前沿 | 五校联发最新《Advanced Materials》：微尺度超材料实现高强度与循环稳定兼得！

一、解决的问题

1. 核心矛盾：传统薄壁超材料（如晶格、曲面结构）在追求高能量吸收时，往往因发生屈曲、塑性变形或断裂而导致循环稳定性（即可重复使用性）差，反之，注重循环稳定的设计又常以牺牲承载强度和能量吸收能力为代价。

2. 技术瓶颈：在微尺度领域，虽然已知尺寸效应能显著增强微小结构的弯曲刚度，但这一现象此前仅见于简单构件（如微悬臂梁），尚未被有效利用来设计具有复杂构型、兼具高强度和高稳定性的微尺度能量吸收超材料。

二、提出的方法

1. 创新结构设计：提出一种名为 “能量吸收-循环稳定集成（ECI）” 的微尺度超材料单元。该单元由两个核心功能组件耦合而成：

• 曲面壳能量吸收组件：采用薄壁曲面壳设计，其弯曲主导的变形模式利于能量耗散。

• 可旋转框架承载组件：采用基于剪纸原理的可旋转框架设计，主要提供结构支撑并精确控制整个材料的“致密化应变”（即结构被压实、力急剧上升的临界点）。

2. 利用尺寸效应：通过双光子光刻技术将结构制造在微米尺度。在此尺度下，材料的尺寸效应得以显现，显著增强了CSE组件中薄壁曲面壳的弯曲刚度，从而直接提升了其压缩强度和能量吸收能力。

3. 协同设计策略：建立了一个系统的参数化设计与优化框架，同时考虑尺寸效应的影响。通过调节CSE组件的壳厚、曲率以及RFL组件的几何参数，可以编程化地调控超材料的力-位移曲线、能量吸收平台和关键的致密化应变点，以实现性能的定制化。

三、实现的效果

1. 性能大幅提升：得益于尺寸效应带来的弯曲刚度增强，最优ECI微超材料的压缩强度和能量吸收能力比其宏观等效设计提高了约630%，比已报道的先进薄壁能量吸收材料平均高出1-4个数量级。

2. 卓越的循环稳定性：通过RFL组件精确控制致密化应变，ECI超材料在经历50次压缩循环后，仍能保持高达87%的初始能量吸收能力。相比之下，未控制致密化应变的设计仅5次循环后性能就衰减至45%。

3. 优异的动态缓冲性能：在低速冲击测试中，ECI超材料在回弹衰减、峰值力衰减和振动衰减三项关键指标上，平均分别优于其他对比材料（包括多种晶格、壳体、蜂窝及超弹性材料）124%、119%和63%，展现了顶尖的能量吸收与缓冲效果。

4. 高度可编程性：通过改变单元的设计参数（如壳厚、曲率）或在材料中引入梯度排列，可以实现对整体力学响应的灵活编程，满足不同的防护需求。

四、创新点

1. 机理创新：首次成功将“尺寸效应强化”这一微观力学机理，应用于复杂三维微超材料的主动设计，将其从一种实验现象转化为提升性能的核心设计工具，显著增强了弯曲主导型微结构的能量吸收能力。

2. 结构创新：创新性地将“基于剪纸的可旋转框架”与“曲面能量吸收壳”进行耦合。RFL组件不仅提供承载，更关键的作用是作为“机械保险丝”，通过其几何设计主动设定致密化应变点，从而在不过早压实能量吸收组件的前提下，有效保护结构并大幅提升循环稳定性。

3. 设计方法创新：提出了一个融合尺寸效应理论的参数化协同设计框架。该框架系统地将微观尺度特有的刚度放大机制纳入宏观性能优化过程，实现了从材料本征特性到宏观力学性能的贯通设计。

4. 性能突破：成功打破了薄壁超材料中“高能量吸收”与“高循环稳定性”难以兼得的传统困境，制备出的微超材料在两项指标上均达到国际领先水平，为微电子（如MEMS）、航空航天等领域的微型化高性能缓冲与防护提供了全新的材料解决方案。

摘要：

图1：ECI微观单元的示意图、制备与性能