**歡迎關注微信公衆号#超材料前沿#，每天分享最新研究成果，介紹優質文章及優秀團隊。歡迎讀者朋友們分享到朋友圈or微網誌！**
1.
2. 73
3.
超材料失效的最常見原因是薄膜的脆性。據報道，類延性變形和可恢複性歸因于薄膜厚度（壁厚t）與橢圓支柱橫截面半長軸（a）之間的比值。當t/a<0.02時，納米晶格通過殼體屈曲變形，在外力作用下恢複；當t/a≥0.03（稱為厚壁）時，納米晶格發生災難性的失效，幾乎沒有恢複。到目前為止，許多工作都集中在通過蝕刻聚合物基底或将壁厚減小到100nm以下來建立空心納米晶格，以實作尺寸誘導的脆-韌性轉變（指的是更小/更薄的尺寸效應），進而減輕災難性失效。然而，減小的壁厚反過來限制了其強度和剛度。是以，探索更有效的結構是必要的，它可以作為一個模闆，使堅固而脆弱的層以一種延展性的方式變形。
近日，香港城市大學呂堅教授團隊以題為“The Twisting of Dome-Like Metamaterial from Brittle to Ductile”在《Advanced Science》上報道了一種高強度和延展性機械超材料。受羅馬萬神殿穹頂的啟發，在穹頂結構中引入螺旋梁來提高延性，設計了具有梯度螺旋結構的超材料。采用雙光子光刻（TPL）3D列印結合AlNiY薄膜沉積技術制備了微穹頂結構，其抗壓強度為156.09±12.92 MPa cm3 g-1，是目前其它韌性微晶格的73倍，且密度遠低于水。從實驗和理論上證明了螺旋拱形穹頂的扭轉效應有助于通過旋轉變形緩解軟材料中的瞬變失穩，并通過能量分散來抑制脆性複合材料的災難性坍塌。這種結構設計政策對許多其他脆性材料系統也是可行的，進而最大限度地發揮薄膜的優勢，克服強度-延展性沖突。
（a）羅馬萬神殿古典圓頂建築。（b）交叉的10個環（藍色）和16個拱（紅色）鉸接在一起形成一個3D壓縮系統。（c）核心殼穹頂結構的制造技術說明，特征尺寸為2a（主軸支柱直徑）和t （AlNiY塗層厚度）。（d）微圓頂複合材料的SEM圖像。（e）FIB切割複合結構。（f）分級納米結構鋁合金的TEM圖像。（g）Al薄膜的HRTEM圖像，納米顆粒被非晶相包圍。插圖：以虛線标記的幾乎純fcc Al納米晶的快速傅裡葉變換（FFT）圖像，指向[011]區軸。
（a）TPL（固體聚合物）制備微穹頂的力位移曲線。（b-d）微穹頂壓縮後的SEM圖像，表明穹頂結構具有良好的可恢複性，傾角為60°，插圖是俯視圖的圖像。（e-g）原圓頂（黑色）在10%應變下的貫通響應，而帶有螺旋拱的圓頂（藍色）在頂部沒有坍塌。（h）從俯視圖看，被不同階段的圖像包圍的螺旋拱頂的扭轉角位移曲線。将扭曲角定義為沿着紅色曲線的原點切線方向，驗證了其作為一種新型超材料的扭曲特性。比例尺10μm。
（a）微穹頂沉積AlNiY薄膜（複合材料）的力位移曲線。（b-d）不同螺旋結構微圓頂複合材料的掃描電鏡圖像。（e-j）三種不同微穹頂複合材料的壓縮過程的SEM快照，顯示了沒有螺旋拱的微穹頂（黑色和紅色）的災難性脆性破壞和沒有壓縮後恢複，而螺旋拱的微穹頂（藍色）的可逆延展性變形。比例尺10μm。
（a）t/a（壁厚與杆長軸之比）與韌性組織的斷裂應變，并與其他高性能超材料進行了比較。（b）t/a相對于抗壓強度。（c）類延性微穹頂複合材料的單軸壓縮有限元模拟。插圖是不同階段的俯視圖。（d）強度是各種材料密度的函數。
5
（a）荷載-位移循環曲線呈現可恢複變形。（b-c）最大力、可恢複性和能量損失系數的變化。（d-g）複合材料在多次循環過程中的SEM圖像，表明在單軸壓縮過程中出現了扭曲變形。比例尺10μm。（h）在以導管為基礎的介入手術中，以穹隆作為導管尖端。放大圖像顯示導管尖端的控制方向。（i）輕型部件：渦輪葉片和全翼結構。（j）面心立方（fcc）單元和穹形超材料。
文章資訊：
Cheng, L., Tang, T., Yang, H., Hao, F., Wu, G., Lyu, F., Bu, Y., Zhao, Y., Zhao, Y., Liu, G., Cheng, X., Lu, J., The Twisting of Dome‐Like Metamaterial from Brittle to Ductile. Adv. Sci. 2021, 2002701.
https://doi.org/10.1002/advs.202002701
聲明：本文旨在傳遞更多科研資訊及分享，僅供個人學習、參考、學術交流使用，不作為商業用途，文中所引用文獻已指明作者及來源。由于水準有限可能存在解讀不準确，如涉及知識産權保護或其他問題請及時聯系郵箱[email protected]，我們将盡快協調處理。