国防科大团队发现了超弹高能金属超结构及重载超低频隔振设计方法

近日，顶刊Advanced Materials（IF:26.7）刊发了国防科技大学方鑫等人的论文“Supercoiled superelastic metallic metamaterials for high energy density and heavy-duty vibration mitigation”（具有高能密度和重载隔振能力的超螺旋超弹性全金属超材料）。

图1 超弹性超螺旋全金属超材料结构

超弹性材料能承受可恢复超大弹性变形，但超弹性此前仅能通过聚合物、橡胶、少数纤维材料或在纳米尺度实现，导致刚度、承载能力、环境适应性、可扩展性都较弱。力学/机械超材料有望产生自然材料难以实现的准静态和动态力学性能。能够同时具备高承载能力、高弹性储能极限、超弹性的“金属超材料”是能量吸收、冲击防护、减振隔振以及结构轻量化领域梦寐以求的目标，但在金属体系中同步实现高承载-高能量-超弹性仍然极具挑战，尤其是在宏观尺度，即便是方鑫等人最新发展的手性扭曲构型，采用金属制备宏观构型时，其可恢复应变也仅约5%。

图2 不同超材料构型性能对比：(a)承载屈曲强度与极限应变的关系；(b) 承载能量密度与极限应变的关系。

除金属本身强度的限制外，该论文根据解析模型与数值计算发现：其主要瓶颈源于超材料结构的构造方式——即基于杆、梁或壳等基元构建晶格结构，这类构造方式具有内禀的“尺度约束律”：使基元变得“细长”带来的弹性变形能力提升速度（r1）远远小于超材料的屈曲承载强度与极限能量密度的下降速度（r3），如图2蓝线所示。要突破这些限制，亟需对构造方式进行根本性变革。

对此，该论文提出一种受DNA启发的超螺旋设计原理，如图1所示：基于手性扭曲原理，以螺旋基元替代传统杆件，使超材料元胞在压缩下发生全局扭转屈曲变形，构成多级超螺旋结构。这种超螺旋构型同步提升了承载能力和能量存储能力，且有效缓解了应力集中，实现了高达50%的可恢复应变，使屈曲强度提升至传统密排棱柱晶格的3倍，能量密度提升4倍。

该论文尝试了多种加工工艺制备了全金属样品，采用循环加载下验证了其高能力学特性。该文修正了方鑫此前建立的非线性扭曲理论，使其更精确、适用于超大变形的扭转屈曲和超螺旋体，依此开展了深入研究，阐明了超螺旋的性能提升机理：全局扭转提升强度与能量密度、局部曲率则确保超弹性行为。

在此基础上，该文发明了手性准零刚度隔振器：该隔振器在维持超低共振频率（1-2Hz）的同时，承载能力比现有设计高出100-1000倍，成功弥合了高承载能力与低频隔振之间的关键鸿沟，并突破了传统弹簧隔振器的理论极限，如图3所示。

图3 手性超螺旋准零刚度隔振器：(a) 实验图；(b) 不同承载下的振动传递率；(c) 不同隔振器的固有频率与承载力密度之间的关系

这项研究建立了通用、可扩展且易于制造的超弹高能金属超材料设计原理，为振动抑制、能量吸收和防护结构等先进应用开辟了全新路径。国防科技大学智能科学学院方鑫研究员是论文第一兼通讯作者，研究工作得到学校自主科研基金颠覆性技术项目、国家自然科学基金专项项目等资助。方鑫研究员发表SCI论文近50篇，其中，以第一作者在Nature、Nature Materials、Advanced Materials、Nature Communications等高水平期刊发表SCI论文19篇。