超轻点阵超材料凭借其卓越的比强度和能量吸收特性，在航空航天结构与柔性电子器件等领域展现出巨大应用潜力。然而，增材制造的点阵超材料中不可避免地存在裂纹等缺陷，这一短板严重限制了其工程化应用。与连续介质不同，点阵超材料具有离散结构特征，这种特征可能引发非线性变形，但其与裂尖场的关联机制尚不明确。近日，中国科学技术大学倪勇教授、何陵辉教授研究团队与合作者揭示了杆件屈曲诱导裂纹钝化的反常断裂增韧机制，提出了超轻质点阵超材料的相对密度-比断裂韧性间的反常标度律，为设计轻质高强韧点阵超材料提供了全新思路。相关研究成果以“Strut-Buckling Transformation Enabling Anomalous Density-Scaling Toughening Law in Ultralight Lattice Metamaterials”为题发表在国际著名学术期刊《Advanced Materials》上。
图1.不同离散系统中的增韧机制与点阵超材料中杆件屈曲引起的比断裂能反常标度律
传统连续介质断裂力学中，裂纹尖端应力场具有奇异性；而点阵超材料的离散结构特性，特别是杆件非线性屈曲变形引发的非局部结构响应，会导致裂尖应力场呈现离域化特征（图1a）。理解这一现象的核心在于揭示离散结构几何非线性变形如何影响裂尖场的背后机制。研究团队结合增材制造、数值模拟和理论分析，在考虑裂纹尖端受压杆件屈曲的情况下，系统研究了含裂纹点阵超材料的断裂起始行为。研究发现，当相对密度低于临界值时，点阵超材料的比断裂能（单位质量断裂能）随相对密度降低而显著提升，呈现超轻高韧特性。这是由于低相对密度下裂纹尖端附近的杆件发生屈曲失稳，形成非局部变形区，导致裂纹尖端钝化（图1b-c）。这一现象揭示了相对密度对比断裂能的反常变化机制，区别于经典连续介质理论的预测。进一步分析表明该机制在Kagome、双对角正方形、八角桁架等多种二维及三维点阵结构中表现出普适性（图2a）。
图2.点阵超材料中杆件屈曲引起断裂增韧的普遍机制与结构增韧设计
研究团队基于裂尖杆件非线性屈曲调控能量耗散的增韧机制，系统建立了归一化韧性-相对密度预测模型，提出可通过杆件长径比、材料模量等参数优化屈曲响应。基于此原理设计的非均匀点阵结构（图2b）成功诱导杆件屈曲，使超轻材料的断裂能得到大幅提升（图2c）。进一步，团队在固体力学旗舰期刊《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》的近期相关研究表明：通过多材料协同设计，软硬材料组合可调控拉伸/弯曲主导的断裂模式，在临界模量比下实现拉伸-弯曲协同增韧，得到断裂能优化峰值（doi.org/10.1016/j.jmps.2024.105835）。这些发现证实，通过精准调控裂尖杆件的非线性变形行为及其能量耗散路径，可在超低密度下实现高断裂韧性，为复杂结构点阵超材料的强韧力学设计提供了新范式（图2d）。
研究团队的工作系统揭示了离散点阵超材料中通过杆件屈曲失稳调控裂纹尖端场的新型增韧机制，建立了结构参数与断裂性能的定量映射关系，为发展超轻高韧材料提供了理论框架和设计方法。
中国科学技术大学工程科学学院王泽文博士为论文第一作者，倪勇教授、吴开金副教授和宋兆强特任研究员为共同通讯作者。合作者包括中国科学技术大学何陵辉教授、中国船舶科学研究中心丁军研究员等。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划和中国科大青年创新重点基金等项目的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.202419635
（工程科学学院、科研部）
