研究团队开发新型机械超材料 超轻/防止变形

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大龙车务 ，大龙车务 ，加州大学欧文分校（University of California, Irvine）和佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的工程师们开发了一种新型机械超材料，可以防止变形和发生故障。他们采用了张拉整体的方法，这是一种历史长达百年的设计方法，将孤立的刚性杆集成至灵活的系索网状结构中，从而产生非常轻的自我张拉桁架结构物。

（图片来源：ICU）

研究小组从950纳米直径的构件开始，通过一种复杂的直接激光写入技术，以产生大小在10-20微米之间的基本单元格。这些单元格被构建成具有8个单元的超级单元格，可与其他单元格组建连续性结构。接着，研究人员进行计算建模和室内实验，并观察到这些结构表现出独特的均匀变形行为，而且不存在局部过应力或使用不足现象。

该团队发现，新型超材料的形变度提高了25倍。比起最先进的网格排列，其能量吸收能力成级数递增。研究人员Lorenzo Valdevit表示：“几十年来，对张拉整体结构的研究一直在进行。几年前，佐治亚理工学院的Julian Rimoli教授从理论上提出适当的周期性张拉整体网格概念。通过这个项目，我们首次实际研制出这些超材料，并进行了性能演示。”

在为行星着陆器开发结构配置时，佐治亚理工学院的团队发现，基于张拉整体的飞行器可以承受其单个部件的严重变形或弯曲，而不会发生坍塌，这是在其他结构中从未观察到的。研究人员Rimoli教授表示：“我们因此产生了利用同样原理制造超材料的想法，并发现了第一种3D张拉整体超材料。”

通过创新添加剂制造技术，超轻且坚固的传统结构基于微米级桁架和网格，在飞机、风力涡轮机叶片和其他许多应用中，具有取代较重固体物质的潜力，受到工程师们的密切关注。这些领先材料具有优异的特性，但与其他承重结构一样，如果超负载，仍然容易造成损坏。主要研究人员Jens Bauer表示：“在常见的纳米结构材料中，故障通常始于高度局部化变形。剪切带、表面上的裂缝以及在某一区域出现的壁体和支柱弯曲，会引起连锁反应，导致整个结构倒塌。”当受压构件弯曲时，受拉构件则不会，导致桁架网格开始倒塌。通常情况下，这些部件在公共节点上相互连接，只要其中一个发生故障，可能迅速蔓延至整个结构。

相反，张拉整体结构的受压构件形成闭合环路，彼此隔离，仅通过受拉构件连接。在这种情况下，受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传递。如果它们没有发生断裂，就不会表现出不稳定性。向下推张拉整体系统，整个结构会均匀压缩，从而防止发生局部损坏，避免故障。

UCI研究人员Valdevit表示，张拉整体超材料表现出前所未有的抗故障性、极端能量吸收、形变度和强度，超过其他所有类型的领先轻质结构。“这项研究为设计先进工程系统提供了重要基础，比如可重复使用的冲击保护系统，以及自适应承重结构。”

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