顧劍鋒&馬前Materials Today：跳出經典力學模型，獨辟蹊徑提出力學超材料的強化策略

一、 【導讀】?

這項研究揭示了超材料變形機制和其拓撲參數長徑比的關系，對經典的力學模型Gibson-Ashby模型進行修正和完善，提出了通用Gibson-Ashby模型，該模型對于金屬超材料的模量和強度具有更好的預測性，同時也適用于去合金納米多孔材料、微納尺度的金屬多孔材料和人體骨骼的天然多孔材料。而且，該模型可以明確指導桿的拉伸、彎曲和剪切三種變形機制的調控。基于此，我們進一步提出了三種超材料的強化策略，包括中空桿、分級和Wolff定律強化策略。我們設計制備的超材料在密度1.63 g/cm³時屈服強度和最大壓縮強度達到308.6 MPa和417.3 MPa，比商用鎂合金WE54和AZ91更輕更強。這些輕質高強鈦合金超材料有望獲得多方面的應用，包括在航空航天、生物醫學、化學工程、空間和能源技術等領域。此外，該研究在基礎創新方面的發現有望推動超材料在結構材料領域的應用。

二、【成果掠影】

上海交通大學材料科學與工程學院的顧劍鋒教授團隊聯合澳大利亞皇家墨爾本理工大學增材制造中心的馬前杰出教授團隊，共同在Materials Today期刊上發表了題為“Low-density, high-strength metal mechanical metamaterials beyond the Gibson-Ashby model”的新研究。

【核心創新點】

1.對經典Gibson-Ashby力學模型進行修正拓展

2.提出基于變形機制進行強化的金屬超材料的設計新策略

?四、【數據概覽】

圖1：桿狀超材料庫

圖2：傳統Gibson-Ashby模型（紅色曲線）和拓展Gibson-Ashby模型對各種3D打印超材料力學性能的適用性比較

圖3：3D打印金屬超材料的長徑比分布

圖4：長徑比()對金屬超材料變形機制的影響

圖5：長徑比()對金屬超材料強度的影響

圖6：基于中空桿和分級桿的長徑比()調控和超材料強化策略

圖7：基于人體骨骼Wolff定律的長徑比()調控和超材料強化策略

五、【成果啟示】

有望成為材料-結構-功能一體化的新型材料：本工作設計制備的金屬超材料，密度和人體皮質骨接近，但壓縮強度高于人體皮質骨，模量等力學性能和人體骨骼基本力學適配，同時較高的孔隙率(64%)有利于骨長入和骨整合。該超材料是典型的結構-功能一體化的新金屬材料，有望用于人工植入體等器官工程。

提出的拓展Gibson-Ashby模型和強化設計概念具有普適性：工作提出的拓展Gibson-Ashby模型亦可廣泛用于其他多孔材料體系，比如微納制造的納米多孔材料，木頭和水凝膠的多孔結構，以及骨骼、肌動蛋白和細胞骨架等不同尺度的生物結構。

網頁鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.07.018