航院柳占立课题组合作报道耦合压扭与屈曲机理的手性多曲壳吸能超材料
清华新闻网12月25日电 吸能结构与材料经历了百余年的发展，已广泛应用于航空航天、机械、土木等诸多领域，对保障人类生命健康、提升工程结构可靠性、确保设备稳定运行等方面发挥着关键作用。近年来，虽然吸能超材料在轻质、高强等方面取得了飞跃式发展，涌现出多种新型拓扑设计策略，但仍普遍面临一个核心矛盾：难以同时兼顾高吸能效率与高比吸能。
为此，清华大学航天航空学院柳占立课题组与合作者提出了一种手性多曲壳（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料，通过压扭与屈曲机理的协同耦合，实现了“高承载力-平滑吸能曲线”的统一，并在此基础上兼具较高的吸能效率和比吸能（图1a）。通过独特的压缩-旋转-屈曲变形模式，应力得以在结构的大部分区域内分布，充分发挥了材料性能，同时有利于避免因应力过度集中而导致的局部过载与失效（图1b）。
图1.手性多曲壳（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料；（a）CMCS超材料构造方式及其吸能曲线、吸能效率EEA和比吸能SEA与六边形和Kresling超材料的对比（三者质量与特征参数相同）；（b）应力云图与压缩-旋转-屈曲变形模式
与经典内凹吸能超材料相比，在相同防护工况下，CMCS超材料的比吸能提升约3倍，而相对密度仅为前者的41%（图2a）；在同等相对密度条件下，CMCS超材料的比吸能达到内凹吸能超材料的16倍。与近年来提出的其他吸能超材料相比，CMCS超材料在能量吸收性能方面同样展现出突出优势：在其他超材料最高吸能效率仅为0.83的基础上，CMCS超材料将其提升至0.91，向理想值1又迈进了一大步；而且，其比吸能也显著优于其他超材料，同时具备轻量化与高承载吸能特性（图2b）。由此可见，CMCS超材料在吸能效率、比吸能等关键冲击防护指标上优势显著。
图2.手性多曲壳（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料与其他吸能超材料的对比；（a）CMCS与内凹超材料在吸能效率EEA、比吸能SEA、平台段、致密化位移、荷载波动系数与相对密度方面的比对；（b）CMCS与其他现有吸能超材料在吸能效率EEA和比吸能SEA方面的对比
凭借“高效率-高吸能-轻量化”的综合优势，CMCS超材料有望在提高防护等级的同时有效降低结构质量，减小冲击传递，提升装备/结构的安全性与可靠性，在车辆/建筑防护层、头盔悬挂系统、无人机缓冲结构、飞机起落架吸能组件等工程场景中具有广阔的应用前景。
图3.手性多曲壳（Chiral Multi-Curved Shell，CMCS）超材料的潜在应用场景，如车辆/建筑防护层、头盔悬挂系统、无人机缓冲结构、飞机起落架吸能组件等
研究成果以“基于压扭与屈曲耦合机理的手性多曲壳吸能超材料”（Chiral multi-curved shell metamaterials integrating compression-torsion and buckling mechanisms for ideal energy absorption）为题，于12月12日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学航院教授柳占立为论文通讯作者，清华大学航院已出站博士后刘陈续（现为北京工业大学研究员）为论文第一作者。其他作者包括清华大学航院2022级博士生张逸之、2020级博士生王兴皓，北京交通大学土建学院教授于桂兰，清华大学航院教授庄茁。研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中国博士后科学基金等的资助。
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