生活中，當我們遭遇地震、海嘯等自然災害或在車裡遭遇猛烈撞擊時，我們所處的環境中的掩蔽體能保護我們。能吸能材料是一類廣泛應用於汽車、建築物等中的金屬或陶瓷複合材料，它能吸收機械衝擊能量，同時保持峰值力低於安全閾值，透過能量耗散來減緩反彈在各種能量。開發高效能的吸能材料、研究吸能材料的作用機理不僅是科學家們的追求，更是人們日常生活的需求。

加州大學洛杉磯分校的

金麗華教授

及團隊

建立了

一種精確預測多層柱結構準靜力位移響應的理論，揭示了多層柱的幾何形狀和層數對吸能效能的影響。

研究內容以“Reusable Energy-Absorbing Architected Materials Harnessing Snapping-Back Buckling of Wide Hyperelastic Columns”為題發表在《Advanced Functional Materials》。

【寬超彈性柱耗能機理研究】

金屬、陶瓷和複合材料往往透過位錯運動或粘結斷裂的方式耗散大量能量。然而，這些吸能材料通常只能一次性使用，因為它們會經歷不可逆的變形或在衝擊中永久損壞。具有粘流和粘彈性耗能機制的材料可以重複使用，但它們高度依賴於速率，解除安裝時恢復到未變形狀態的速度較慢。為了實現一種可重複使用、速率獨立、自我回收的吸能材料，作者提出了一種新的設計策略——利用建築材料中傾斜或彎曲梁的斷裂不穩定性。這些梁堆疊成多層結構，一層接著一層受壓，在位移過程中產生幾乎恆定的力。衝擊能量可能由於雙穩定性而被困在材料中，也可能由於折斷運動而被衰減成熱量。將一根彎曲梁與一個定製的彈性元件連線，就可以在不建造多層結構的情況下實現能量消耗，但複雜的設計和彈性元件的大體積使其在實際應用中不適合。作者報道了一類新的、可重複使用的、速率無關的、自恢復的吸能建築材料，用以治理寬超彈性柱的彈回屈曲。

作者首先建立了一種精確預測多層柱結構準靜力位移響應的理論，揭示了多層柱的幾何形狀和層數對吸能效能的影響。並突出了由寬柱組成的多層結構的高耗能能力，表現出反衝屈曲。

圖1 寬超彈性柱耗能機理研究。

【3D列印多層吸能建築材料】

作者利用多材料3D列印和犧牲模塑來製造多層吸能建築材料。寬柱由矽酮彈性體制成，這是一種典型的超彈性材料，可以以速率無關的方式承受可逆的大變形。作者進行了靜態試驗，驗證了建築材料能夠吸收衝擊能量，同時將峰值力保持在安全閾值以下，證明了它們的力學響應可以被幾何形狀和預緊力廣泛調整。

作者透過跌落測試進一步檢驗了建築材料在衝擊下的效能。當施加一定水平的衝擊能量時，預期作用於受保護物體的峰值力將被限制在安全閾值以下。在衝擊過程中，立柱按從底層到頂層的順序彎曲，將作用於頂層的衝擊力限制為柱屈曲的臨界力。跌落試驗證實，在高應變率下，透過控制彈回屈曲，所提議的建築材料能夠抑制衝擊力，使其不超過大範圍輸入能量的安全閾值。

圖2 建築材料的製造過程和力學響應。

綜上，作者將有限元模擬、理論分析和實驗結合起來，利用寬超彈性柱的彈回屈曲，開發了一種可重複使用的吸能建築材料。寬超彈性柱在軸壓作用下會發生不連續屈曲，從一種穩定的平衡狀態突變到另一種穩定的平衡狀態，導致能量耗散，卸荷後可完全恢復其未變形狀態。利用這一特性，採用寬超彈性柱層疊加的方式設計出一種吸能建築材料，並採用多材料3D列印和犧牲成型工藝製作。透過準靜態和跌落試驗，該材料具有可重複使用、自恢復和速率無關的能量耗散和衝擊力減緩能力。建立了一種預測材料吸能效能的理論，以及柱的幾何形狀和層數對吸能效能的影響。進一步證明了材料的峰值力、能量耗散和穩定性具有廣泛的可調性。本研究為開發可重複利用吸能材料提供了新的設計策略，併為提高吸能材料的耗能能力提供了新的機遇。研究結果拓寬了可重複使用吸能材料的設計策略，包括提高車輛和飛機的耐撞性，貨物運輸中的保護包裝，以及運動中的個人安全裝置。

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