供稿人：王蕾蕾、李滌塵 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2024-06-07
機械超材料是具有人工結構的工程材料，它們可以表現出不尋常的物理性質，包括負泊松比、壓縮作用下扭轉、負剛度和負熱膨脹系數等，廣泛應用在結構變形、能量吸收、減輕沖擊和影響等中。但是對于人造材料來說，所需的特性往往會發(fā)生沖突，例如，工程材料通常通過犧牲彈性來實現高能量耗散，或者通過失去各向同性來實現所需的膨脹性，這限制了它們的性能和應用。為了解決這些沖突，東北大學Yaning Li等提出并表征了一個新的 3D 平鋪輔助超材料系列，包括各向同性設計、各向異性設計和旋轉對稱設計；并探索了兩種連接類型的設計：帶彈簧的組裝設計和帶雙環(huán)連接的免組裝設計；最后采用綜合實驗和數值分析方法，系統(tǒng)地量化了新設計的獨特力學性能。
首先進行三維平鋪輔助超材料的設計。以八面體和立方八面體鑲嵌作為示例來演示設計過程。如圖 1a 所示，鑲嵌中的每個立方八面體有8個三角形面和6個正方形面。立方八面體的每個三角形面都緊挨著相鄰八面體的三角形面之一，立方八面體的每個正方形面都緊挨著相鄰立方八面體的一個正方形面，周期性3D平鋪超材料的晶胞（RVE）由一個中心鍵控八面體和八個角片組成，每個角片是具有通道結構的立方八面體的八分之一。通過分析發(fā)現關鍵設計因素包括鍵通道方向和位置、鍵通道連接類型以及鍵對和通道對之間接觸面的摩擦特性，如圖 1b所示，通過改變鍵道方向，可以調整機械各向異性，通過引入偏移δ，可以實現耦合的輔助性和扭曲行為。此外，在本研究中還探索了兩種不同類型的連接架構的設計：一種是帶彈簧的組裝樣品，另一種是帶雙環(huán)的無組裝樣品，前者需要手工組裝，后者可以通過多材料3D打印直接打印，如圖 1c 所示。另外由于鍵隊和通道的接觸面之間的摩擦，這些設計有望在循環(huán)載荷下實現機械滯后，如圖1d所示。
圖1 構建 3D 平鋪輔助機械超材料的設計策略和工藝。a）設計過程；b）通過改變鍵通道方向和位置來調整各向異性和扭曲；c）兩種連接類型的設計；d）循環(huán)載荷下的摩擦引起的機械滯后
其次探索結構的變形機理及輔助性以及彈性和滯后性。對于變形機理及輔助性來說，首先從探索帶彈簧的組裝試樣的各向同性設計開始，如圖2a所示，在RVE中，鍵簧通道在 x-y、y-z 和 x-z 平面的所有視圖中沿水平方向45°移動可完成各向同性設計；其次組裝設計的RVE包括三部分，如圖2b所示，第一部分是剛性中心八面體（橙色），通過 3D 打印機使用聚甲基丙烯酸甲酯材料制造，第二部分包括八個帶有圓柱形雕刻帽的剛性角件（灰色），第三部分包括八個金屬彈簧，對于免組裝設計的RVE來說，如圖2c所示，試樣可通過同一臺具有多材料打印的 3D 打印機制造，并使用聚甲基丙烯酸甲酯材料作為剛性部件，橡膠材料作為軟雙環(huán)；然后兩個試樣在帶有 500 N 稱重傳感器的試驗機上進行單軸壓縮，如圖2d和2f可以看出，兩個試樣的實驗和數值分析結果的有效工程應力-應變曲線和有效泊松比曲線都非常吻合，同時變形分為三個階段，對于組裝試樣來說，在第Ⅱ階段顯示出較大的輔助性，主要是因為彈簧的變形受到剛性構件鍵道的運動學約束，鍵與鍵道之間存在相對滑動。另外通過循環(huán)單軸壓縮實驗研究了結構的彈性和滯后性，結果發(fā)現，在每個加載循環(huán)之后，變形不僅可以完全恢復到其原始構型，而且在第Ⅱ階段具有非常高的滯后性，這表明結構具有高彈性和高能量耗散能力。
圖2 結構的變形機理及輔助性研究. a）周期性三維各向同性設計和具有 BCC 對稱性的 RVE；b）帶彈簧的組裝設計的幾何形狀和試樣；c）免組裝設計的幾何形狀和試樣。d、f）實驗和數值分析的工程應力-應變曲線以及有效泊松比與工程應變的曲線；e、g）在單軸壓縮實驗中試樣在不同工程應變下的實驗快照，以及具有變形構型的試樣的有限元馮-米塞斯應力等值
然后探索結構的可調各向異性、耦合扭曲和輔助性。對于可調各向異性來說，以組裝設計為例，基于各向同性設計，通過分別改變x-y平面和x-z平面上鍵通道的兩個投影角度，可以創(chuàng)建具有調諧機械各向異性的設計，如圖3a所示。對于各向異性設計，鎖定行為的臨界摩擦系數在 x、y 和 z 方向上變化，各向異性設計的有效模量和有效泊松比也可以通過解析推導，可以發(fā)現，通過在0°到90°之間改變投影角度，有效模量和有效泊松比可以在三個方向上調諧幾個數量級。對于耦合扭曲和輔助性來說，以組裝設計為例，通過引入偏移δ（定義為關鍵通道軸與x-y平面中中心鍵中線之間的距離），生成了圍繞z軸旋轉對稱的新設計，如圖3b所示。為了通過實驗表征這種耦合扭曲和收縮的獨特行為，設計并制造了特殊的夾具，以確保正確的邊界約束，如圖3c所示。此外，結構在0、0.04、0.08和0.12的總壓縮應變下的實驗和模擬的快照如圖3d所示，可以發(fā)現結構在單軸壓縮下表現出耦合扭曲和收縮，這在現有的機械超材料中很少見。
圖3 結構可調各向異性和同時扭曲和輔助性研究. a) 結構各向異性設計; b) 設計策略、偏移δ和扭矩的試樣和原理圖; c) 測量扭曲和收縮的實驗裝置; d) 分別在0、0.04、0.08 和 0.12 總壓縮應變下的實驗和 FE 模擬的快照
通過本次研究可以發(fā)現，通過具有嚙合鍵—通道對的3D空間填充瓦片來創(chuàng)建新型機械超材料的策略，可以表現出高回彈性，同時在大壓縮應變下協(xié)同實現大機械滯后。特別是，這種超材料表現出理想的各向同性，同時接近各向同性泊松比的理論極限1，這在現有的三維機械超材料中很少見。此外，新型超材料在機械性能和行為方面具有廣泛的可調性，包括在正常壓縮下不尋常的耦合輔助性和扭曲行為。這種新型機械超材料可在致動器和阻尼器、軟機器人、生物醫(yī)學材料和耗能工程材料/系統(tǒng)中具有廣泛的應用。