力學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)而形成的一種人工材料結(jié)構(gòu)。它具有自然材料所不具備的各種特殊功能，如負(fù)泊松比、負(fù)有效質(zhì)量密度、負(fù)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(lǐng)域擁有巨大的應(yīng)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(xué)特性，即這類超材料具有“負(fù)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(xué)者廣泛關(guān)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(jié)構(gòu)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(xué)超材料在力學(xué)承載和多功能設(shè)計與應(yīng)用方面，目前國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注一類兼有“負(fù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可能是平面結(jié)構(gòu)也可能是三維空間結(jié)構(gòu)（如圖1所示）。

圖1 韌帶型力學(xué)超材料平面及空間三維結(jié)構(gòu)

這類超材料因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可變、輕質(zhì)及高比剛度，與普通多孔拓?fù)洳牧舷啾?，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(xué)性能研究方面，通過對這種具有手性蜂窩結(jié)構(gòu)的力學(xué)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(jié)構(gòu)力學(xué)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(shè)計提供理論基礎(chǔ)。

三、力學(xué)超材料的彈性和抗沖擊性能1. 力學(xué)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(jié)構(gòu)的負(fù)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(jié)構(gòu)上總結(jié)了產(chǎn)生負(fù)泊松比應(yīng)該具備的幾個條件：旋轉(zhuǎn)自由度、非放射性的動力學(xué)性能或者各向異性，并列舉了普通蜂窩結(jié)構(gòu)、內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的力學(xué)超材料（非中心對稱結(jié)構(gòu)），這類材料可以使用金屬母體材料制作，可以產(chǎn)生負(fù)泊松比并且可以大大提高工程承載能力。1997年P(guān)rall 等基于韌帶變形模式對六韌帶蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料的負(fù)泊松比進行研究：對該種結(jié)構(gòu)胞元產(chǎn)生負(fù)泊松比的力學(xué)機理首次進行了較為詳細(xì)的描述（如圖2所示）。

圖2 六韌帶胞元負(fù)泊松比形成的變形圖

目前，國內(nèi)針對手性蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料的彈性性能的典型工作有：2013年趙顯偉成功的推導(dǎo)出四韌帶同向手性蜂窩結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)力學(xué)超材料的性能柔性化可變設(shè)計提供了理論依據(jù)。

2. 力學(xué)超材料抗沖擊性能

一般工業(yè)領(lǐng)域特別是航空航天領(lǐng)域，對輕質(zhì)、隔振、抗沖擊等防護材料要求越來越高。針對手性蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料，其抗沖擊性能的研究的關(guān)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(jié)構(gòu)力學(xué)超材料的有限元模型，研究結(jié)果表明，隨著沖擊速度的增加，六韌帶手性蜂窩結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)力學(xué)超材料進行了面內(nèi)沖擊性能仿真實驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：各種不同類型手性系蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)力學(xué)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(jié)構(gòu)的設(shè)計、仿真和實驗，結(jié)果證明了手性蜂窩結(jié)構(gòu)填充材料可以承受大繞度的變形?？傊疚乃懻摰氖中苑涓C結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料在以上這些工程結(jié)構(gòu)等領(lǐng)域中的應(yīng)用研究，也進一步說明手性蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料在工程實踐中具有強大和廣泛的應(yīng)用潛力。對其性能與內(nèi)部微結(jié)構(gòu)關(guān)系的研究至關(guān)重要。

圖4 六韌帶填充機翼及實驗裝置

四、結(jié)束語蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)超材料由于其獨特的多參數(shù)微結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的力學(xué)性能，且具有質(zhì)輕、負(fù)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(guān)注。由于其內(nèi)部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(yīng)用，大到可用于如航空、國防、汽車燈工業(yè)領(lǐng)域。近年來，關(guān)于手性蜂窩結(jié)構(gòu)力學(xué)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(lǐng)域尚存在很多值得探索的理論和實際應(yīng)用問題。如內(nèi)部受力、吸能機理以及進行力學(xué)超材料與其本身固有的電、波、聲等性能的耦合分析、設(shè)計等。