高焓弹性超材料（high-enthalpy elastic metamaterials）具有高可归附弹性能量密度ag百家乐九游会，大概提供高效的机械能存储、承重智商、抗冲击性和畅通敏捷性等增强性能。这些特点使其成为轻质、袖珍化和多功能结构的盼愿遴荐。然则，终了高焓弹性是一个挑战，因为这需要同期具备高刚度、高强度和大可归附应变，而这三者频繁是互相矛盾的。
为了应付这一挑战，国防科技大学方鑫盘问员连合德国卡尔斯鲁厄理工学院Peter Gumbsch辅导从可开脱旋转的手性元素中构建了高焓弹性超材料。与现存的非手性材料比较，这种非优化的手性超材料在保捏高刚度的同期，大概承受更大的可归附应变，并提供更宽的屈曲平台。其屈曲强度提高了5-10倍，焓值提高了2-160倍，单元质地能量加多了2-32倍。这些更动源于手性触发的扭转屈曲变形，这种变形在传统超材料中不存在。该变形模式大概存储多数突出能量，同期对材料失效的峰值应力影响最小。本盘问揭示了一种新机制，为野心具有高机械储能智商的超材料和结构提供了新念念路，处分了工程规模中的一个热切且渊博的问题。相关效果以“Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling”为题发表在《Nature》上，第一作家为方鑫盘问员。
手性和非手力杆的屈曲
传统棒状晶格中的弹性能（图 1c-e）存储在压缩时频繁进展出第一屈曲模式的杆中（图 1b）。作家使用分析建模和非线性有限元分析 来发挥注解屈曲经由中储能的缩放，然后将其推广到包括扭转。作家基于之前的责任，建议了一种新式的手性超材料，通过将轴向变形和扭转耦合来存储更多的能量。与传统的转折和压缩变形模式不同，手性超材料大概通过歪曲屈曲模式提高能量存储。盘问中使用了具有孤独且可旋转的圆柱形单元（图1g），这些结构自大出更高的屈曲模式，大概在固定的材料强度下提高焓值和平台强度（图1h）。通过建造一个分析模子，全面捕捉了螺旋杆的屈曲后活动，发现每根杆的变形模式包括平面内转折、平面外转折、扭转和压缩（图2c）。此外，螺旋变形不仅提高了小应变下的刚度，还使得跟着负荷加多，杆的屈曲变得平滑，而非瞬息而至（图2c）。通过MD模拟，进一步考据了冷冻电镜图像中的水和离子网罗，发现这些手性超材料能在较大应变下储存更多的能量。关于具有较大变形或允许应力的情况下，螺旋杆的能量存储上风更为露出
图1：手性和非手力材料的变形
图2：手性和非手力棒的屈曲
性能比较
作家通过比较手性超材料与传统非手性模子的性能，发现手性野心能显耀普及材料的举座进展。使用有限元分析（FEA）和分析现象评估后，戒指自大，手性超材料在指定体积下比非手性材料进展更好（图3A、F）。表面上，手性单元不错将杆精细陈列在圆环周围，幸免讲和，从而提高了结构的性能。与非手性棱镜晶格比较，ag百家乐老板手性超材料在承载强度（σbk）和焓值（ϕ）上进展出更大的上风，十分是在较高的材料强度下。此外，手性超材料还自大出较高的刚度和能量存储智商，比传统的金属材料提高了多个倍数。当手性元素不行旋转时，它们的性能与其他伸展主导的晶格相通，但具有更高的焓值，这主要收获于歪曲和转折带来的突出能量。进一步的比较分析自大，手性野心的超材料在大应变下比传统晶格有更高的承载智商和能量密度（图3F-H）
图3：超材料进展
践诺
为了进行践诺考据，作家使用橡胶和TC4钛合金通过三维打印制造了多种杆、束和板的样本，并拼装因素层的手性超材料（图4A、B）。这些样本字据野心条件（图3E、H）制作，确保它们在特定应变水平下进展出相通的von Mises应力（σv）。测试戒指自大，手性超材料在压缩屈曲活动上与分析瞻望一致（图4A、C）。与传统的棱镜、八面体、张力和开尔文晶格比较，手性超材料在屈曲强度上得回了显耀的普及，橡胶样品进展出7.5倍的普及，金属样品也有露出增强，最高提高了5.7倍（图4E）。此外，手性超材料在能量存储方面也进展出极大的上风，在不同的应变水平下，橡胶手性超材料的能量存储智商比非手性晶格朝上2.8到32倍（图4I）。这些戒指与模拟一致，考据了手性野心的显耀更动（图4J）。手性超材料在无需外部拘谨的情况下，大概可靠地进展出预期的歪曲屈曲活动，自大出较高的刚度和能量存储智商。
图4：践诺戒指
小结
本文建议了一种新战略，通过在手性元素中引入扭转、转折和压缩，创造出具有高焓的超材料，酿成独有的手性歪曲屈曲。与现存的非手性晶格比较，这种非优化的手性超材料在保捏高刚度的同期，终澄澈更大的可归附变形，屈曲强度提高了5-10倍，焓值提高了2-160倍，能量密度提高了2-32倍。通过密集陈列手性臂，不错进一步增强其性能。这种高焓超材料在轻量化野心、弹性能量存储、冲击保护、扭转调治和初始等规模具有潜在附近。此外，歪曲屈曲平台在重载下进展出低动态刚度，为振动讳饰器提供了新的可能性
着手：高分子科学前沿
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