工程师们创造出新的超轻、抗压强度高的韧性超材料

在本周发表在《先进材料》上的一项研究中，加州大学欧文分校和佐治亚理工学院的工程师们描述了一类新的机械超材料的产生，这种超材料可以消除变形以防止失效。他们的做法是转而采用张拉整体，这是一种有百年历史的设计原则，在这种原则下，孤立的刚性杆件被集成到一个灵活的系绳网中，以产生非常轻质的自拉伸桁架结构。

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从950纳米直径的构件开始，该团队使用复杂的直接激光书写技术来生成尺寸在10到20微米之间的基本单元。这些单元被构建成8个单元的超级单元，可以与其他单元组装成一个连续的结构。然后，研究人员进行了计算建模和实验室实验，观察到这些构筑物表现出独特的均匀变形行为，没有局部的过应力或使用不足。

研究小组表明，与最先进的晶格排列相比，新的超材料的变形能力增强了25倍，能量吸收也增加了一个数量级。

在与其他两种最先进的纳米级结构的比较中，UCI和佐治亚理工学院的研究人员（中）创建的时空晶格在变形能力上提高了25倍，在能量吸收上也有数量级的提高。

在开发行星着陆器的结构配置时，佐治亚理工学院的团队发现，基于时空的飞行器可以承受其单个组件的严重变形或弯曲，而不会倒塌，这在其他结构中从未观察到。

"这让我们产生了创造利用同样原理的超材料的想法，这使我们发现了有史以来第一个3D张力网格超材料，"佐治亚理工学院航空航天工程教授Rimoli解释说。

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通过新型增材制造技术，基于微米级桁架和网格的极轻而坚固的传统结构，因其在飞机、风力涡轮叶片和其他一系列应用中取代较重的固体物质的潜力而引起工程师的浓厚兴趣。虽然拥有许多理想的品质，但这些先进的材料--就像任何承重结构一样--如果过载，仍然容易造成灾难性的破坏。

当受压构件翘起时，桁架格子就会开始坍塌，因为那些处于紧张状态的构件不能。通常情况下，这些部件在共同的节点上相互连接，这意味着一旦其中一个部件发生故障，损害就会迅速蔓延到整个结构中。

相比之下，张力结构的受压构件形成闭合的环路，相互隔离，仅由受拉构件连接。因此，受压构件的不稳定性只能通过拉伸荷载路径传播，而拉伸荷载路径--只要它们不破裂--就不会出现不稳定性。向下推压张力系统，整个结构就会均匀压缩，防止局部破坏。

根据同时也是UCI机械和航空航天工程教授的Valdevit的说法，张拉整体元材料展示了前所未有的抗失效性、极端能量吸收、变形性和强度的组合，超过了所有其他类型的最先进的轻质结构。"这项研究为设计卓越的工程系统提供了重要的基础，从可重复使用的冲击保护系统到自适应承重结构，"他说。

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