論文快遞員——第32期：超材料論文摘要精選

Intrinsically Polar Elastic Metamaterials

極性彈性超材料

翻譯：鄭博文

Osama R. Bilal, Roman Süsstrunk, Chiara Daraio, and Sebastian D. Huber, Intrinsically Polar Elastic Metamaterials.Adv. Mater.,1700540 (2017).

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201700540/full

在很多應用中，人們需要將具有不同屬性的材料結合以實現特定的功能。例如，頭盔的內層需要柔軟用來緩衝而外層需要剛硬來提供保護。經過一段時間的使用，這些相結合的材料就會分離或磨損，具有暴露不理想的材料屬性的風險。本工作展示了一種設計思想，即從具有重複單元的三維微結構獲得材料的獨特屬性，而不是材料的組成成分。3D列印的樣品展示了沿同一軸相對面的不同剛度（即在一個面軟而在另一個面硬）。實現的材料可以通過設計（即拓撲）抵抗切割和磨損：不管材料被如何去除，一層層去除或通過重複單元任意切割，兩個相對的面的力學響應仍保持很大不同。

Stress relaxation in polymeric microlattice materials

聚合物微點陣材料中的應力鬆弛

翻譯：鄭博文

Sebastian Kr?del, Lichen Li, Andrei Constantinescu, Chiara Daraio, Stress relaxation inpolymeric microlattice materials.Mater. Des.130, 433-441 (2017).

製造技術的突破催生了由類似桁架的微觀尺度的單元組成的微點陣材料。這些材料的力學屬性可以由改變微結構的幾何特徵來控制。這裡我們研究了拓撲和等效密度對於由激光直寫技術製造的微點陣粘彈性屬性的影響。我們在壓縮時使用電容力感測進行了微觀尺度應力鬆弛實驗。實驗結果由廣義Maxwell模型進行了分析，並關於密度縮放率對粘彈性屬性進行了研究。我們建立了一個可以提取整體聚合物粘彈性屬性的有限元模型。實驗結果表明點陣材料的剛度可以在較寬的頻率範圍內獨立於損失因數進行調節。我們發現損失因數隨著由非線性耗散機理例如屈曲和塑性行為引起的應變的增加急劇增大。我們發現在50%左右的等效密度下，微點陣每循環的能量耗散要優於塊體材料的耗散，即「少而優」的效應。此研究邁出了微點陣材料應用于振動吸收的第一步。

Compressive deformation and energy-absorption capability of aluminium honeycomb core

鋁蜂窩芯層的壓縮變形和能量吸收特性

翻譯：張雯

Ivanez I, Fernandez-Canadas L M, Sanchez-Saez S, Compressive deformation and energy-absorption capability of aluminium honeycomb core.Compos. Struct.174, 123-133 (2017).

本文主要研究鋁蜂窩芯層的壓潰性能和能量吸收特性。我們利用商用軟體ABAQUS建立了蜂窩芯層結構的三維有限元模型。並採用平面內和側面壓縮實驗來驗證數值模型，結果表明實驗數據與數值模擬結果吻合較好。壓縮實驗模擬中考慮不同單胞尺寸、胞壁厚度和材料參數，並討論其變形模式、芯層壓縮行為和能量吸收特性。面內壓潰參數受芯層參數的影響較大，儘管如此，通常增加胞壁的厚度和鋁合金的屈服應力能夠得到更高的壓潰力，因此能量吸收效果更佳。然而，如果單胞的尺寸增加，能量吸收特性會下降。

Giant energy absorption capacity of graphene-based carbon honeycombs

基於石墨烯的碳蜂窩的超強能量吸收特性

翻譯：張雯

Yi L, Chang T, Feng X-Q, Zhang Y, Wang J, et al. Giant energy absorption capacity of graphene-based carbon honeycombs.Carbon118, 348-357 (2017).

從飛行器到頭盔，能量吸收多孔材料（EAMs）具有廣泛的應用價值。傳統EAMs（例如泡沫鋁、泡沫鋼、多孔塊體非晶合金以及碳納米管巴基紙）的能量吸收特性通常為1~100 J/g的數量級，找尋新型具有高能量吸收特性的EAMs仍然是個巨大的挑戰。本文通過分子動力學模擬表明基於石墨烯的碳蜂窩在面內方向有極大的能量吸收特性，達到了2400J/g，比所有前面提及的EAMs都高很多。在面外方向，這種結構也具有很高的抗穿透特性，相應的能量吸收達到3400J/g，這與石墨烯較為接近，比鋼板要高十倍。基於石墨烯的碳蜂窩的超強能量吸收特性來源於其包含高能sp2和sp3鍵的三維石墨烯結構，這為較長的應變範圍提供了很高的平台應力。本文的研究結果可能會為設計輕、薄並具有超強能量吸收特性的系統提供條件。

Mechanical properties of hierarchical lattices

多層級點陣的力學性能

翻譯：李佳妮

Andrea Vigliotti, Damiano Pasini, Mechanical properties of hierarchical lattices.Mech. Mater.,62, 32-43(2013).

