Nature刊发国防科技大学的超结构原创研究

2025年3月13日，Nature刊发国防科技大学方鑫研究员等人的论文“Large Recoverable Elastic Energy in Chiral Metamaterials via Twist-Buckling”。

几乎所有工程结构和装备机体都需要轻质、高刚度、高强度、高韧性材料与结构，兼顾这些属性意味着结构具备高弹性能(机械能)储能密度(ϕ)、高承能力性以及优异的抗冲击、轻量化、小型化和运动灵敏度。然而，材料和结构长期面临密度与刚度/强度、强度与韧性之间的矛盾 (少数纳米材料除外)。

机械/力学超材料结构（简称超结构）能通过拓扑构型设计与变形模式调节产生刚度增强、变形重构与波动调控特性，如图1所示。轻质高刚度超结构普遍具有多孔桁架阵列构型，在压缩载荷作用下，内部基元会屈曲，其可恢复的极限弹性变形能力ɛlimit（韧性）受基元材料强度σv约束（图1h）。压实前，屈曲平台应力最大值决定了整个超结构的承载强度σbk。通过深入分析发现，现有超结构的屈曲强度与韧性、极限弹性能量密度与韧性之间也满足类似材料强度与韧性之间的反比规律：此消彼长，无法兼顾。突破这一长期存在的科学难题必须探寻新原理。

对此，国防科技大学方鑫等人提出一个新原理：用压缩扭转屈曲结构替代压缩弯曲屈曲结构作为桁架结构的基元，构造可自由扭转的手性胞元来诱发所需的“扭曲”模式，依此创造出新的手性超结构。然而，理解扭曲的产生过程和变形-强度协同机理面临更大难题，原因在于杆件结构扭曲是一个复杂的三维强非线性变形模式，难以建立其三维变形的几何表述、载荷平衡关系、变形相容关系、变形与结构强度关系的力学方程，成为了近现代一直悬而未决的经典力学问题。方鑫老师经过多年摸索，尝试了近三十种建模方法，找到了手性扭曲问题的解析解，建立了“手性扭曲理论”。如图2所示，所建立的手性解析模型能在20%变形范围内准确计算结构变形。

如图3所示，大量理论与实验测试表明，相比现有非手性轻质结构，这种手性结构也能提供高刚度、承受大变形、将承载屈曲强度提升5-20倍、将弹性应变能密度提升2-160倍以上，打破了传统认知中的材料与结构力学性能”禁区”。手性扭曲理论揭示了这类结构产生高刚度、高强度、高储能的力学奥秘：压缩扭曲包含了多种变形模式，可以在几乎不增加基杆应力的前提下通过扭转和面外变形额外存储一倍以上的能量，从而能在相同材料强度约束下大幅提升整体超结构力学性能。研究成果为各类轻质高强韧结构设计提供了新原理，也将结构扭曲问题的研究向前推动一大步。

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