2026【研究】超构机械材料中的可编程断裂韧性

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研究背景断裂韧性作为材料在存在缺陷时抵抗断裂的关键性能指标，传统上被认为是材料的本征属性，通常通过合金化、热处理或微观结构调控等复杂方法来提升。然而，这些方法受限于材料本身的固有特性，难以实现灵活、可编程的调控。机械超材料的出现为解决这一问题提供了新途径，其基于人工设计的周期性结构，能够实现常规均匀材料难以具备的力学性能。尽管已有研究表明晶格拓扑、杆件尺寸或密度的变化可影响断裂行为，但在不改变结构拓扑与加载方向刚度的前提下，通过结构设计对断裂韧性进行系统性、主动编程的研究仍属空白。因此，本研究致力于探索一种基于简单结构参数（刚度比）实现断裂韧性可编程调控的全新设计范式。

研究方法

1. 概念与模型设计：提出一种二维弹簧‑晶格超材料结构，其单元由相互正交的横向与纵向弹簧组成。通过调节两方向弹簧的刚度比（α = k_x / k_y），在保持纵向变形刚度恒定的前提下，实现正交方向的刚度解耦。

2. 数值模拟与理论分析：采用梁单元建立有限元模型，分析不同 α 值下结构的载荷‑位移响应；基于离散断裂力学框架，定义并计算离散能量释放率（g_DFM），用于评估断裂韧性。

3. 试样制备：使用光固化3D打印技术，以透明丙烯酸树脂（AR‑M2）为基材，制备具有三种不同横向弹簧刚度（对应 α ≈ 0.053、1.00 和 29.5）的超材料试样，并引入不同长度（4、6、8个单位晶格）的预制裂纹。

4. 力学性能测试：利用台式万能试验机对试样进行准静态拉伸测试，记录载荷‑位移曲线，获取临界断裂载荷与位移数据。

5. 断裂韧性评估与机理分析：结合实验数据与有限元模拟，计算临界能量释放率 g_DFM,C；分析裂纹尖端变形场，阐明刚度比 α 通过影响变形集中程度来调控断裂韧性的物理机制。

研究意义本研究突破了“断裂韧性是固定材料属性”的传统认知，首次在保持结构拓扑与宏观变形刚度不变的条件下，通过单一几何力学参数（α）实现了对断裂韧性的主动、宽范围编程。这为结构材料的设计引入了全新的自由度，使得在保证构件刚度要求的同时，可独立优化其抗断裂性能。该策略有望应用于对损伤容限有苛刻要求的领域，如航空航天结构、人体防护装备、柔性电子器件等，为发展下一代高可靠性、可定制力学响应的智能材料与结构提供了重要的理论与技术基础。

创新点

1. 提出“正交刚度解耦”设计原理：通过独立调节横向与纵向弹簧刚度比（α），在不改变纵向承载刚度的前提下，实现了断裂韧性的独立调控，突破了传统设计中的耦合限制。

2. 建立基于弹簧网络的断裂调控模型：揭示了裂纹尖端垂向弹簧的受力状态受 α 调控的力学机制，并定义了“变形集中系数”β 来定量表征该效应，建立了 α–β–断裂韧性（g_DFM）的清晰物理关系。

3. 实现单一结构参数的程序化控制：仅通过调整刚度比 α 这一简单参数，即可使断裂韧性（g_DFM,C）发生倍数级变化（如本研究中达2倍以上），且该效应与裂纹长度无关，展现出优异的可预测性与鲁棒性。

4. 证实设计策略的多维可扩展性：成功将二维平面结构的设计理念拓展至三维堆叠超材料，验证了该原理在三维空间中的有效性，为复杂空间结构的安全设计提供了通用方法。

本研究系统探索了基于正交弹簧网络的二维超材料，通过调控其横向与纵向刚度比（α），在不改变宏观结构拓扑与纵向变形刚度的前提下，成功实现了断裂韧性的程序化设计。主要发现与讨论如下：