該文章著重研究了多層級點陣結構的剛度和強度，具體研究對象為一級到三級的二維以及三維點陣結構。在每個層級規定了點陣的拓撲方式，且相對密度在規定範圍內變化。通過在每個層級迭代地應用一種多尺度方法可以獲得多層級點陣的力學性能，進而能夠量化表示層級數對拉伸主導點陣和彎曲主導點陣產生的影響。宏觀的剛度和強度材料圖表明了點陣的性能區域隨著層級數的增加而擴大，深刻地表明了多層次結構設計可以拓展點陣的宏觀性能。

Wave propagation in hexagonal lattices with plateau borders

具有普拉托邊界的六邊形點陣中波的傳播

翻譯：李佳妮

Kai Zhang, Zi-Chen Deng, Jun-Miao Meng, Xiao-Jian Xu, Wave propagation in hexagonal lattices with plateau borders.Compos. Struct.,140,525-533(2016).

本文研究了平面波在具有普拉托邊界的二維六邊形點陣中的傳播，並分析了尺寸參數對六邊形點陣動態性能的影響。基於布洛赫定理和有限元方法，文中分析了該結構的色散關係。通過比較三種不同結構的帶隙，闡述了具有普拉托邊界的六邊形點陣的優勢。與具有均勻厚度以及拋物線厚度的正六角形點陣相比，具有普拉托邊界的六邊形點陣在能帶結構中存在更多的帶隙。此外，本文通過對帶隙圖和等相位面的研究，研究了尺寸參數（包括相對密度、材料分布參數和橫縱比）對具有普拉托邊界六邊形點陣波特性的影響。通過比較常規厚度的六邊形點陣以及具有拋物線厚度點陣結構的色散圖，發現具有普拉托邊界六邊形點陣的帶結構中存在大部分的阻帶，並且發現相對密度、材料分布參數和橫縱比對點陣結構的波特性影響較大。這項工作有助於促進六邊形點陣的多功能設計以及在隔音裝置中的應用。

Design of lattice structures with controlled anisotropy

可控各向異性的點陣結構的設計

翻譯：熊丹萍

Shanqing Xu, Jianhu Shen, Shiwei Zhou,Xiaodong Huang, Yi Min Xie. Design of lattice structures with controlled anisotropy.Mater. Des.93, 443-447 (2017).

先進增材製造技術可以實現製備具有複雜結構的周期性點陣結構。然而，對於具有可調控各向異性的點陣結構仍然缺少合適的實現方法，因此迫切需要開發具有可預測性能的機械超材料來填補這方面的知識空缺。本文對如何設計具有可調控各向異性點陣材料提出了兩種不同的設計方法。具體來說，我們設計了兩種新的具有各向同性彈性和立方對稱的點陣結構。本文的研究結果為開發具有可預測機械性能的輕量化超材料提供了簡而有效的策略。

Non-linear elastic response of layered structures, alternating pentamode lattices and confinement plates

一種由五聚體點陣和隔板交替形成的層合結構的非線性彈性響應

翻譯：熊丹萍

A. Amendola, G. Benzoni, F. Fraternali, Non-linear elastic response of layered structures, alternating pentamode lattices and confinement plates.Compos. B,115, 117-123 (2017).

我們研究了處於大變形彈性應變下的並受限於加強板之間的五聚體層的機械響應以及這種系統作為新型的地震隔離和衝擊保護裝置的潛在性利用價值。我們發現當桿件之間為鉸鏈連接時，五聚體材料在無窮小拉伸情況下展現出了三種柔性變形模式。根據側向力-位移的響應，這種處於大彈性應變下超材料的響應具有彈性-剛化效應，這種效應隨著剛性連接的存在而加強，並隨著層數的增加而減少。通過設計點陣的幾何形態、節點的剛度特性、合適的鋪層方案以及工作條件，本文研究的五聚體超材料可以作為新型的、高性能的地震和機械震動保護裝置。

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