超材料是一種工程材料，具有獨特的屬性和先進的功能，這是其微結構組成帶來的直接結果。雖然最初的特性和功能僅限於光學與電磁學，但在過去十年中出現了許多新型超材料，它們在許多不同的研究和實踐領域都有應用，包括聲學、力學、生物材料和熱工等。過去十年，旨在設計、模擬、製造和表征不同類型的超材料的研究在廣度和深度上都出現了爆炸性增長。這種前所未有的增長主要發生在三大發展的交匯處，這些發展相互加強，並促進了超材料的研究。
3D科學谷白皮書
上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊將柔性的可編程自然纖維與穩定的石墨烯超結構相結合，實現了一種新型兼具低衝擊應力與高機械吸能的超軟抗衝擊超材料。
圖 1 將石墨烯超結構與可編程仿生自然纖維相結合的新型抗衝擊超材料設計與成形
上海交通大學
/ 超軟抗衝擊超材料
航空航天輕質構件的抗衝擊性能是由其填充結構複雜的動態載荷行為決定的。為實現優異的衝擊防護性能，結構需滿足低衝擊強度、長應力平台、高衝擊恢復、高衝擊吸能等諸多複雜的非線性力學指標。現有輕質抗衝擊結構由於其較為單一的幾何設計，難以同時難度諸多相互牽制的非線性衝擊性能需求，從而在保持較低衝擊強度的同時吸收大量的衝擊能量。
據此，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊將柔性的可編程自然纖維與穩定的石墨烯超結構相結合，實現了一種新型兼具低衝擊應力與高機械吸能的超軟抗衝擊超材料。實驗結果顯示，這類新型抗衝擊超材料相比於現有超材料實現了86%的衝擊強度降低、42%的衝擊能量衰減率降低與135%的能量吸收效率提升。該研究還通過數據驅動的智能設計實現了新型抗衝擊構件可編程的衝擊力學曲線，為航空、國防等高端應用領域新型構件的定製化複雜動態機械性能提供了可能。相關研究成果以題目為：「Additive manufacture of ultrasoft bioinspired metamaterials」的論文在高水平期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上發表，博士生高振洋為第一作者，王洪澤副教授與吳一副教授為共同通訊作者，共同作者還包括博士生任芃源，博士後唐梓珏和王浩偉講席教授。
該研究基於分子尺度的石墨烯二維結構構建了穩定抗衝擊層，並利用微觀尺度的仿生自然纖維作為相鄰石墨烯層的可編程柔性連接。這類新穎的超材料結構設計可利用其抗衝擊層的穩定石墨烯結構提升材料的平台期應力並延後整體結構的屈曲失效，同時通過可編程柔性纖維杆基於新型的收縮變形模式有效分散衝擊過程構件的應力。為實現這類複雜多級結構的穩定成形機械性能，文章還提出了一種面向增材製造複雜多級結構的新型可成形性分析方法，該方法可在設計階段基於製造體素分布對複雜結構成形構件的表面缺陷與機械性能進行快速預測，通過在設計模塊引入可成形分析算法保證了整體構件穩定的成形性能。實現了新一代超軟可編程抗衝擊超材料的設計與增材製造（圖1）。
圖 2 超軟抗衝擊超材料與傳統超材料在動態載荷下的複雜變形機理
上海交通大學
圖 3 不同預編程纖維連接的石墨烯超結構在動態載荷下的變形過程
上海交通大學
文章數值模擬結果（圖 2）表明，相比於現有超結構，石墨烯抗衝擊層具有更為穩定的動態機械性能與均勻的應力分布，整體結構具有明顯延後的屈曲失效。同時，其逐層連接的柔性纖維可進一步降低其衝擊層的應力集中，從而實現理想的抗衝擊性能。實驗觀測的變形失效結果（圖 3）進一步表明，這類新型抗衝擊超材料中不同幾何形態的纖維杆在動態壓縮過程中具有與傳統杆件截然不同的收縮變形現象，且隨著纖維根數的增加與纖維扭曲角度的變化，這一現象變得更為明顯，為這類超材料的可編程化設計提供了可能。
圖 4 超軟抗衝擊超材料不同纖維組分的機器學習模型
上海交通大學
通過實驗研究不同衝擊速度與纖維成分下超材料的衝擊強度、衝擊吸能效率與多次衝擊能量衰減等多類動態機械性能，研究人員進一步構建了針對複雜抗衝擊超材料的機器學習動態多力學性能預測模型（圖4），通過快速性能預測通過可編程纖維成分設計實現了這類超軟抗衝擊超材料的動態機械性能定製與結構深度優化。相比於傳統超材料，該論文提出的超軟抗衝擊超材料實現了可編程的顯著衝擊應力降低與吸能效率提升（圖5），為航空航天、船舶等應用的新型抗衝擊構件提供了理論支持。
圖 5不同纖維組分下超軟抗衝擊超材料與傳統超材料的衝擊性能
上海交通大學
圖 6基於Modified Rules of Mixture模型的智能可編程抗衝擊超材料復合纖維組分設計
上海交通大學
同時，文章基於不同組分纖維比例超材料的動態多性能調控提出了新型的Modified Rules of Mixture超材料復合結構多性能設計模型（圖6），可針對Material Property Chart中不同復合成分超材料性能設計節點連接多邊形內的任意性能點提出復合定製化的超材料智能纖維成分設計，為高度定製化的抗衝擊構件提供了可能。文章表明，這類新型超軟抗衝擊超材料可與不同衝擊能量範圍的防護裝備靈活結合（圖7），在不同應用場景中實現衝擊應力的大幅降低與智能化可編程的區域衝擊性能調控，對航空航天、機器人等先進構件中的智能抗衝擊材料具有指導意義。
圖 7超軟抗衝擊超材料在不同衝擊能量範圍的應用
上海交通大學
上海交通大學特種材料所是金屬基復合材料國家重點實驗室的重要組成部分，由王浩偉教授任負責人。團隊近期在增材製造結構設計領域研發了具備失效可編程的仿生多級蜂窩球形結構超材料，基於逐層失效與晶界強化實現了同密度超材料72%的比吸能提升，相關成果發表於Composites Part B: Engineering上；基於自然纖維，團隊還提出了數據驅動新型纖維結構超材料，相比於密度超材料實現了可編程的非線性機械性能與近10倍的可恢復能量吸收提升，相關成果發表於Composites Part B: Engineering上。
團隊現長期誠聘雷射增材製造/雷射成形工藝和裝備，增材製造材料表征（微觀組織、力學性能、疲勞），增材製造過程同步輻射成像、增材製造創新結構設計等方向博士後。聯繫人：王洪澤 ([email protected])
論文連結：
doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104101
doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110345
doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110468