍的焓和 2 - 32 倍的能量质量比提升。通过更紧密地排列手性臂，其性能还能进一步增强。高焓超材料在轻量化和小型化设计、弹性能存储、冲击保护、扭转调制和驱动等领域具有巨大的应用潜力，扭转屈曲平台在重负载下的低动态刚度，也为低频隔振器的设计提供了新的可能性。这一研究成果为超材料和结构的设计提供了新的思路和理论依据，打开了材料科学研究的新大门，有望推动多个工程领域的技术革新。