卡扣力学超构材料- 大数跨境

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卡扣力学超构材料

两江科技评论

2022-12-19

导读：近日，南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰教授、卢明辉教授团队与南京理工大学机械工程学院李鑫教授合作，提出了具有多稳态、可重新编程和可重复使用特性的卡扣力学超构材料。

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撰稿|徐锐

导读

近日，南京大学现代工程与应用科学学院陈延峰教授、卢明辉教授团队与南京理工大学机械工程学院李鑫教授合作，提出了具有多稳态、可重新编程和可重复使用特性的卡扣力学超构材料。该超构材料可以适应不同的非平面保护体，并通过模块化设计，在复杂环境中可以实现快速灵活部署且容易更换。相关工作以“Snap-fit mechanical metamaterials”为题发表于期刊《Applied Materials Today》上。南京大学现代工程与应用科学学院21级博士生徐锐为论文的第一作者，南京大学卢明辉教授和南京理工大学李鑫教授为论文的共同通讯作者。南京大学陈延峰教授给予了重要建议，南京大学联合培养博士何玉龙对本文也有重要贡献。

研究背景

超构材料具有前所未有的特性，促进了先进器件和设备的发展。具有独特力学性能的力学超构材料可以提供一些新颖的功能特性，例如复杂的双稳态、可调刚度、负热膨胀和拉胀行为等。近年来，多稳态力学超构材料因其独特的力学性能（如可重构形状和可重复使用）而得到广泛研究。多稳态可以在两个或多个稳态之间相互切换，且不需要额外的能量输入下保持每个稳定的状态。因此，加载过程中，能量输入以弹性变形的形式被多稳态结构捕获。

大多数传统力学超构材料的变形结构在去除载荷后无法保持，这限制了其实际应用。然而，当外部负载被移除时，多稳态力学超构材料可以通过保持转换后的稳态来克服这些限制。因此，多稳态力学超构材料显著拓宽了力学超构材料的应用领域，如能量吸收、逻辑运算、弹性波控制、软体机器人等。现有的多稳态力学超构材料大多由柔性铰链、弯曲梁、薄壳等单元组成。然而，它们存在强度低、制造工艺复杂、机械能吸收弱、性能控制不便等缺点。此外，能量吸收结构的另一个挑战是可重用性。传统的吸能结构缺乏稳定和可重复的变形模式，增加了安装和维护成本，造成资源浪费。

研究亮点

本文提出了一种基于卡扣结构的多稳态力学超构材料（将卡扣结构与3D针雕结合起来）（图1）。3D针雕是可以复刻出任意的形状，且可以恢复为原始状态。由于每根“针”之间没有相互连接，一根针损坏不会影响到其他针，从而有效防止了进一步的损坏。本文提出的多稳态力学超构材料在受到冲击载荷时，可以吸收冲击能量，且可以重复使用。多稳态力学超构材料由两部分组成，卡扣圆管结构和卡槽结构。为了适应复杂的环境和在不同场合应用，超构材料被设计成可模块化的。更重要的是，卡扣和卡槽结构的形状也不受限制，可以是任意多边形柱子（如三棱柱、四棱柱、五棱柱等）。模块化的卡扣圆管和卡槽结构是由3D打印制备的，再将它们组装成多稳态力学超构材料。多稳态力学超构材料具有可编程和可重构性能，可以适应不同的非平面保护体。由于多稳态力学超构材料优异的防冲击性能和减少反弹能量在开发减震器（例如防撞栏、头盔和汽车保险杠）方面发挥着重要作用，可以安全地保护人员或货物免受撞击。本工作提出的力学超材料设计策略为火箭和飞船的回收装置、可重复使用的冲击防护系统、材料本构模拟器、机械信息存贮器和机械计算等诸多领域和器械的设计提供了全新的思路。

图1 卡扣力学超构材料设计策略：3D针雕可以展示出丰富的3D形状（左上，“是”手势），且变形是可逆的。受到3D针雕的启发，设计了基于卡扣的多稳态力学超构材料（卡扣力学超构材料）。卡扣力学超构材料由模块化的卡扣圆管和卡槽组成，分别对应卡扣单元中的卡扣和卡槽。左下方是卡扣圆管和卡槽的放大细节。通过3D打印制备卡扣和卡槽单元，再将它们组装成多稳态力学超构材料。这些卡扣力学超构材料在受到冲击载荷时可以吸收冲击能量，可以重复使用。小球从空中自由落体，下落到卡扣力学超构材料上。卡扣力学超构材料可以吸收小球的冲击能量，并抓住小球，阻止它反弹。由于超材料是模块化设计，因此可以适应复杂的环境和不同的应用场景。卡扣力学超构材料的可编程和可重新配置特性，可以用于不同的非平面目标的防护。此外，卡扣力学超构材料还表现出优异的抗冲击性和回弹能量的降低。因此，它们在减震器（如防撞护栏、头盔和汽车保险杠）的开发中发挥重要作用，可以安全地保护人体或货物免受冲击。

