清華新聞網(wǎng)12月25日電 吸能結(jié)構(gòu)與材料經(jīng)歷了百余年的發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械、土木等諸多領(lǐng)域，對(duì)保障人類(lèi)生命健康、提升工程結(jié)構(gòu)可靠性、確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行等方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。近年來(lái)，雖然吸能超材料在輕質(zhì)、高強(qiáng)等方面取得了飛躍式發(fā)展，涌現(xiàn)出多種新型拓?fù)湓O(shè)計(jì)策略，但仍普遍面臨一個(gè)核心矛盾：難以同時(shí)兼顧高吸能效率與高比吸能。
為此，清華大學(xué)航天航空學(xué)院柳占立課題組與合作者提出了一種手性多曲殼（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料，通過(guò)壓扭與屈曲機(jī)理的協(xié)同耦合，實(shí)現(xiàn)了“高承載力-平滑吸能曲線(xiàn)”的統(tǒng)一，并在此基礎(chǔ)上兼具較高的吸能效率和比吸能（圖1a）。通過(guò)獨(dú)特的壓縮-旋轉(zhuǎn)-屈曲變形模式，應(yīng)力得以在結(jié)構(gòu)的大部分區(qū)域內(nèi)分布，充分發(fā)揮了材料性能，同時(shí)有利于避免因應(yīng)力過(guò)度集中而導(dǎo)致的局部過(guò)載與失效（圖1b）。
圖1.手性多曲殼（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料；（a）CMCS超材料構(gòu)造方式及其吸能曲線(xiàn)、吸能效率EEA和比吸能SEA與六邊形和Kresling超材料的對(duì)比（三者質(zhì)量與特征參數(shù)相同）；（b）應(yīng)力云圖與壓縮-旋轉(zhuǎn)-屈曲變形模式
與經(jīng)典內(nèi)凹吸能超材料相比，在相同防護(hù)工況下，CMCS超材料的比吸能提升約3倍，而相對(duì)密度僅為前者的41%（圖2a）；在同等相對(duì)密度條件下，CMCS超材料的比吸能達(dá)到內(nèi)凹吸能超材料的16倍。與近年來(lái)提出的其他吸能超材料相比，CMCS超材料在能量吸收性能方面同樣展現(xiàn)出突出優(yōu)勢(shì)：在其他超材料最高吸能效率僅為0.83的基礎(chǔ)上，CMCS超材料將其提升至0.91，向理想值1又邁進(jìn)了一大步；而且，其比吸能也顯著優(yōu)于其他超材料，同時(shí)具備輕量化與高承載吸能特性（圖2b）。由此可見(jiàn)，CMCS超材料在吸能效率、比吸能等關(guān)鍵沖擊防護(hù)指標(biāo)上優(yōu)勢(shì)顯著。
圖2.手性多曲殼（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料與其他吸能超材料的對(duì)比；（a）CMCS與內(nèi)凹超材料在吸能效率EEA、比吸能SEA、平臺(tái)段、致密化位移、荷載波動(dòng)系數(shù)與相對(duì)密度方面的比對(duì)；（b）CMCS與其他現(xiàn)有吸能超材料在吸能效率EEA和比吸能SEA方面的對(duì)比
憑借“高效率-高吸能-輕量化”的綜合優(yōu)勢(shì)，CMCS超材料有望在提高防護(hù)等級(jí)的同時(shí)有效降低結(jié)構(gòu)質(zhì)量，減小沖擊傳遞，提升裝備/結(jié)構(gòu)的安全性與可靠性，在車(chē)輛/建筑防護(hù)層、頭盔懸掛系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)緩沖結(jié)構(gòu)、飛機(jī)起落架吸能組件等工程場(chǎng)景中具有廣闊的應(yīng)用前景。
圖3.手性多曲殼（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料的潛在應(yīng)用場(chǎng)景，如車(chē)輛/建筑防護(hù)層、頭盔懸掛系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)緩沖結(jié)構(gòu)、飛機(jī)起落架吸能組件等
研究成果以“基于壓扭與屈曲耦合機(jī)理的手性多曲殼吸能超材料”（Chiral multi-curved shell metamaterials integrating compression-torsion and buckling mechanisms for ideal energy absorption）為題，于12月12日發(fā)表于《自然·通訊》（Nature Communications）。
清華大學(xué)航院教授柳占立為論文通訊作者，清華大學(xué)航院已出站博士后劉陳續(xù)（現(xiàn)為北京工業(yè)大學(xué)研究員）為論文第一作者。其他作者包括清華大學(xué)航院2022級(jí)博士生張逸之、2020級(jí)博士生王興皓，北京交通大學(xué)土建學(xué)院教授于桂蘭，清華大學(xué)航院教授莊茁。研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國(guó)博士后科學(xué)基金等的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-66443-y
供稿：航院
編輯：李華山
審核：郭玲
