Nature Mater：设计新型韧性超材料

纳米技术

2022-03-28

机械超材料作为一类新型材料，其性能可以通过结构或组分调控，为发展具有优异机械性能的超轻材料提供机会。但是目前损坏和缺陷（通常表现为断裂韧性）对此类材料的影响并未得到深入研究，因为难以制造和表征具有大量晶胞的失效超材料。在基本涵盖各种不同应用中，韧度（而不是强度或模量）是限制机械设计的关键因素。

加州大学洛杉矶分校/弗吉尼亚理工大学Xiaoyu Rayne Zheng (郑小雨)、剑桥大学Vikram Sudhir Deshpande等近日报道了三维超材料和器件的失效评价标准，设计了一类具有普适性的用于辅助设计高强度固体材料。香港城市大学Yang Lu等对此工作进行点评和总结。

本文要点：

（1）

目前由于增材制造领域的发展，人们开始能够制作在多数量级尺度上设计的块体机械超材料，此类材料同时具有高强度和低密度，因此可能在结构应用中展示前景。为了设计具有韧性和耐损伤性能的超材料，对超材料的断裂力学和结构设计参数进行深入理解非常重要。

（2）

前人的工作中通常通过标准断裂试验规程和应力强度因子考察材料的韧度，但是Xiaoyu Rayne Zheng (郑小雨)、剑桥大学Vikram Sudhir Deshpande等发现其难以非常真实的表征3D弹性超材料的韧度，现有的方法导致预估超材料的性能，误差甚至达到一个数量级。这主要因为超材料的微结构预测过程中放大了T应力（平行于裂缝的应力）的影响。

作者发现材料制造过程中产生的小裂缝可能显著影响超材料的断裂韧性。此外，作者发现平面应力韧度测试只能通过消除表面影响的嵌入型裂纹样品材料，而不是以往一直通过贯穿厚度裂纹测试方法。

（3）

这项工作是机械超材料结构应用的里程碑，意义在于不仅对离散固体中断裂的基本概念进行重新定义，而且为发展特定应用场景的新型超材料提供帮助。

当然，进一步的，仍然需要对不同拓扑结构、材料行为、尺寸对超材料的强度和韧度等性质产生的影响和之间的关系进一步研究，能够有望实现超材料选区图、得到与常规材料Ashby图类似的性能指数，因此对将来设计超材料产生显著影响。

参考文献

Surjadi, J.U., Lu, Y. Design criteria for tough metamaterials. Nat. Mater. 21, 272–274 (2022)

DOI: 10.1038/s41563-022-01193-6

https://www.nature.com/articles/s41563-022-01193-6

Shaikeea, A.J.D., Cui, H., O’Masta, M. et al. The toughness of mechanical metamaterials. Nat. Mater. 21, 297–304 (2022)

DOI: 10.1038/s41563-021-01182-1

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01182-1