1. 正交刚度解耦设计的实验验证

• 纵向刚度保持恒定：实验测得的载荷‑位移曲线证实，尽管材料A、B、C的α值相差悬殊（分别为0.053， 1.00， 29.5），但它们在纵向拉伸下的初始斜率（即变形刚度）几乎完全一致。这完美验证了设计的核心前提——纵向承载能力仅由垂向弹簧刚度决定，与α无关。

• 断裂行为显著分化：在引入相同长度的预制裂纹后，三种材料的断裂载荷（P_C）表现出明显差异。α值最大的材料B的断裂载荷最低，比α值最小的材料A低约25–35%。这表明，在承载能力相同的情况下，材料的抗断裂失效能力可以通过α进行独立调控。

2. 断裂韧性的程序化调控范围与机理

• 能量释放率的可编程性：基于离散断裂力学计算的关键能量释放率（g_DFM， C）直接表征了断裂韧性。结果显示，材料A（α=0.053）的g_DFM， C约为材料B（α=29.5）的2倍，材料C（α=1.0）则介于两者之间。这证实了仅通过调整单一参数α，即可使断裂韧性在宽范围内（在本研究中达2倍以上）实现程序化改变。

• 断裂由局部弹簧强度主导：对所有含裂纹试样，断裂发生时裂纹尖端处垂向弹簧的伸长量（δ_tip，C）高度一致，且与无裂纹试样中垂向弹簧的断裂伸长量相近。这证明宏观断裂事件由裂纹尖端最前排弹簧的强度所控制，而非整个结构的均匀承载极限。

• α调控的核心机制——变形集中效应：数值模拟与简化力学模型揭示了α影响断裂韧性的物理机制。α值越大，横向弹簧越“硬”，在裂纹张开时能更有效地约束变形，导致载荷和变形更集中地传递给裂纹尖端的垂向弹簧（即“变形集中系数”β增大）。这使得该弹簧在更低的全局载荷下即达到其断裂伸长，从而表现为更低的宏观断裂韧性。反之，α值较小时，横向弹簧较“软”，变形场更为分散，裂纹尖端弹簧受力较小，故断裂韧性更高。

3. 设计策略的普适性与可扩展性

• 与裂纹长度的无关性：实验数据表明，对于同一材料（固定α），其临界能量释放率g_DFM， C在不同预制裂纹长度（4， 6， 8个单位晶格）下基本保持恒定。这证明了该编程策略的稳健性，其效果不依赖于特定的裂纹尺寸与晶格尺寸比例。

• 成功拓展至三维结构：研究进一步将二维设计理念通过堆叠和柱状连接扩展到三维结构。实验证实，三维化的材料A与B在保持相同纵向刚度的同时，其断裂载荷与计算得到的g_DFM， C之比与二维情况一致，验证了该设计原理在多维空间中的有效性和可扩展性。

4. 与现有工作的对比与范式创新相较于以往主要通过改变晶格拓扑、杆件密度或引入复杂多相结构来提升断裂韧性的研究，本工作实现了根本性的范式转变：

• 调控参数极简：仅需要一个物理意义明确的刚度比α。

• 功能解耦清晰：首次在固定拓扑和固定承载刚度下，实现了断裂韧性的独立编程。

• 机理模型普适：建立了基于弹簧网络和变形集中系数的通用力学模型，为理性设计提供了清晰指导。

总结本研究通过精妙的正交刚度解耦设计，成功地将断裂韧性从材料的“本征属性”转变为可通过简单几何参数（α）“编程设计”的结构性能。实验与理论分析共同揭示了通过调节α改变裂纹尖端变形集中程度，进而控制断裂韧性的物理机制。这一原理在二维和三维结构中均得到验证，展现出高度的普适性和应用潜力，为未来开发具有定制化损伤容限的高可靠性工程结构开辟了一条全新的技术路径。