图2 双稳态卡扣结构的组成、尺寸标注，及悬臂梁卡扣在装配过程中的力学响应和机理分析。(a)-(b)典型的双稳态单元：(a)先前研究的双稳态单元：2D杆、2D梁、3D壳和3D圆顶。(b) 2D卡扣结构：卡扣和卡槽。3D卡扣在装配过程中承受水平装配力和向下偏转力。（c）悬臂梁卡扣的组成和尺寸标注。c（1）卡扣（锁定部分）由两部分组成：保持元件和偏斜元件。c（2）-（3）分别是悬臂梁卡扣的俯视图和正视图。（d）卡扣结构在装配时的力-位移曲线。曲线上显示出结构具有双稳态特性，A、B是两个稳定点。卡扣结构在装配时的状态：（i）插入面与卡槽接触，偏斜元件发生最大偏斜时的装配力最大（F_max>0）；（ii）保持元件在卡槽平面上滑动；（iii）保持面与卡槽接触，迅速达到最小装配力（F_min<0）。蓝色曲线与x轴上方所围的面积为卡扣结构吸收能量（E_in）（蓝色面积）；红色曲线与x轴下方所围的面积为卡扣结构恢复时释放的能量（E_out）（橙色面积）。橙色箭头和紫色箭头指示方向分别描述了卡扣结构加载和卸载过程。（e）卡扣结构在装配时的受力分析图（插入面与卡槽接触）。（f）理论和数值模拟得出的力-位移（实线）和能量（虚线）曲线。

图3 影响卡扣力学性能的主要因素。（a）-（e）卡扣尺寸参数对卡扣装配力和能量吸收的影响。（a）卡扣结构的3D CAD模型，插入面角（α0）、梁的长度（L_b）、根切深度（Y）分别用黄色、黑色和红色标出。（b）卡扣结构在装配时的应力分布云图。c（1）-（2）不同插入面角下（20°-50°）卡扣装配的力-位移曲线和能量吸收情况。d（1）-（2）不同的梁的长度（L_b）对卡扣装配力和能量吸收的影响；e（1）-（2）不同的根切深度（Y）对卡扣装配力和能量吸收的影响。

图4 多稳态力学超构材料设计与装配及其力学性能研究。（a）-（c）四爪卡扣的力学加载的实验和有限元仿真结果。（a）卡扣结构的3D CAD结构。（b）用万能试验机测试卡扣结构的力学响应的光学照片。（c）卡扣结构加载的实验和有限元仿真力-位移曲线。（d）-（f）多稳态力学超构材料设计与装配。（d）卡槽单元和剖分图，每个卡槽单元上带有插销和插孔，可以组装成大的卡槽结构，每个卡槽单元由4个多稳态腔组成。（e）卡扣单元，圆管形卡扣单元两侧排列着卡扣。（f）多稳态力学超构材料，由m×n个卡扣单元和卡槽结构组成。（g）-（h）用万能试验机测试3×3个卡扣单元和卡槽结构组成的多稳态力学超构材料的力学响应。（g）万能试验机测试的光学照片。（h）多稳态力学超构材料加载的力-位移（实线）和能量（虚线）曲线。

图5 多稳态力学超构材料的应用前景。（a）-（c）低速冲击试验下多稳态力学超构材料的能量吸收和防撞保护性能：（a）和（b）弹性球（橡胶）自由坠落试验（500 mm高度）。多稳态力学超构材料可以吸收弹性球的冲击能量并稳定接住弹性球。相比之下，从同一高度落下的弹性球在接触完全预压的多稳态力学超构材料时反向弹起一定的高度。（c）弹性球和实心球自由坠落试验的能量吸收情况。分别对比了弹性球和实心球冲击多稳态力学超构材料和完全预压的多稳态力学超构材料反向弹起高度和能量吸收（E_in）。（d）结构在低速行驶的玩具货车冲击时的阻尼性能。多稳态力学超构材料能够吸收玩具货车的冲击能量、适应车头形状且车没有反弹。（e）多稳态力学超构材料的可重复使用性：多稳态力学超构材料可以贴合非平面保护体且能恢复原来状态，重新使用。

总结与展望

本文受到3D针雕的启发并结合具有双稳态特性的卡扣结构，设计了模块化、可编程的多稳态力学超构材料。这种超构材料有非常优异的能量吸收性能并能适应各种各样的非平面保护物体。此外，这种超构材料还可以实现形状可重构性能，并能重复使用。采用了模块化设计以提高超构材料在复杂情况下的快速灵活部署和容易更换的功能。通过理论、数值仿真和实验的方法，验证了卡扣结构的双稳态特性。研究了卡扣结构中梁的长度（L_b）、插入面角度（α）、根切深度（Y）和插入面轮廓形状对卡扣装配时的装配力和能量吸收的影响，并优化了卡扣结构参数。发现调节卡扣结构插入面轮廓形状，可以展示出丰富的力-位移曲线。使用3D打印制备了多稳态力学超构材料，并演示了其能量吸收和可重构特性。多稳态力学超构材料展示出优异的防冲击性能和减少反弹能量，在开发减震器方面发挥着重要作用。本工作设计的多稳态力学超材料可以应用于多个领域，如撞击防护装置、精密器件包装、材料本构模拟器、机械信息存贮器和逻辑门、机器人等。