導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第五十六期，我們邀請到來自美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校（University of Teaxs - Austin）土木、建筑工程及環(huán)境工程系的張雲(yún)嵐助理教授為我們講述建構(gòu)化材料的設(shè)計、性能與應(yīng)用。本次的講座以科普“建構(gòu)化材料”為開端，從結(jié)構(gòu)單元設(shè)計、重現(xiàn)超彈性和形狀記憶效應(yīng)、生物啟發(fā)的形狀恢復(fù)特性以及建構(gòu)化材料在土木工程領(lǐng)域的應(yīng)用可能性四個方面展開了分享。本期講座錄播鏈接見文末，或點擊閱讀原文進行觀看。

建構(gòu)化材料（Architected Material）是屬于材料科學(xué)與先進建造的交叉領(lǐng)域，在航空航天、安全防護和醫(yī)藥裝置等領(lǐng)域都有廣泛的研究。它可以展現(xiàn)非凡和非比尋常的力學(xué)特性。這些材料結(jié)構(gòu)通常由周期性基本單元組成。建構(gòu)化材料包含如晶體結(jié)構(gòu)、負泊松比結(jié)構(gòu)、折紙結(jié)構(gòu)、剪紙結(jié)構(gòu)等等，通過定制每個基本單元的特征，可以使建構(gòu)化材料具有超彈性、負泊松比、負熱膨脹等新力學(xué)性能。最近我們課題組還嘗試了將晶格結(jié)構(gòu)作為基底增強材料與傳統(tǒng)混凝土中相結(jié)合的研究（詳見【成果展示】多樣化晶格幾何與單元布置增強的水泥基復(fù)合材料力學(xué)性能研究）。

建構(gòu)化材料在力學(xué)領(lǐng)域的研究已經(jīng)十分廣泛了，但在土木工程方向仍然是較新的概念，這主要是由于制作工藝限制了其向大尺度結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的擴展。目前，建構(gòu)化材料的研究主要有兩方面挑戰(zhàn)：一是科學(xué)理論問題，如何設(shè)計結(jié)構(gòu)單元的幾何形態(tài)并合理地排布，以及結(jié)構(gòu)在多物理場理論和應(yīng)用方面的研究；另一個是工程技術(shù)問題，建構(gòu)化材料面臨大尺度構(gòu)件設(shè)計和制備、復(fù)雜受力和表征、應(yīng)用場景缺乏的困難。如今，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)為建構(gòu)化材料在土木領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的機遇，傳統(tǒng)的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計需要被重新審視，其未來應(yīng)是面向?qū)傩钥烧{(diào)節(jié)、功能可定制等方向發(fā)展的。

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首先，張老師展開介紹了以汽車防撞應(yīng)用為導(dǎo)向，一類被稱為形狀記憶合金類似物 (ASMAs) 建構(gòu)化材料的開發(fā)，并介紹由她開創(chuàng)的一種建構(gòu) ASMAs 的方法。ASMAs 在大變形后表現(xiàn)出溫度誘導(dǎo)的形狀恢復(fù)特性，也被稱為形狀記憶效應(yīng)。在此過程中，ASMAs 耗散能量但保持彈性，具有超彈性的特殊屬性。ASMAs是一種周期性元胞材料，其單元胞具有多種穩(wěn)定或亞穩(wěn)定構(gòu)型。在單位單元水平上的各種(元)穩(wěn)定配置之間的轉(zhuǎn)換使這些材料表現(xiàn)出可重復(fù)使用的固態(tài)能量耗散。這種能量耗散產(chǎn)生于應(yīng)變能的存儲和非平衡釋放，伴隨著這些轉(zhuǎn)變的極限點遍歷。材料變形是完全可恢復(fù)的，因此材料可以重復(fù)使用，多次吸收和耗散能量。

在這項工作中，她提出了兩種功能二維結(jié)構(gòu)的設(shè)計：基于正方形主題的四軸反射對稱S型和基于三角形主題的六軸對稱T型。她通過實驗和模擬來了解在多軸加載條件下觸發(fā)的各種機制，數(shù)值和實驗結(jié)果表明，這些材料在沿材料反射對稱的各個軸施加載荷時表現(xiàn)出相似的固態(tài)能量耗散。在大多數(shù)荷載方向下，t型的比耗能能力略大于S型，對荷載方向的敏感性較低。然而，這兩種材料都具有負泊松比特性，并且在耗散能量方面都表現(xiàn)得非常有效。

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隨后，受水合誘導(dǎo)的羽毛形狀恢復(fù)的啟發(fā)，張老師展示了其所設(shè)計的ASMAs彈簧系統(tǒng)是如何實現(xiàn)形狀恢復(fù)的。她建立了一種基本的理論模型，將彈簧和ASMAs材料結(jié)合，可以通過加溫使其恢復(fù)原本的形態(tài)。

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最后，張老師分享了此類材料在土木工程和其他場景中的實際應(yīng)用，并分享了建構(gòu)化材料中模塊化結(jié)構(gòu)在實際應(yīng)用的可能性。他們使用金屬的材料制造材料，并在地震臺上用了五組地震波做了一百多組一系列的實驗，驗證了多穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在地震波作用下的力學(xué)性能，為多穩(wěn)態(tài)建構(gòu)化材料在抗震工程領(lǐng)域的應(yīng)用奠定探索的基礎(chǔ)。

總結(jié)

本次講座中，張老師向我們展現(xiàn)了建構(gòu)化材料的精妙設(shè)計以及它的應(yīng)用可能性。通過結(jié)構(gòu)設(shè)計不僅能實現(xiàn)目標功能，還可以在經(jīng)濟成本和人力物力等方面達到最大效率化；設(shè)計的結(jié)構(gòu)不僅可以實現(xiàn)比原材料強度更高或者剛度更高、穩(wěn)定性更強等力學(xué)性質(zhì)，還可以實現(xiàn)更多尺度范圍的應(yīng)用。

之前胡老師讓大家思考科研中“科學(xué)問題”和“技術(shù)問題”的區(qū)別。研究科學(xué)型問題，就是回答WHY，即弄清楚現(xiàn)象為什么存在，結(jié)果為什么會發(fā)生，尋找其原因，探索其原理，給出其解釋。而研究技術(shù)型問題，就是回答HOW，即怎么做才能實現(xiàn)，如何做才能更好，分析其原理，掌握其方法，突破其關(guān)鍵。二者的研究策略有很大區(qū)別，但之間也存在緊密聯(lián)系。張雲(yún)嵐老師的講座談到，我們現(xiàn)在研究的建構(gòu)化材料，正在拓寬科學(xué)與工程的之間的交叉區(qū)域，面臨的科學(xué)挑戰(zhàn)是對Units進行幾何與拓撲的設(shè)計，而面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)則是材料大尺度化和應(yīng)用實現(xiàn)，這需要多學(xué)科的科學(xué)知識和技術(shù)優(yōu)勢共同創(chuàng)新。結(jié)合我們自己的研究課題，目前同樣遇到大尺度構(gòu)件設(shè)計和制備、復(fù)雜受力和表征的困難，而張老師清晰的研究思路給了更多啟示！

END

張雲(yún)嵐老師主頁：

https://sites.utexas.edu/utmaslab/

講座錄播鏈接：https://b23.tv/alMkbM4

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