利用预应力金属壳体的弹性双稳态构建自适应双模式吸能超材料

本研究针对金属塑性吸能结构不可重复使用的难题，创新性地通过预应力处理在金属壳体中引入弹性双稳态特性，开发出具有"纯双稳态"和"双稳态+塑性"两种工作模式的自适应吸能超材料。该设计在65Mn弹簧钢等金属材料中实现了可重复使用的弹性双稳态变形（SEA达3.5 kJ m-3）与高吸能塑性变形的解耦控制，其可重复吸能能力超越传统聚合物基双稳态结构3倍，为智能金属吸能材料的设计提供了新思路。

　　

在交通运输、安全防护和航空航天等领域，能量吸收材料与结构发挥着至关重要的作用。传统金属薄壁结构虽然具有稳定的高比能量吸收能力，但其塑性变形不可逆的特性导致结构只能一次性使用，且性能难以根据应用场景进行调节。这一局限性促使研究人员探索可恢复、可重复使用的能量吸收结构。近年来，基于双稳态单元（如曲梁和壳体）的多稳态机械超材料展现出良好应用前景，但由于受限于弹性应变范围，这类材料通常采用橡胶、聚合物等软材料制备，存在承载能力和吸能容量低的缺点。更棘手的是，现有金属不稳定性超材料中塑性与不稳定性无法解耦，导致可重复使用寿命大幅降低。

针对这一系列挑战，北京航空航天大学航空科学与工程学院的研究团队在《Cell Reports Physical Science》发表创新研究，通过预应力处理在金属壳体中实现大弹性双稳态，构建出具有自适应双模式能量吸收特性的超材料。该材料在低冲击下可通过可恢复的双稳态变形吸收能量，在高冲击下则能通过塑性变形提供更强的吸能能力，成功解决了金属吸能结构可重复使用性与高吸能容量难以兼顾的难题。

研究人员采用三项关键技术方法：1）通过三步弯曲预处理工艺在金属壳体中引入预应力产生双稳态；2）设计环形单元结构实现双稳态与塑性变形的解耦控制；3）通过穿孔处理优化塑性变形行为。实验采用65Mn弹簧钢（弹性应变极限0.3%-0.9%）作为基材，构建了2×2×2和3×3×3阵列的超材料原型。

研究结果部分，"金属双稳态壳体的力学行为"显示，通过三步弯曲预处理获得的65Mn钢壳体展现出典型的"N"形力-位移曲线，其可重复比能量吸收（SEA）达到3.5 kJ m^-3，是聚合物基双稳态结构的3倍。"双模式吸能超材料的力学行为"部分证实，构建的环形单元在压缩载荷下可依次实现双稳态变形（u/H<0.36）和塑性变形（u/H<0.87），"纯双稳态"与"双稳态+塑性"两种模式的能量吸收能力相差8倍。通过1000次循环压缩-拉伸测试验证了双稳态变形的优异可重复性。

"穿孔对性能的影响"部分表明，在侧向壳体上引入3mm直径穿孔可降低塑性峰值力（从73.9N降至34.5N），同时略微提高能量吸收并减少回弹。"冲击测试"部分通过金蛋跌落实验证明，超材料在25cm高度（2.2 m/s）的10次重复冲击中保持1.82%的塑性变形，实现100%保护；在60cm高度（3.4 m/s）的单次冲击中通过塑性变形实现80%保护率。

"性能编程"部分探讨了通过几何参数和材料选择调控性能的方法：增加厚度可同时增强双稳态和塑性吸能能力；增大半径会削弱双稳态但增强塑性吸能；采用304不锈钢、TA1钛合金等材料可改变两种模式的吸能特性平衡。

该研究通过创新的预应力处理方法，在金属结构中成功实现了弹性双稳态与塑性的解耦控制，突破了传统金属吸能材料不可重复使用的限制。所构建的双模式超材料可根据冲击能量大小自适应切换工作模式，在保持金属材料高吸能优势的同时获得了可重复使用特性。这种设计策略具有普适性，可应用于多种金属材料，并通过几何参数调节和穿孔处理进一步优化性能。研究不仅为智能能量吸收材料的设计提供了新思路，也为解决工程实践中吸能结构的适应性难题开辟了新途径。特别值得关注的是，金属基双稳态变形提供的可重复吸能能力（SEA 3.5 kJ m^-3）显著超越了传统聚合物基双稳态结构，这一突破将推动高性能可重复使用防护结构的发展。