大连理工褚金奎、长春工业张美玲团队《AFM》：张拉整体结构启发的预应力控制：实现机械超材料的原位多稳态与刚度可调

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-25 08:01

正文

机械超材料是一种由胞元结构设计结合几何排列拼接而成的人造材料，摆脱了传统材料对于组分的依赖，其奇异特性由其胞元参数与相互作用决定，表现出如负泊松比、双稳态等寻常材料不具备的物理特性，被广泛应用于多个领域。然而，受限于材料属性与工艺，多数结构仅能适配单一场景，制备后可调性有限。

为实现“单结构，多用途”的泛用性目标，大连理工大学褚金奎教授联合长春工业大学张美玲副教授团队介绍了一种多功能超材料结构。通过引入张拉整体结构概念以兼顾柔性与刚性，结合一体化刚-柔耦合张拉体制备工艺，赋予胞元显著的变形与恢复能力。受仿生猫舌倒刺和胡克定律的启发，设计了一种适用于一体化制备的预应力档位编程结构，提供单胞多级预应力编程能力。可调控的预应力使双胞配列实现单稳态至双稳态的原位变换，并提供双稳态的多级临界力功能。九胞拼接后表现出显著的刚度可调能力，并衍生为无需额外工具的原位软-硬与差异化力-位移响应功能、以及调整梯度刚度实现的可控溃缩比与可控变形。

这一研究成果以题为“Tensegrity-Inspired Pre-stress Control for Programmable Multistability and Stiffness in Mechanical Metamaterials”发表在最新一期的《Advanced Functional Materials》上，文章第一作者是大连理工大学机械工程学院博士研究生王振宇。

【机构、结构设计与制备策略】

图1 可变预应力超材料的机构、结构设计与制备策略

在机构与结构设计层面，为赋予胞元变形与可编程能力，研究者们将超材料胞元融合张拉整体结构的概念，替换部分刚体为弹性体（图1a~c）。在此基础上，受猫舌倒刺舔舐物品的启发，设计了适用于一体化制备工艺的“棘齿”可编程预应力结构。将传统变刚度的Fn=KnX模式（更改弹性体K，长度X不变）转换为不需要更换弹性体的Fn=KXn模式（弹性体K不变，更改X），实现单胞结构预应力等级的在体切换（图1d）。结合低成本的一体化刚-柔耦合制备工艺（综合双喷头熔融沉积3D打印工艺与牺牲模具浇筑方法），制备了具备多级预应力调控的超材料结构（图1e）。

【刚-柔耦合一体化设计基准及制备工艺】

图2 刚-柔耦合一体化设计基准及制备工艺

在制备工艺层面，研究者们首先对一体化成型工艺中，增材制造步骤涉及到的间隙控制、连通式浇筑沟道设计、刚柔接触增强以及原位成型旋转副等工艺参数进行设计表征（图2a~d）。在此基础上，结合浇筑工艺及后处理完成超材料的制备（图2e）。

【单胞张拉特性复现能力与可调预应力】

图3 单胞张拉特性验证与可调预应力功能

张拉整体结构因其卓越的变形、自恢复以及变刚度功能受到广泛关注。研究者们首先验证了单胞结构的张拉特性复现程度。结果表明胞元具有较好的变形-自恢复、抗疲劳性能（图3a~d）。验证“棘齿锁定机制”的推入与锁定力基准后（图3e~f），标定单胞结构单侧、双侧调控的预应力数值，证明其多级预应力调控能力（图3g~i）。

【双胞配列的多稳态原位变换】

图4 双胞配列的多稳态原位变换

为拓展预应力调控对整体结构的贡献，研究者们拼接了双胞配列并建立了Von Mises双稳态桁架模型，通过关注“临界力”的变化确定最优几何参数（图4a~c）。实验证明了单胞预应力的调控不仅改变了自身力学属性，同时也会影响与之拼接的胞元行为。具体表现为低预应力等级（a-1）的单稳态响应，及高预应力等级（b-2及以上）时的双稳态响应。此外，引导状态切换的临界力也会随着预应力等级的提高而增加（图4d~f）。基于此特性拓展了两种开关应用（图4g）：（1）需持续加载以保持线路连通的“点动开关”（低预应力）；（2）单次点击后撤去负载依然保持线路连通的“保持开关”（高预应力）。

【九胞配列的刚度调控】

图5 九胞配列功能验证

延伸拼接至九胞配列后，超材料的负泊松比特性得以体现（图5a~b）。并且，单胞的预应力调控拓展出更为显著的结构可调性，表现为九胞拉伸-压缩实验中不同预应力级别对应的差异化力-位移响应与吸能指标（图5c~f）。单点冲击的峰值作用力同样验证了结构的刚度变化（图5g~i）。

图6 压痕阻力与梯度刚度调控

冲击试验证明了刚度调控的有效性，表现为：“软”时的低吸能与高溃缩比，以及“硬”时的高吸能与低溃缩比（图6a，c）。来源于负泊松比的“压痕阻力特性”在分点位冲击中表现出近似的胞元聚集效果（图6b）。此外，通过调控列刚度促使结构在相同点位冲击下的差异化变形，体现其可控变形潜力（图6d）。

【汽车平台的应用潜能】

图7 于汽车平台的应用潜能

最后，研究者们针对可变预应力超材料的功能总结出三种应用于汽车平台的应用潜能。分别为：（1）防撞系统中的吸能盒刚度调控（图7a）。（2）座椅系统的人体工学刚度调控（图7b）。（3）轮胎系统的刚度调控匹配多样化路面（图7c）。

【总结】

研究者们在机械超材料胞元设计中融合张拉整体结构概念，利用“棘齿”锁定结构原位更改弹性体长度，赋予一体化制备胞元的可调预应力功能。通过改变相邻胞元预应力实现原位多稳态行为与临界力可调功能。拓展为九胞配列后，基于可调控刚度实现了压痕阻力、多样化力-位移响应、可控溃缩比以及可控变形功能。

来源：高分子科学前沿

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