通过弹性不稳定性调控超材料的抗断裂性能

《Nature》：Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities

　　

摘要

长期以来，耐断裂材料的设计一直受到不同长度尺度上强化机制复杂性的阻碍^1，2。机械超材料为解决这一难题提供了有力途径，但目前的研究大多集中在对传统晶格结构中的断裂现象进行被动分析^{3，4，5，6，7，8}。近期研究显示，弹性不稳定性有望提升人工设计材料的性能^{9，10，11，12，13，14，15，16，17，18}；不过，这些特性与抗断裂性能之间的关联至今尚未被探索。本研究通过利用弹性不稳定性，证明可以主动调控机械超材料的断裂行为，从而将这两种原本相互独立的失效模式联系起来。通过实验与模拟相结合的方法，我们发现通过控制伪塑性超材料中的非弹性区域大小，可使材料从固有断裂行为转变为外部诱导的断裂行为，同时其断裂能量可提高一个数量级。这项工作标志着从被动观察断裂现象向主动控制断裂力学的转变，为设计具有特定抗断裂性能的超材料提供了新思路。我们的研究结果不仅深化了人们对超材料中不稳定性与断裂相互作用的理解，还为通过不稳定性设计来调控材料断裂行为提供了通用方法。