摘要：高焓弹性超材料（high-enthalpy elastic metamaterials）具有高可恢复弹性能量密度，能够提供高效的机械能存储、承重能力、抗冲击性和运动敏捷性等增强性能。这些特性使其成为轻质、小型化和多功能结构的理想选择。然而，实现高焓弹性是一个挑
高焓弹性超材料（high-enthalpy elastic metamaterials）具有高可恢复弹性能量密度，能够提供高效的机械能存储、承重能力、抗冲击性和运动敏捷性等增强性能。这些特性使其成为轻质、小型化和多功能结构的理想选择。然而，实现高焓弹性是一个挑战，因为这需要同时具备高刚度、高强度和大可恢复应变，而这三者通常是相互矛盾的。
为了应对这一挑战，国防科技大学方鑫研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院Peter Gumbsch教授从可自由旋转的手性元素中构建了高焓弹性超材料。与现有的非手性材料相比，这种非优化的手性超材料在保持高刚度的同时，能够承受更大的可恢复应变，并提供更宽的屈曲平台。其屈曲强度提高了5-10倍，焓值提高了2-160倍，单位质量能量增加了2-32倍。这些改进源于手性触发的扭转屈曲变形，这种变形在传统超材料中不存在。该变形模式能够存储大量额外能量，同时对材料失效的峰值应力影响最小。本研究揭示了一种新机制，为设计具有高机械储能能力的超材料和结构提供了新思路，解决了工程领域中的一个重要且普遍的问题。相关成果以“Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling”为题发表在《Nature》上，第一作者为方鑫研究员。
手性和非手力杆的屈曲
传统棒状晶格中的弹性能（图 1c-e）存储在压缩时通常表现出第一屈曲模式的杆中（图 1b）。作者使用分析建模和非线性有限元分析 来解释屈曲过程中储能的缩放，然后将其扩展到包括扭转。作者基于之前的工作，提出了一种新型的手性超材料，通过将轴向变形和扭转耦合来存储更多的能量。与传统的弯曲和压缩变形模式不同，手性超材料能够通过扭曲屈曲模式提高能量存储。研究中使用了具有独立且可旋转的圆柱形单元（图1g），这些结构显示出更高的屈曲模式，能够在固定的材料强度下提高焓值和平台强度（图1h）。通过建立一个分析模型，全面捕捉了螺旋杆的屈曲后行为，发现每根杆的变形模式包括平面内弯曲、平面外弯曲、扭转和压缩（图2c）。此外，螺旋变形不仅提高了小应变下的刚度，还使得随着负荷增加，杆的屈曲变得平滑，而非突然而至（图2c）。通过MD模拟，进一步验证了冷冻电镜图像中的水和离子网络，发现这些手性超材料能在较大应变下储存更多的能量。对于具有较大变形或允许应力的情况下，螺旋杆的能量存储优势更为明显
图1：手性和非手力材料的变形
图2：手性和非手力棒的屈曲
性能比较
作者通过比较手性超材料与传统非手性模型的性能，发现手性设计能显著提升材料的整体表现。使用有限元分析（FEA）和分析方法评估后，结果显示，手性超材料在指定体积下比非手性材料表现更好（图3A、F）。理论上，手性单元可以将杆紧密排列在圆环周围，避免接触，从而提高了结构的性能。与非手性棱镜晶格相比，手性超材料在承载强度（σbk）和焓值（ϕ）上表现出更大的优势，特别是在较高的材料强度下。此外，手性超材料还显示出较高的刚度和能量存储能力，比传统的金属材料提高了多个倍数。当手性元素不可旋转时，它们的性能与其他伸展主导的晶格相似，但具有更高的焓值，这主要得益于扭曲和弯曲带来的额外能量。进一步的比较分析显示，手性设计的超材料在大应变下比传统晶格有更高的承载能力和能量密度（图3F-H）
图3：超材料表现
实验
为了进行实验验证，作者使用橡胶和TC4钛合金通过三维打印制造了多种杆、束和板的样本，并组装成分层的手性超材料（图4A、B）。这些样本根据设计要求（图3E、H）制作，确保它们在特定应变水平下表现出相似的von Mises应力（σv）。测试结果显示，手性超材料在压缩屈曲行为上与分析预测一致（图4A、C）。与传统的棱镜、八面体、张力和开尔文晶格相比，手性超材料在屈曲强度上取得了显著的提升，橡胶样品表现出7.5倍的提升，金属样品也有明显增强，最高提高了5.7倍（图4E）。此外，手性超材料在能量存储方面也表现出极大的优势，在不同的应变水平下，橡胶手性超材料的能量存储能力比非手性晶格高出2.8到32倍（图4I）。这些结果与模拟一致，验证了手性设计的显著改进（图4J）。手性超材料在无需外部约束的情况下，能够可靠地表现出预期的扭曲屈曲行为，显示出较高的刚度和能量存储能力。
图4：实验结果
小结
本文提出了一种新策略，通过在手性元素中引入扭转、弯曲和压缩，创造出具有高焓的超材料，形成独特的手性扭曲屈曲。与现有的非手性晶格相比，这种非优化的手性超材料在保持高刚度的同时，实现了更大的可恢复变形，屈曲强度提高了5-10倍，焓值提高了2-160倍，能量密度提高了2-32倍。通过密集排列手性臂，可以进一步增强其性能。这种高焓超材料在轻量化设计、弹性能量存储、冲击保护、扭转调节和驱动等领域具有潜在应用。此外，扭曲屈曲平台在重载下表现出低动态刚度，为振动隔离器提供了新的可能性
来源：高分子科学前沿