摘要：具有高可恢复弹性能量密度的机械超材料（即高焓弹性超材料）具备诸多优异性能，包括高效的机械能存储、卓越的承载能力、优异的抗冲击性以及灵活的运动特性。

具有高可恢复弹性能量密度的机械超材料（即高焓弹性超材料）具备诸多优异性能，包括高效的机械能存储、卓越的承载能力、优异的抗冲击性以及灵活的运动特性。

这些特性使其成为轻量化、微型化及多功能结构的理想选择。

然而，实现高焓值仍然极具挑战性，因为这需要在高刚度、高强度和大可恢复应变这三种相互冲突的特性之间取得平衡。

在此，来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的Peter Gumbsch、国防科技大学(第一通讯单位)的方鑫(第一作者兼通讯作者)等研究者利用可自由旋转的手性超单元构建了高焓弹性超材料。相关论文以题为“Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling”于2025年03月12日发表在Nature上。

具有高可恢复弹性能量密度（即焓值 ϕ）的材料在众多应用中备受需求，但要实现这一点，需要同时具备高模量（Es）、高强度和大的可恢复应变（εlimit）。

碳纳米管在纳米尺度上表现出极端特性，但在宏观尺度上实现高焓值仍然面临挑战。

形状材料通过优化拓扑结构和变形模式（包括弹性屈曲）可以提供卓越的刚度、形状控制和波动调控。

在载荷-变形曲线上，具有更高且更宽的屈曲平台对于提升能量存储能力至关重要（图 1h）。

然而，在现有设计中（图 1c–e），即使是张力结构格子，实现大可恢复应变通常会导致屈曲平台应力下降。这一局限性源于以弯曲主导的屈曲模式，该模式不仅限制了宏观应力，同时也会产生高局部应变，从而导致材料失效。

为此，研究者提出了一种新方法，以克服这一局限并提升可恢复焓值：采用融合扭转、压缩与弯曲特性的手性结构。

与现有的非手性格子结构相比，未经优化的手性超材料不仅能够同时保持高刚度和较大的可恢复应变，还能显著改善屈曲性能：屈曲强度提升 5–10 倍，焓值提高 2–160 倍，单位质量能量存储提升 2–32 倍，并具备更宽的屈曲平台。

这些提升来源于手性结构诱发的扭转屈曲变形，而这种变形模式在传统超材料中并不存在。

该变形模式能够额外存储大量能量，同时对决定材料失效的峰值应力影响较小。

该研究揭示了一种新的机制，并为高机械能存储能力的超材料与结构设计提供了重要见解。

这一发现不仅具有广泛的工程应用价值，也为解决这一基础性科学问题提供了新的思路。

图1 手性和非手性超材料的变形。

图2 手性和非手性棒的屈曲。

图3 超材料性能。

图4 实验结果。

综上所述，研究者提出了一种新策略，通过在手性超单元中引入 扭转、弯曲和压缩作用，形成独特的手性扭转屈曲，以构建具有高焓值的超材料。

与现有的各种非手性格子结构相比，未经优化的手性超材料不仅能保持高刚度，还能实现更大的可恢复变形，同时在材料强度极限内表现出5-10 倍的屈曲强度、2-160 倍的焓值以及2-32 倍的单位质量能量存储能力。此外，通过增加手性臂的密度，其性能可进一步提升。

高焓值超材料在轻量化与微型化设计、弹性能量存储、冲击防护、扭转调控和驱动系统 等领域具有广泛的应用潜力。其扭转屈曲平台还能在重载条件下提供低动态刚度，为低频振动隔离器的开发开辟了新的可能性。

参考文献

Fang, X., Yu, D., Wen, J. et al. Large recoverable elastic energy in chiral metamaterials via twist buckling. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08658-z原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08658-z

来源：朱老师讲VASP