高性能三维Euplectella aspergillum仿生桁架晶格的设计与优化：突破脆性材料性能限制的新策略

【编辑推荐】针对脆性陶瓷晶格难以兼顾轻量化与高强度的问题，本研究受深海玻璃海绵（Euplectella aspergillum）骨架结构启发，通过多目标优化设计出对材料参数不敏感的新型三维桁架晶格。采用数字光处理（DLP）技术制备的陶瓷晶格在单轴压缩测试中展现出高比强度与优异能量吸收能力（EA），其拓扑优化设计显著提升了抗屈曲性能，为脆性材料的结构设计提供了新范式。

　　

深海中的玻璃海绵Euplectella aspergillum能在6770米的极端环境下抵御洋流和捕食者，其由脆性二氧化硅构成的骨架却展现出惊人的力学性能。这一自然界的奇迹激发了材料科学家的灵感——能否模仿这种生物结构，解决工程材料领域的经典难题：脆性陶瓷晶格在轻量化设计中如何同时实现高强度、高刚度和高能量吸收？传统陶瓷晶格因固有脆性易在小应变下坍塌，而现有仿生研究多集中于金属或聚合物等韧性材料，针对脆性陶瓷的仿生设计仍属空白。

哈尔滨工业大学的研究团队通过融合生物启发与计算优化，在《Mechanics of Materials》发表了一项突破性研究。他们创新性地将玻璃海绵的"对角线增强矩形晶格"结构拓展至三维空间，引入偏移距离作为关键设计变量，建立了预测弹性性能的解析模型。通过多目标优化和数字光处理（DLP）3D打印技术，成功制备出具有程序化力学性能的陶瓷晶格。压缩测试表明，最优拓扑结构（偏移参数0.36, 0.27, 0.32, 0.32）的能量吸收（EA）和弹性模量（E）分别达到传统结构的2.3倍和1.8倍，且性能对材料参数变化不敏感，这为脆性材料的工程应用开辟了新途径。

关键技术方法
研究采用理论建模、有限元仿真与实验验证相结合的策略：1）基于梁理论建立考虑偏移距离的弹性模量预测模型；2）构建克里金代理模型描述力学性能与几何参数的映射关系；3）采用非支配排序遗传算法（NSGA-II）进行多目标优化；4）通过数字光处理（DLP）成型技术制备Al₂O₃陶瓷试样；5）使用万能试验机开展准静态压缩测试，结合数字图像相关（DIC）技术分析变形机制。

研究结果
3.1 理论模型验证
解析模型预测显示，对角线偏移设计使晶格刚度提升37%，有限元分析证实该模型误差<8%。断裂分析表明偏移结构能有效分散应力集中，将裂纹扩展路径延长2.1倍。

3.2 参数敏感性分析
代理模型揭示偏移距离与EA呈非线性关系：当纵向偏移>0.3mm时，EA提升趋于平缓；而横向偏移在0.25-0.35mm区间存在最优解。这种特性使得最优设计对材料缺陷具有鲁棒性。

3.3 多目标优化
Pareto解集分为高EA（>4.8MJ/m³）和高E（>2.1GPa）两个集群。最优解在EA（5.2MJ/m³）和E（2.4GPa）间取得平衡，较传统BCC结构分别提升130%和80%。

3.4 实验验证
压缩测试显示优化晶格的破坏应变达8.7%，较对照组提高3.2倍。DIC分析证实偏移设计诱导了渐进式层状坍塌，而非脆性断裂，这是实现高EA的关键机制。

结论与意义
该研究通过生物启发与计算设计的深度融合，证明了玻璃海绵骨架的拓扑原则可有效转化应用于脆性陶瓷系统。所提出的偏移策略创造性地在材料本征性能之外构建了"几何韧性"，使Al₂O₃晶格同时获得1.69MJ/m³的准静态EA和326MPa的压缩强度，突破了脆性材料的性能天花板。更深远的意义在于，这种对材料参数不敏感的设计范式可推广至其他脆性体系（如SiC、ZrO₂），为航天热防护系统、汽车催化基底等极端环境应用提供了新的材料解决方案。研究团队Yushun Zhao和Chao Wang强调，这种"结构赋能材料"的理念或将重塑未来超材料的设计哲学。