江苏激光联盟导读：

据悉，材料和结构的破坏与局部机制有内在联系，来自加州大学欧文分校和佐治亚理工学院的研究人员描述了一种新的超材料，这种材料可以使变形离域以防止失效。

材料和结构的失效，包括易延性金属、脆性陶瓷、离散泡沫和空间桁架，通常会发生高度局部变形。剪切带和裂纹表面的形成，以及壁和支柱的屈曲，从而引起局部受限破坏事件的连锁反应，而系统的大部分未承受临界载荷。为了打破这种已建立的范式，来自加州大学欧文分校和佐治亚理工学院的研究人员们展示了使变形非局部化的3D打印张力超材料，展示了卓越的抗故障承载系统方法（图1）。

图1
▲图解：通过局部变形形变超材料作为路径的抗故障能力。（顶部）独立于基本机制，可以在不同类别的连续实体和离散结构中找到局部变形和破坏的示例。（底部）张力超材料的结构层次及其变形变形的能力。截断的八面体基本单元的递归反射将创建具有独立压缩成员环的空间平铺2×2×2单元超级单元，这些压缩成员环不会形成延伸通过6×6×6单元超材料的连续路径。特性测量和模拟的单轴压缩行为；压缩不连续性防止了局部失效的传播，并使超材料实现了均匀的，局部的变形分布。所有比例尺均为10 μm。

在承重系统中，局部变形会转化为系统级的不稳定性，即随着变形量的增加，承载能力会下降，导致变形爆发而没有进一步增加负荷，直到力再次平衡（通常在灾难性坍塌之后）。同样，承重系统的不稳定性是局部变形的指示。相反，当变形增加导致承载能力增加时，系统是稳定的。从系统的应力-应变响应来看，首次出现负刚度事件可确定不稳定变形。稳定的应力-应变响应不会出现负刚度事件，并且显示出应力与应变之间存在单调关系。

像桁架一样，轻型结构设计被认为从根本上与不稳定变形引起的早期破坏有关，这大大缩小了其对大多数线性弹性小应变情况的适用性。当受到弹性加载时，以拉伸为主的晶体结构将主要经受单轴拉伸或压缩，从而均匀地利用组成材料。这可以使弹性强度和刚度比以弯曲为主的结构（例如，在泡沫结构中，构件主要经历弯曲）高100倍。但是，该增益意味着屈服后的不稳定变形，例如屈曲和脆性塌陷。因此，已建立的以拉伸为主的设计遭受特性不稳定性的困扰，当结构载荷超过初始峰值强度时，不可避免地会导致灾难性的破坏。在过去的几十年中，晶格结构已进入建筑超材料的新兴领域。用于增材制造的新型材料、分层结构、壳设计和晶格构件的小型化以利用明显的纳米级材料尺寸效应表现出更高的强度和刚度。然而，这些新颖的超材料仍然受到局部破坏现象影响的困扰。尽管在位移控制的实验室条件下反复显示了对高压缩应变的变形能力和随后的可恢复性，变形仍然高度局限，本质上不稳定，并且具有逐层塌陷的特征。在代表大多数现实生活情况的负载控制环境中，所有这些材料都将遭受灾难性破坏，并在首次出现负刚度事件后完全崩溃。缺乏稳定的大应变变形机制仍然限制了晶格结构的应用。时至今日，线性弹性设计无法有效地适应非线性动态载荷场景，从车身惯性力到风力涡轮机叶片上的空气动力学载荷，所以线性弹性设计必须赋予其足够大的安全系数，以防止在极少发生的极端载荷下发生灾难性故障。冲击保护系统（例如头盔垫）必须经过大范围的变形才能吸收能量，因此需要使用效率低下的泡沫材料以确保稳定的应力应变性能。

张拉整体式结构是轻型桁架，其内部载荷传递机制和变形本质上不同于其他晶格拓扑结构。所有已建立的晶格架构都是连续压缩设计，这意味着当受到外部载荷时，其内部应力分布包含贯穿整个结构的连接压缩构件的不间断路径。尽管张拉整体式结构概念是一个世纪以前发现的，但是直到最近，找形技术的复杂性仍将人造张拉整体式结构限制在某些低维物体上，例如圆柱和板。如今，应用主要限于艺术品安装，而技术利用却相对匮乏，并且与所有桁架一样，仅限于线性弹性情况。尽管压缩构件具有独特的隔离性，但非线性变形和压缩张力的破坏行为在很大程度上是未知的。

文章来源：《材料保护》 网址: http://www.clbhzzs.cn/zonghexinwen/2021/0320/576.html

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