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結(jié)構(gòu)化材料的特性源于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)元素的幾何排列，其設(shè)計依賴于連續(xù)的成員網(wǎng)絡(luò)來控制整體的力學(xué)行為。

在此，加州理工學(xué)院Chiara Daraio教授和周文杰博士，美國能源部勞倫斯·利弗摩爾國家實驗室Xiaoxing Xia等人引入了一類由離散的串聯(lián)環(huán)或籠狀顆粒在三維網(wǎng)絡(luò)中相互鎖定形成的多串聯(lián)結(jié)構(gòu)化材料（PAMs），提出了一個通用的設(shè)計框架，將任意晶體網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)化為顆粒串聯(lián)和幾何形狀。在小外部載荷下，PAMs表現(xiàn)出非牛頓流體的特性，顯示出剪切變稀和剪切增稠的響應(yīng)，這些響應(yīng)可以通過它們的串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來控制。在較大應(yīng)變下，PAMs表現(xiàn)出類似于晶格和泡沫的特性，具有非線性的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。在微觀尺度上，我們證明了PAMs可以響應(yīng)施加的靜電荷而改變形狀。PAMs的獨特特性為開發(fā)刺激響應(yīng)材料、能量吸收系統(tǒng)和變形架構(gòu)鋪平了道路。

相關(guān)文章以“3D polycatenated architected materials”為題發(fā)表在Science上，也被評為本期Science封面論文！

研究背景

之前研究的結(jié)構(gòu)化材料大多被設(shè)計為具有剛性連接的桁架式、板式或殼基晶格，這些材料從周期性重復(fù)單元格或無序架構(gòu)的構(gòu)建中獲得有效的整體特性。它們可以展現(xiàn)出顯著的特性，例如，在保持輕量化的同時具有高強(qiáng)度、負(fù)泊松比以及剪切-正常耦合。根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的幾何形狀，它們展現(xiàn)出不同尋常或極端的力學(xué)特性，如較大的可重構(gòu)性、多穩(wěn)態(tài)響應(yīng)以及非線性彈性變形。在某些實現(xiàn)中，結(jié)構(gòu)化材料表現(xiàn)得像流體——例如，五模材料展現(xiàn)出近乎零的剪切響應(yīng)。顆粒晶體是一種由緊密排列的元素組成的規(guī)則陣列的結(jié)構(gòu)化材料，這些元素彈性相互作用。它們也展現(xiàn)出豐富的力學(xué)特性，如幾何硬化和非線性波傳播，這些特性源于單個顆粒的形狀、它們的拓?fù)渑帕幸约邦w粒的化學(xué)組成。然而，在沒有邊界約束的情況下，顆粒晶體是沒有凝聚力的，因為顆粒之間沒有粘合劑將它們連接在一起，它們在拉伸時不會產(chǎn)生阻力。

一種新興的結(jié)構(gòu)化材料是拓?fù)浠ユi織物，由二維（2D）串聯(lián)顆粒層組成，就像中世紀(jì)鎧甲中使用的鎖子甲，已被證明能夠支持可調(diào)的剛度和可控的形狀變形。作者將多串聯(lián)原理整合到在宏觀和微觀尺度上制造的三維結(jié)構(gòu)化材料中。與鎖子甲不同，三維多串聯(lián)結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出層間連接，這導(dǎo)致獨特的三維應(yīng)變重新分布、層間內(nèi)聚力以及可調(diào)的能量吸收。三維結(jié)構(gòu)化材料的巨大設(shè)計空間提供了前所未有的機(jī)會來定制力學(xué)特性。

