【研究前沿】南京理工吴迎、武汉科大李响联合团队:化整为零的3D自锁颗粒超材料

近日，受苍耳子（图1A）启发，南京理工大学吴迎、武汉科技大学李响联合团队设计并制备了一种全新的3D自锁颗粒超材料（图1B）。该材料由离散的颗粒组成，可根据需求实现整体结构的拆分和重构。这一成果首次实现了无外约束的3D自锁颗粒超材料，为发展下一代自适应、可循环的智能防护与缓冲系统提供了全新的设计思路。相关研究成果以“3D Self-locking Granular Metamaterials”为题发表于综合性期刊Science Advances。

颗粒结构由内部椭圆颗粒（图1D）及外部自锁钩爪（图1F）组成。该材料无需任何外部约束，仅通过颗粒间的自锁即可形成稳定的自支撑结构（图1G）。研究表明，该材料在拉伸、剪切、压缩与冲击载荷下均展现出独特的力学行为，并实现了完整的可拆卸与可重复使用。

图1 自锁颗粒设计与表征

独特的自锁机制赋予了3D自锁颗粒材料稳定的承载能力和高断裂延展性。3D自锁颗粒材料在拉伸时线、面以及体结构（图2A）表现出稳定的拉伸强度（图2D和2E）。得益于拉伸过程中的颗粒转动，体结构拉伸时表现出逐步解锁现象（图2F），增加了材料断裂延展性及能量吸收能力（图2G）。进一步的研究表明，规则排列的颗粒材料表现出稳定的刚度性能（图2J）。

图2 3D自锁颗粒超材料拉伸行为

3D颗粒材料剪切时表现出流体到固体特质的转变（图3F, 3H）。在剪切初期，由于钩子之间存在初始间隙，组装体可以像流体一样发生几乎无阻力的相对滑动。一旦剪切位移达到临界值，钩子之间完全啮合接触，结构瞬间“锁定”，转变为能够抵抗高剪切力的固体状态（图3G）。这种行为转变是内禀的、可逆的。通过设计单元的不同空间排列，可以编程调控发生转变的临界位移与锁定后的剪切刚度，为实现高度可调的剪切界面提供了基础。     

图3  3D自锁颗粒材料剪切行为

颗粒渗透进一步提升颗粒材料的能量吸收能力。颗粒材料在压缩时，颗粒间的拆分和重构使得上层颗粒会渗透到下层颗粒的空隙之间，这个过程延缓了所有孔隙被完全压实的进程，从而提高了颗粒材料的密实化应变（图4B）。致密结构的致密化应变约为0.42（图4A）。Pyramid结构的致密化应变随着层数的增加而增大，理论极限可接近100%（图4C, 4D）。随机结构具有较多的孔隙，可产生较高的密实化应变（图4E, 4F）。Pyramid结构的能量吸收能力随着层数的增加而增大（图4G）。

图4 3D自锁颗粒材料的循环加载和可重复使用性能

3D颗粒超材料具有极高的可重复使用特性。图4H为随机结构的四次循环压缩应力-应变曲线，随着压缩应变逐次增大，残余应变增加而回弹比下降。图4I表明，即使在高达0.7的压缩应变下进行100次加载循环后，结构损伤极小，且应力-应变曲线保持高度一致。这证明了自锁单元在经历多次大变形后，仍能保持力学性能的稳定，具有优异的可重复使用潜力。

3D颗粒超材料在防护和吸声领域的潜在应用。冲击实验（图5A）表明3D自锁颗粒材料表现出与泡沫颗粒（图5B）同等优秀的冲击防护能力（图5C）。3D自锁颗粒材料的循环冲击防护能力更好（图5E, 5F）。循环冲击实验表明，3D自锁颗粒材料在100次冲击后仍具有较高的冲击防护能力，而泡沫颗粒在80次冲击载荷后冲击防护能力大大降低。进一步的观察发现在80次冲击后有65%的泡沫颗粒发生了损坏。而3D自锁颗粒材料在120次冲击后只有27%的损坏（图5G）。此外，3D自锁颗粒材料颗粒部分的多孔设计和钩子互锁形成大量的孔隙使得它们在声学调控及宽带吸声等领域有着广泛的应用前景。

图5 冲击防护性能评估与应用潜力

综上所述，该工作在连续固体材料和离散颗粒材料两种材料之间建立起了一座桥梁，实现了材料的化整为零与化零为整的完美统一。这种结构不仅具备稳定的形状和承载能力，高能量吸收能力，还能够在加载后保持结构完整并重复使用，解决了传统材料拆分后不可重构的问题。为未来多功能动态超材料的研发开辟了新方向。

南京理工大学物理学院吴迎副教授和武汉科技大学物理与力学学院李响副教授为论文共同通讯作者。南京理工大学硕士研究生刘童童、孙涛为共同第一作者，南京理工大学曹宁、沈悦、王凯伦、龙海超、郭永彬副教授、张扬副教授等研究人员亦作出重要贡献。该研究受到国家自然科学基金青年项目和中央高校基本科研业务费的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1126/sciadv.aec8845

审核：力学家