吸能材料主要分为一次性和可重复使用两类。现阶段，能量吸收能力与再利用之间存在着天然的矛盾。

具体来说：

一次性材料具有良好的能量吸收能力，例如金属蜂窝结构和金属泡沫。它们在单次冲击下表现良好，但往往只能使用一次，不能满足重复使用的需要。

另一类是可重复使用的吸能材料。虽然它们满足了重复使用的需要，但其缺点是其能量吸收能力比一次性材料低1至2个数量级。

为了解决上述挑战，中山大学研究团队提出了一种新型机械超材料，利用双稳态和张拉整体结构实现材料的高效能量吸收能力和可重复使用的特性。

近日，相关论文《基于双稳态张拉结构的离域变形增强可重用能量吸收超材料》发表在Advanced Function Materials[1]上。

中山大学博士生杨浩、张杰为共同第一作者，中山大学吴佳宁副教授、北京航空航天大学潘飞副教授、中山大学吴志刚教授担任共同第一作者作为共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：先进功能材料）

研究人员注意到，大型客机被鸟撞击时，只有撞击点附近的区域直接参与能量吸收和抗冲击过程，而飞机的其他部分并未受到影响。

这一现象启发他们或许可以设计一种材料，使其所有部分都参与能量吸收过程，从而提高材料的能量吸收性能。基于这一概念，他们利用张拉整体结构的应力自平衡特性设计了一种新型机械超材料。

该材料的灵感来自捕蝇草的稳态开关行为。通过精妙的结构设计，在保持材料弹性变形阶段的同时，实现显着的大变形，确保其可重复使用，不断裂、不塑性变形。使用，从而大大提高了材料的耐用性。

该课题组在传统张拉整体材料的基础上，引入仿生学和双稳态结构的概念，使得材料实现可重复、高效的能量吸收成为可能。

张拉整体结构的一个特征是其消除局部变形机制的能力。通过使用创新的“连接策略”，可以在整个超材料中实现局部变形。

由于变形前后预先编程的两个稳定状态处于不同的能级，因此结构在两种状态之间的切换伴随着能量的吸收和释放。相比之下，传统的张紧结构是稳定的结构，不会出现双稳态。

与传统张拉构造的超材料相比，该技术的优势在于可以使超材料可重复使用，同时保留张拉整体结构的布局-变形特性，让所有单元都参与能量吸收。 ，从而更有效地应对点状集中影响。

（来源：先进功能材料）

为了确定该材料的性能有效性，研究人员将该材料与可重复使用的材料进行了比较。

结果表明，前者在重复性和性能方面比后者提高了2个数量级，能量吸收可达26.4kJ/(kg·m²)。尤其是经过10000次循环测试后，结构没有出现明显损坏，整体吸能能力仅降低8%。

传统的机械超材料往往在被压缩数次后就无法正常发挥作用，而双稳态材料会在大约一百次内失效。

此外，该材料在应对集中冲击时表现出优异的能量吸收系统效果。当小面积加载点触发时，它可以同步促进多个基本单元（论文中显示的数量为36个）同时吸收能量，超越了传统可重复使用材料的性能。

“基于这些性能，我们可以得出结论，这种材料在弹性变形阶段响应点冲击的吸能能力几乎可以与金属泡沫通过塑性变形实现的吸能效果相媲美。”杨浩说。

（来源：先进功能材料）

在空间领域，张拉整体结构以其独特的优势在天线、航天器等设备中得到了广泛的应用。目前，该团队开发的新型超材料有望进一步扩大其应用范围，特别是在零部件制造和航空航天领域，例如火箭、月球登陆器等设备。

需要了解的是，这种新型超材料主要由三类组件组成：3D打印的L形构件、绳索和弹簧。

研究人员表示，这种超材料还有望用于灵活捕获太空垃圾，将其与网状结构相结合，并用更适合太空环境的材料替代现有的树脂材料或普通绳索。

杨浩解释道：“因为太空垃圾的大小和形状各不相同，它们可能会撞击到网状结构的任何部分。这种承载组合的巧妙之处在于，无论太空垃圾撞击到哪里，都可以引发整个结构变形。”能量吸收和缓冲效果在可重复使用的同时实现了更柔和的捕捉效果。”

谈到这种材料的成本，他表示，这些部件基本上都是市场上的常见部件，成本并不高。如果采用增材制造进行大规模生产，可以选择更便宜的3D打印技术，或者选择注射成型来制备这种材料。