摘要：在此，加州理工学院Chiara Daraio教授和周文杰博士，美国能源部劳伦斯·利弗摩尔国家实验室Xiaoxing Xia等人引入了一类由离散的串联环或笼状颗粒在三维网络中相互锁定形成的多串联结构化材料（PAMs），提出了一个通用的设计框架，将任意晶体网络转化

结构化材料的特性源于其内部结构元素的几何排列，其设计依赖于连续的成员网络来控制整体的力学行为。

在此，加州理工学院Chiara Daraio教授和周文杰博士，美国能源部劳伦斯·利弗摩尔国家实验室Xiaoxing Xia等人引入了一类由离散的串联环或笼状颗粒在三维网络中相互锁定形成的多串联结构化材料（PAMs），提出了一个通用的设计框架，将任意晶体网络转化为颗粒串联和几何形状。在小外部载荷下，PAMs表现出非牛顿流体的特性，显示出剪切变稀和剪切增稠的响应，这些响应可以通过它们的串联拓扑结构来控制。在较大应变下，PAMs表现出类似于晶格和泡沫的特性，具有非线性的应力-应变关系。在微观尺度上，我们证明了PAMs可以响应施加的静电荷而改变形状。PAMs的独特特性为开发刺激响应材料、能量吸收系统和变形架构铺平了道路。

相关文章以“3D polycatenated architected materials”为题发表在Science上，也被评为本期Science封面论文！

研究背景

之前研究的结构化材料大多被设计为具有刚性连接的桁架式、板式或壳基晶格，这些材料从周期性重复单元格或无序架构的构建中获得有效的整体特性。它们可以展现出显著的特性，例如，在保持轻量化的同时具有高强度、负泊松比以及剪切-正常耦合。根据其内部结构的几何形状，它们展现出不同寻常或极端的力学特性，如较大的可重构性、多稳态响应以及非线性弹性变形。在某些实现中，结构化材料表现得像流体——例如，五模材料展现出近乎零的剪切响应。颗粒晶体是一种由紧密排列的元素组成的规则阵列的结构化材料，这些元素弹性相互作用。它们也展现出丰富的力学特性，如几何硬化和非线性波传播，这些特性源于单个颗粒的形状、它们的拓扑排列以及颗粒的化学组成。然而，在没有边界约束的情况下，颗粒晶体是没有凝聚力的，因为颗粒之间没有粘合剂将它们连接在一起，它们在拉伸时不会产生阻力。

一种新兴的结构化材料是拓扑互锁织物，由二维（2D）串联颗粒层组成，就像中世纪铠甲中使用的锁子甲，已被证明能够支持可调的刚度和可控的形状变形。作者将多串联原理整合到在宏观和微观尺度上制造的三维结构化材料中。与锁子甲不同，三维多串联结构呈现出层间连接，这导致独特的三维应变重新分布、层间内聚力以及可调的能量吸收。三维结构化材料的巨大设计空间提供了前所未有的机会来定制力学特性。

主要内容

本文提出了一个具有指定网络拓扑结构的三维串联结构的设计框架，以创建离散的环或笼状颗粒构建块的互锁排列，这些构建块具有可控的运动自由度（DOF）。这些单元与它们的邻居对称地串联，邻居们可以在互锁机制的范围内相对彼此自由移动。我们还提出了一种将连续图拓扑结构转化为它们的多串联对应物的设计策略，并展示了从选定构建块实现三维多串联结构化材料（PAMs）的情况。作者展示了颗粒几何形状的局部变化如何影响内部DOF，进而控制整体的可变形性和有效响应。由于PAMs中颗粒-颗粒相互作用的离散性质，其整体力学行为会随着所施加载荷的不同，从类流体转变为类固体，从剪切变稀转变为剪切增稠。PAMs对循环载荷具有韧性，并且具有可调的能量吸收，其可扩展的响应在宏观和微观尺度上都能持续存在。PAMs的特征行为源于相邻颗粒之间的强烈表面相互作用，例如，在接触和相对滑动中。通过增加样品的表面积-体积比，可以在更小的尺度上进一步利用这些相互作用。为了验证这一假设，制造了微观尺度的PAMs，并展示了它们能够快速且可逆地响应静电荷而改变形状的能力。

图1：PAM设计策略。

图2：PAMs的重力诱导松弛和单轴压缩。

图3：PAMs的剪切和流变学试验。

图4：可编程临界干扰应变。

图5：PAMs的尺度独立性与μ-PAMs的静电驱动。

总的来说，本文介绍了一类多串联结构化材料（PAMs），作为在三维领域内连接离散颗粒材料和连续结构化材料的桥梁。本文设计策略合理地将离散的、拓扑互锁的颗粒映射到三维晶体网络上。它们在堵塞状态下的非线性弹性响应，加上在未堵塞状态下的非牛顿流体剪切变稀和剪切增稠行为，为需要适应性刚度和能量耗散的应用提供了一个多功能的力学平台。这对于刺激响应材料、软体机器人和变形架构尤其相关。

PAMs的材料行为高度依赖于它们的串联拓扑结构和颗粒几何形状，这两者共同决定了颗粒间的自由度（DOF）。根据目标力学性能的不同，不同的PAMs可以满足不同的角色。例如，在需要大变形的应用中，如形状变形和软体驱动，具有更大剪切变形能力的拓扑结构（如J-4环）更为理想。需要更大能量吸收的应用则倾向于具有更高压缩临界堵塞响应的PAMs（如T-6环），这些PAMs也表现出相关的应变硬化特性。最后，对于结构应用，更硬的PAMs更有优势。这些PAMs的最佳代表是使用多边形或立体几何形状颗粒几何形状的J拓扑结构的PAMs（例如，J-4-正方形和J-4-八面体）。这项工作为创造具有前所未有的力学性能和响应性控制的结构化材料奠定了基础。未来的研究可以解决这些材料对离散颗粒断裂的韧性问题，并检查它们的动态和波传播响应、非线性流变学以及热和光学特性，还可以研究构成材料和颗粒涂层的最佳选择，以针对特定应用。

文献信息

Wenjie Zhou*, Sujeeka Nadarajah, Liuchi Li, Anna Guell Izard, Hujie Yan, Aashutosh K. Prachet,Payal Patel, Xiaoxing Xia*, Chiara Daraio*, 3D polycatenated architected materials, Science

来源：华算科技