主要內(nèi)容

本文提出了一個具有指定網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三維串聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計框架，以創(chuàng)建離散的環(huán)或籠狀顆粒構(gòu)建塊的互鎖排列，這些構(gòu)建塊具有可控的運動自由度（DOF）。這些單元與它們的鄰居對稱地串聯(lián)，鄰居們可以在互鎖機(jī)制的范圍內(nèi)相對彼此自由移動。我們還提出了一種將連續(xù)圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為它們的多串聯(lián)對應(yīng)物的設(shè)計策略，并展示了從選定構(gòu)建塊實現(xiàn)三維多串聯(lián)結(jié)構(gòu)化材料（PAMs）的情況。作者展示了顆粒幾何形狀的局部變化如何影響內(nèi)部DOF，進(jìn)而控制整體的可變形性和有效響應(yīng)。由于PAMs中顆粒-顆粒相互作用的離散性質(zhì)，其整體力學(xué)行為會隨著所施加載荷的不同，從類流體轉(zhuǎn)變?yōu)轭惞腆w，從剪切變稀轉(zhuǎn)變?yōu)榧羟性龀怼AMs對循環(huán)載荷具有韌性，并且具有可調(diào)的能量吸收，其可擴(kuò)展的響應(yīng)在宏觀和微觀尺度上都能持續(xù)存在。PAMs的特征行為源于相鄰顆粒之間的強(qiáng)烈表面相互作用，例如，在接觸和相對滑動中。通過增加樣品的表面積-體積比，可以在更小的尺度上進(jìn)一步利用這些相互作用。為了驗證這一假設(shè)，制造了微觀尺度的PAMs，并展示了它們能夠快速且可逆地響應(yīng)靜電荷而改變形狀的能力。

圖1：PAM設(shè)計策略。

圖2：PAMs的重力誘導(dǎo)松弛和單軸壓縮。

圖3：PAMs的剪切和流變學(xué)試驗。

圖4：可編程臨界干擾應(yīng)變。

圖5：PAMs的尺度獨立性與μ-PAMs的靜電驅(qū)動。

總的來說，本文介紹了一類多串聯(lián)結(jié)構(gòu)化材料（PAMs），作為在三維領(lǐng)域內(nèi)連接離散顆粒材料和連續(xù)結(jié)構(gòu)化材料的橋梁。本文設(shè)計策略合理地將離散的、拓?fù)浠ユi的顆粒映射到三維晶體網(wǎng)絡(luò)上。它們在堵塞狀態(tài)下的非線性彈性響應(yīng)，加上在未堵塞狀態(tài)下的非牛頓流體剪切變稀和剪切增稠行為，為需要適應(yīng)性剛度和能量耗散的應(yīng)用提供了一個多功能的力學(xué)平臺。這對于刺激響應(yīng)材料、軟體機(jī)器人和變形架構(gòu)尤其相關(guān)。

PAMs的材料行為高度依賴于它們的串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和顆粒幾何形狀，這兩者共同決定了顆粒間的自由度（DOF）。根據(jù)目標(biāo)力學(xué)性能的不同，不同的PAMs可以滿足不同的角色。例如，在需要大變形的應(yīng)用中，如形狀變形和軟體驅(qū)動，具有更大剪切變形能力的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如J-4環(huán)）更為理想。需要更大能量吸收的應(yīng)用則傾向于具有更高壓縮臨界堵塞響應(yīng)的PAMs（如T-6環(huán)），這些PAMs也表現(xiàn)出相關(guān)的應(yīng)變硬化特性。最后，對于結(jié)構(gòu)應(yīng)用，更硬的PAMs更有優(yōu)勢。這些PAMs的最佳代表是使用多邊形或立體幾何形狀顆粒幾何形狀的J拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PAMs（例如，J-4-正方形和J-4-八面體）。這項工作為創(chuàng)造具有前所未有的力學(xué)性能和響應(yīng)性控制的結(jié)構(gòu)化材料奠定了基礎(chǔ)。未來的研究可以解決這些材料對離散顆粒斷裂的韌性問題，并檢查它們的動態(tài)和波傳播響應(yīng)、非線性流變學(xué)以及熱和光學(xué)特性，還可以研究構(gòu)成材料和顆粒涂層的最佳選擇，以針對特定應(yīng)用。

文獻(xiàn)信息

Wenjie Zhou*, Sujeeka Nadarajah, Liuchi Li, Anna Guell Izard, Hujie Yan, Aashutosh K. Prachet,Payal Patel, Xiaoxing Xia*, Chiara Daraio*,?3D polycatenated architected materials, Science,

原創(chuàng)文章，作者：zhan1，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2025/01/17/90c3384f69/

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