超材料是一种工程材料，具有独特的属性和先进的功能，这是其微结构组成带来的直接结果。虽然最初的特性和功能仅限于光学与电磁学，但在过去十年中出现了许多新型超材料，它们在许多不同的研究和实践领域都有应用，包括声学、力学、生物材料和热工等。过去十年，旨在设计、模拟、制造和表征不同类型的超材料的研究在广度和深度上都出现了爆炸性增长。这种前所未有的增长主要发生在三大发展的交汇处，这些发展相互加强，并促进了超材料的研究。
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上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队将柔性的可编程自然纤维与稳定的石墨烯超结构相结合，实现了一种新型兼具低冲击应力与高机械吸能的超软抗冲击超材料。
图 1 将石墨烯超结构与可编程仿生自然纤维相结合的新型抗冲击超材料设计与成形
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超软抗冲击超材料
航空航天轻质构件的抗冲击性能是由其填充结构复杂的动态载荷行为决定的。为实现优异的冲击防护性能，结构需满足低冲击强度、长应力平台、高冲击恢复、高冲击吸能等诸多复杂的非线性力学指标。现有轻质抗冲击结构由于其较为单一的几何设计，难以同时难度诸多相互牵制的非线性冲击性能需求，从而在保持较低冲击强度的同时吸收大量的冲击能量。
据此，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队将柔性的可编程自然纤维与稳定的石墨烯超结构相结合，实现了一种新型兼具低冲击应力与高机械吸能的超软抗冲击超材料。实验结果显示，这类新型抗冲击超材料相比于现有超材料实现了86%的冲击强度降低、42%的冲击能量衰减率降低与135%的能量吸收效率提升。该研究还通过数据驱动的智能设计实现了新型抗冲击构件可编程的冲击力学曲线，为航空、国防等高端应用领域新型构件的定制化复杂动态机械性能提供了可能。相关研究成果以题目为：“Additive manufacture of ultrasoft bioinspired metamaterials”的论文在高水平期刊International Journal of Machine Tools and Manufacture上发表，博士生高振洋为第一作者，王洪泽副教授与吴一副教授为共同通讯作者，共同作者还包括博士生任芃源，博士后唐梓珏和王浩伟讲席教授。
该研究基于分子尺度的石墨烯二维结构构建了稳定抗冲击层，并利用微观尺度的仿生自然纤维作为相邻石墨烯层的可编程柔性连接。这类新颖的超材料结构设计可利用其抗冲击层的稳定石墨烯结构提升材料的平台期应力并延后整体结构的屈曲失效，同时通过可编程柔性纤维杆基于新型的收缩变形模式有效分散冲击过程构件的应力。为实现这类复杂多级结构的稳定成形机械性能，文章还提出了一种面向增材制造复杂多级结构的新型可成形性分析方法，该方法可在设计阶段基于制造体素分布对复杂结构成形构件的表面缺陷与机械性能进行快速预测，通过在设计模块引入可成形分析算法保证了整体构件稳定的成形性能。实现了新一代超软可编程抗冲击超材料的设计与增材制造（图1）。
图 2 超软抗冲击超材料与传统超材料在动态载荷下的复杂变形机理
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图 3 不同预编程纤维连接的石墨烯超结构在动态载荷下的变形过程
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文章数值模拟结果（图 2）表明，相比于现有超结构，石墨烯抗冲击层具有更为稳定的动态机械性能与均匀的应力分布，整体结构具有明显延后的屈曲失效。同时，其逐层连接的柔性纤维可进一步降低其冲击层的应力集中，从而实现理想的抗冲击性能。实验观测的变形失效结果（图 3）进一步表明，这类新型抗冲击超材料中不同几何形态的纤维杆在动态压缩过程中具有与传统杆件截然不同的收缩变形现象，且随着纤维根数的增加与纤维扭曲角度的变化，这一现象变得更为明显，为这类超材料的可编程化设计提供了可能。
图 4 超软抗冲击超材料不同纤维组分的机器学习模型
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通过实验研究不同冲击速度与纤维成分下超材料的冲击强度、冲击吸能效率与多次冲击能量衰减等多类动态机械性能，研究人员进一步构建了针对复杂抗冲击超材料的机器学习动态多力学性能预测模型（图4），通过快速性能预测通过可编程纤维成分设计实现了这类超软抗冲击超材料的动态机械性能定制与结构深度优化。相比于传统超材料，该论文提出的超软抗冲击超材料实现了可编程的显著冲击应力降低与吸能效率提升（图5），为航空航天、船舶等应用的新型抗冲击构件提供了理论支持。
图 5不同纤维组分下超软抗冲击超材料与传统超材料的冲击性能
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图 6基于Modified Rules of Mixture模型的智能可编程抗冲击超材料复合纤维组分设计
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同时，文章基于不同组分纤维比例超材料的动态多性能调控提出了新型的Modified Rules of Mixture超材料复合结构多性能设计模型（图6），可针对Material Property Chart中不同复合成分超材料性能设计节点连接多边形内的任意性能点提出复合定制化的超材料智能纤维成分设计，为高度定制化的抗冲击构件提供了可能。文章表明，这类新型超软抗冲击超材料可与不同冲击能量范围的防护装备灵活结合（图7），在不同应用场景中实现冲击应力的大幅降低与智能化可编程的区域冲击性能调控，对航空航天、机器人等先进构件中的智能抗冲击材料具有指导意义。
图 7超软抗冲击超材料在不同冲击能量范围的应用
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上海交通大学特种材料所是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟教授任负责人。团队近期在增材制造结构设计领域研发了具备失效可编程的仿生多级蜂窝球形结构超材料，基于逐层失效与晶界强化实现了同密度超材料72%的比吸能提升，相关成果发表于Composites Part B: Engineering上；基于自然纤维，团队还提出了数据驱动新型纤维结构超材料，相比于密度超材料实现了可编程的非线性机械性能与近10倍的可恢复能量吸收提升，相关成果发表于Composites Part B: Engineering上。
团队现长期诚聘激光增材制造/激光成形工艺和装备，增材制造材料表征（微观组织、力学性能、疲劳），增材制造过程同步辐射成像、增材制造创新结构设计等方向博士后。联系人：王洪泽 (hz.wang@sjtu.edu.cn)
论文链接：
doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2023.104101
doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110345
doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.110468
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