路易斯酸催化的过渡金属化合物在4H-SiC（0001）化学机械抛光中的机理研究

《Materials Science and Engineering: B》：Mechanistic study of Lewis acid-catalyzed transition metal compounds for chemical mechanical polishing of 4H-SiC (0001)

可折叠架构不稳定超材料通过结合可逆多稳态机制与柔顺折纸策略，在保持高能量吸收效率的同时实现体积压缩，有限元分析与实验表明其性能损失不超过3.6%，适用于空间受限场景。

　　在现代工程和材料科学领域，能量吸收材料在各种应用场景中发挥着至关重要的作用。这些材料通常用于保护系统免受冲击或碰撞带来的损害，例如汽车安全装置、航天器着陆系统、战术车辆防护结构以及城市空中交通（eVTOL）设备的缓冲部件等。传统能量吸收装置依赖于不可逆的塑性变形来耗散冲击能量，这使得它们只能使用一次，无法重复利用。然而，在某些需要频繁使用或受限于空间的系统中，这种单次使用的特性显得并不理想。因此，研究者们开始探索能够实现可重复使用且具备高能量吸收性能的新型材料。

近年来，基于架构不稳定性的超材料（Architected Instability-based Metamaterials, AIMs）为解决这一问题提供了新的思路。这类材料通过可逆的多稳定机制实现能量耗散，而非依赖于材料本身的性质。与传统材料相比，AIMs具有更轻的密度、更高的比刚度以及出色的能量吸收能力。然而，现有的AIMs设计通常需要较大的表面积来实现足够的能量耗散，这在空间有限的平台（如航天和航空系统）中带来了挑战。为了克服这一限制，本文提出了一种基于“剪纸”（kirigami）折叠策略的可折叠AIMs设计，使得材料能够在运输时被压缩为紧凑的体积，而在部署时展开为功能性结构，从而兼顾可重复使用性和空间适应性。

该设计的核心在于利用几何结构和拓扑连接来实现材料的可折叠性。具体而言，可折叠AIMs由一系列相同的正则形状单元（如等边三角形、正方形和正六边形）构成，并通过“哈密顿回路”（Hamiltonian circuit）的方法连接这些单元。哈密顿回路是一种数学概念，表示一个路径能够访问所有单元一次，从而形成一个闭合的循环结构。通过在路径上设置铰链，这些单元可以在折叠过程中保持结构的完整性，而在展开时恢复其原始形态。此外，为了实现折叠过程中的无干扰连接，设计中引入了细小的切口（slits），这些切口使得单元之间可以进行刚性折叠，同时保持其厚度一致，从而避免了在折叠过程中出现不必要的应力集中。

这一设计策略的关键优势在于其能够在不牺牲多稳定性和能量耗散能力的前提下，实现材料的可折叠性。在运输和存储过程中，AIMs被折叠为紧凑的结构，从而显著减少了其占用的空间。而在实际使用时，这些材料可以迅速展开，恢复其原有的能量吸收功能。这种可折叠性不仅提升了材料的实用性，还为未来的工程应用提供了更大的灵活性，尤其是在空间受限的场景中，如航天器或无人机等设备。

为了验证这一设计的有效性，研究团队通过有限元分析（FEA）和实验测试对可折叠AIMs的机械性能进行了评估。实验结果显示，可折叠AIMs在展开后的机械性能与传统单体AIMs非常接近，其能量耗散能力仅略有下降，且在可接受的范围内。具体而言，在等边三角形结构中，可折叠AIMs的能量耗散能力与单体AIMs相比仅下降了约3.60%，而在正方形和正六边形结构中，下降幅度分别为5.54%和7.39%。这些数据表明，通过引入折叠机制，AIMs仍然能够保持其原有的高性能特性，同时具备可重复使用和可部署的优势。

此外，实验中还发现，某些单元在折叠过程中未能完全进入第二稳定状态，这可能是由于边界条件不够理想或存在一定的摩擦效应所致。然而，这些现象并未对整体性能产生显著影响，且在设计中已经通过引入锁扣机制（locking notches）加以优化。这些锁扣机制通过在铰链腔体两侧设置凹凸结构，确保在展开后单元之间的连接稳固，从而防止因重复折叠而造成的结构损伤。这种设计不仅提升了AIMs的机械稳定性，还增强了其在长期使用中的可靠性。

在折叠过程中，不同拓扑结构表现出不同的折叠难度和效率。例如，等边三角形AIMs的折叠过程较为简单，其自由度（degrees of freedom, DoF）较低，只需两个自由度即可完成折叠。相比之下，正方形和正六边形AIMs由于具有更多的自由度，折叠过程更为复杂。然而，这种设计的灵活性也使得它们能够适应更广泛的应用场景，例如需要在不同方向上提供能量吸收的结构。通过调整单元之间的连接方式和折叠路径，研究团队展示了如何在不同拓扑结构中实现高效的折叠与展开过程，同时保持材料的性能不受影响。

从更广泛的角度来看，可折叠AIMs的设计不仅适用于能量吸收材料，还为其他类型的超材料提供了新的思路。例如，周期性晶格结构、旋转对称的螺旋结构以及具有随机单元排列的非周期性结构都可以借鉴这一折叠策略。通过引入可折叠性，这些材料可以在不改变其基本性能的前提下，实现更紧凑的存储和更高效的部署，从而在空间受限的平台上发挥更大的作用。

研究团队还强调，这一设计方法具有高度的可扩展性和通用性。通过调整单元的几何参数和连接方式，可以进一步优化材料的性能，以适应不同的应用场景。例如，在航天器或无人机等设备中，材料需要在极端环境下保持其功能性和稳定性，而可折叠AIMs的设计恰好能够满足这一需求。此外，未来的研究可以探索将智能材料（如形状记忆合金、液晶弹性体或磁响应聚合物）集成到折叠结构中，从而实现材料的自主响应和自适应变形。这种智能化改造将使AIMs不仅能够被动地吸收能量，还能根据外部刺激（如温度、电场或磁场）主动调整其形态，从而提供更灵活的保护功能。

在实际应用方面，可折叠AIMs展现出广阔的发展前景。它们可以用于构建可重新配置的航天结构，例如可折叠的卫星天线或可变形的飞行器外壳。此外，这些材料还可以应用于模块化防护系统，如可快速展开的应急避难所或可变形的军用车辆防护装置。在城市空中交通领域，可折叠AIMs能够为频繁起降的飞行器提供可靠的缓冲功能，同时减少设备的体积和重量，提高整体效率。

总体而言，本文提出了一种创新的可折叠AIMs设计，结合了“剪纸”折叠策略和多稳定机制，实现了材料的可重复使用性、可部署性和高性能能量吸收能力。这一研究不仅拓展了AIMs的应用范围，还为未来智能材料和结构的发展提供了新的方向。通过进一步优化设计和探索智能材料的集成，可折叠AIMs有望成为解决空间受限平台中能量吸收需求的关键技术。