力學超材料的彈性和抗沖擊性能

一、超材料超材料 （Meta-material） 是一種利用現(xiàn)有材料，如高分子材料、玻璃、金屬及合金等，通過加工一定形式的拓撲結構而形成的一種人工材料結構。它具有自然材料所不具備的各種特殊功能，如負泊松比、負有效質量密度、負有效模量等。因其具有特殊的波動傳播帶隙，在隔振、吸聲降噪、隱身、光信息和電磁波等工程領域擁有巨大的應用前景。

在超材料中有一類材料具有受拉時其垂直方向有膨脹的力學特性，即這類超材料具有“負泊松 （Poisson） 比”，又稱為具有“拉脹性”（Auxetic）。同時，具有手性 （Chirality） 的超材料是近年來受到國內(nèi)外學者廣泛關注的一類超材料，其手性是由Lord Kelvin 于1894年提出的具有鏡像對稱而又不能完全重合的結構特性。手性超材料的一個最顯著特征就是具有波的傳播帶隙。

二、力學超材料在力學承載和多功能設計與應用方面，目前國內(nèi)外學者廣泛關注一類兼有“負泊松比”和手性的超材料，這類超材料的典型代表是由具有周期性分布的圓環(huán)狀（節(jié)點環(huán)）和彈性韌帶切向連接形成的蜂窩型拓撲結構，可能是平面結構也可能是三維空間結構（如圖1所示）。

圖1 韌帶型力學超材料平面及空間三維結構

這類超材料因其拓撲結構可變、輕質及高比剛度，與普通多孔拓撲材料相比，該類材料具有更好的抗沖擊能力、抗凹能力、能量吸收能力和減振隔噪的能力。特別地，在抗沖擊的力學性能研究方面，通過對這種具有手性蜂窩結構的力學超材料進行有限元仿真和實驗手段，可以觀察沖擊載荷對不同的手性蜂窩結構力學超材料的沖擊形變特點，為優(yōu)化此類材料的抗沖擊性能設計提供理論基礎。

三、力學超材料的彈性和抗沖擊性能1. 力學超材料彈性性能

1987年Lakes 首次通過聚氨酯泡沫獲得具有特殊微觀結構的負泊松比材料，并測得其泊松比值為-0.7。此后，新的具有“拉脹”（Auxetic） 特性的材料相繼出現(xiàn)。1991年Lakes 等從微觀的單元結構上總結了產(chǎn)生負泊松比應該具備的幾個條件：旋轉自由度、非放射性的動力學性能或者各向異性，并列舉了普通蜂窩結構、內(nèi)凹六邊形蜂窩結構來論證自己的觀點。此后，Lakes 等首次提出了六韌帶手性蜂窩結構的力學超材料（非中心對稱結構），這類材料可以使用金屬母體材料制作，可以產(chǎn)生負泊松比并且可以大大提高工程承載能力。1997年Prall 等基于韌帶變形模式對六韌帶蜂窩結構力學超材料的負泊松比進行研究：對該種結構胞元產(chǎn)生負泊松比的力學機理首次進行了較為詳細的描述（如圖2所示）。

圖2 六韌帶胞元負泊松比形成的變形圖

目前，國內(nèi)針對手性蜂窩結構力學超材料的彈性性能的典型工作有：2013年趙顯偉成功的推導出四韌帶同向手性蜂窩結構的面內(nèi)楊氏模量、泊松比、面外楊氏模量以及剪切模量的上限等，為今后手性蜂窩結構力學超材料的性能柔性化可變設計提供了理論依據(jù)。

2. 力學超材料抗沖擊性能

一般工業(yè)領域特別是航空航天領域，對輕質、隔振、抗沖擊等防護材料要求越來越高。針對手性蜂窩結構力學超材料，其抗沖擊性能的研究的關鍵是確定外力和材料內(nèi)部韌帶及節(jié)點環(huán)上的作用力的大小。

2016年張新春等建立了六韌帶手性蜂窩結構力學超材料的有限元模型，研究結果表明，隨著沖擊速度的增加，六韌帶手性蜂窩結構表現(xiàn)為3種宏觀變形模態(tài)：“＞＜”型模式、“過渡”模式和“I”型模式，研究結果進一步反映了韌帶和節(jié)點環(huán)在沖擊吸能上的作用。

2017年盧子興等對手性蜂窩結構力學超材料進行了面內(nèi)沖擊性能仿真實驗，結果發(fā)現(xiàn)：各種不同類型手性系蜂窩結構力學超材料的變形模式較為一致。在低速沖擊下，手性蜂窩的變形可分為兩個階段：第一個階段為，聯(lián)接韌帶的彎曲卷繞和節(jié)點圓環(huán)的轉動；第二階段為，圓形環(huán)孔壁的坍塌。在高速沖擊下，變形表現(xiàn)為圓形節(jié)點環(huán)和聯(lián)接韌帶的交替坍塌，胞元逐層壓潰；而在中速沖擊下，則表現(xiàn)為兼有低速和高速模式部分特征的過渡V 模式（如圖3所示）。

圖3 不同沖擊速度下四邊反手性蜂窩材料變形模式

Spadoni 等將六韌帶手性蜂窩結構力學超材料填充到大展弦機翼上（如圖4所示），并進行了內(nèi)部結構的設計、仿真和實驗，結果證明了手性蜂窩結構填充材料可以承受大繞度的變形?？傊?，本文所討論的手性蜂窩結構力學超材料在以上這些工程結構等領域中的應用研究，也進一步說明手性蜂窩結構力學超材料在工程實踐中具有強大和廣泛的應用潛力。對其性能與內(nèi)部微結構關系的研究至關重要。

圖4 六韌帶填充機翼及實驗裝置

四、結束語蜂窩結構力學超材料由于其獨特的多參數(shù)微結構和優(yōu)異的力學性能，且具有質輕、負泊松比、高剪切模量及良好的抗缺口、抗斷裂以及高回彈韌性，受到了國內(nèi)外研究人員的高度關注。由于其內(nèi)部拓撲結構尺寸可以實現(xiàn) mm-cm 量級的拓展，小到可用在生活和醫(yī)用用品如血管支架、瓶塞、座墊上得到應用，大到可用于如航空、國防、汽車燈工業(yè)領域。近年來，關于手性蜂窩結構力學超材料的研究取得了許多積極成果，但大部分停留在實驗制備與模擬仿真分析階段。該領域尚存在很多值得探索的理論和實際應用問題。如內(nèi)部受力、吸能機理以及進行力學超材料與其本身固有的電、波、聲等性能的耦合分析、設計等。