國防科技大學：智能超材料突破性進展

發布日期：2022-06-17

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智能材料廣受關注，常規材料一旦制備，特性就幾乎不可調節（高溫相變在工程實際中難以操作）。機械/力學超材料(mechanical metamaterials)是具有超常力學性能的結構功能材料，由人工基元拓撲序構而成。可重構機械/力學超材料可在變形的同時改變材料特性，但傳統設計方法無法實現穩定、連續、健壯的參數控制。根本原因在于這些設計都遵循同一種設計模式：將單功能承載基元（梁/桿/板）用固定或屈曲結點連接構成確定性拓撲結構，如圖1所示。在這種模式下，可重構力學超材料的變形過程常伴隨著不穩定屈曲且需要大變形，導致穩定狀態少、難以采用工程常用的硬質（如金屬、塑料）制備、難以在承載狀態下完成調控過程。

近日，國防科技大學智能科學學院方鑫、溫激鴻等聯合香港理工大學成利教授和德國Fraunhofer研究院，提出了基于齒輪/齒輪組構型的力學超材料設計方法，實現了金屬基材料的大范圍、連續、快速調節。該超材料的基元為內嵌剛度梯度的“太極”齒輪或行星齒輪組，通過齒輪嚙合的方式實現基元間的穩定連接與整體材料的構筑，能夠實現整體材料剛度兩個數量級以上的光滑連續調控以及結構形狀的大范圍變化（如圖2），調控過程可在大承載下完成。團隊不僅提出了原創性設計方法、實現了大量案例，還突破了宏觀及微觀、金屬基及復合材料基超材料的集成一體化制造和集成驅動技術。這種新型力學超材料的剛度調控過程不需要宏觀結構大變形（即實現了原位調控），因此能在大載荷下始終保持結構穩定性，其綜合性能相比傳統的熱響應、化學響應、電/磁響應的智能材料/超材料有顯著提升，能在復雜惡劣工況（如高溫、真空、腐蝕）下可靠運行，為設計智能材料與結構開辟了新道路。

論文Programmable gear-based mechanical metamaterials發表在Nature Materials上，方鑫副研究員為論文第一兼通訊作者，溫激鴻研究員為論文共同通訊作者。研究工作得到國家自然科學基金、“青年托舉”等項目資助。除了智能機械/力學超材料，方鑫、溫激鴻等人也對強非線性力學超材料的波動調控理論及其超低頻超寬帶振動噪聲控制應用開展了系統開創性研究[Nat. Commun. 8, 1288 (2017)]。