清华大学力学与工程交叉研究院团队首次利用弹性失稳主动编程超材料断裂行为

 断裂是材料和工程结构最常见、也最难控制的失效方式之一。过去一百多年来，断裂力学的发展极大提升了人们对裂纹萌生与扩展规律的认识，但如何主动“编程”材料的断裂行为，仍然是该领域长期追求的重要目标。

与断裂不同，失稳通常被视为另一种需要避免的结构失效模式。然而，近年来力学超材料领域的研究发现，弹性失稳不仅能够实现形状重构、快速致动等功能，还可能成为一种全新的力学设计工具。令人意想不到的是，断裂与失稳这两种传统上彼此独立的失效机制之间其实存在着深刻联系。清华大学力学与工程交叉研究院高华健院士团队基于力材料学（Mechanomaterials）范式，利用弹性失稳实现了对力学超材料断裂行为的主动编程与调控，从而在超材料体系中将断裂与失稳这两种长期独立的失效模式关联起来。

传统增韧策略主要分为两类：外禀增韧能够阻碍裂纹扩展，而内禀增韧则能同时提高材料抵抗裂纹萌生和扩展的能力。内禀增韧通常依赖于裂纹尖端附近非弹性区内的能量耗散。然而，在绝大多数工程材料中，非弹性变形高度局域于裂尖周围，通过改变材料成分来扩大非弹性区尺寸往往收效有限。为此，研究团队提出利用结构的弹性失稳来调控伪塑性超材料（pseudoplastic metamaterials）中非弹性区尺寸的新策略，使之从高度局域化的裂尖区域扩展为遍布整个结构的分布式区域。区别于传统材料依靠不可逆塑性变形耗散能量，该类超材料的宏观响应源于弹性失稳诱导的结构变形，在裂纹扩展前具有完全可恢复性。这一策略实现了断裂行为的转变，使断裂韧性从本征材料属性转变为具有尺寸依赖性的外在参量，同时实现了断裂能高达一个数量级的提升。研究团队进一步揭示了超材料断裂过程中独特的能量耗散机制——结构非弹性（structural inelasticity），即源于拓扑结构而非本体材料塑性的能量耗散过程。利用结构非弹性，研究团队实现了一种新型内禀增韧机制，为主动调控超材料断裂韧性提供了有效途径。该研究工作建立了断裂与失稳这两种不同失效模式之间的关联，证明了弹性失稳可作为主动编程和调控断裂行为的有益设计工具，为后续深入探索二者之间丰富的相互作用开辟了研究方向。

利用弹性失稳实现超材料断裂行为的主动编程和调控

研究成果以“利用弹性失稳编程超材料断裂韧性”（Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities）为题，于7月15日发表于《自然》（Nature）。

清华大学力学与工程交叉研究院高华健院士、教授李晓雁为论文通讯作者，助理教授王宇嘉为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金委员会杰出青年科学基金项目、重大研究计划集成项目、清华大学力学与工程交叉研究院启动经费、清华大学笃实计划等的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-026-10804-0

供稿：航院

编辑：杨雪文

审核：黄思南 郭玲