《Defence Technology》：Experimental study on the dynamic deformation and mechanical behavior of compression-twist coupled chiral metamaterials
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本文針對壓縮-扭轉耦合手性超材料在沖擊載荷下的動態力學行為尚不明確的科學問題，研究人員利用SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar）系統，對3D打印制備的同向立構和間同立構晶格胞元的動態彈塑性響應進行了實驗研究。結果表明，兩種構型在準靜態下力學響應相似，但在動態沖擊下表現出顯著差異：同向構型能將壓縮應力波轉化為壓縮-剪切混合應力波，而間同構型幾乎完全阻隔應力波傳遞，展現出優異的能量吸收能力。該研究為開發先進的抗沖擊防護結構和定向能武器系統提供了重要見解。
在工程實踐中，材料和結構常常需要在循環載荷、振動乃至動態沖擊等復雜環境下工作。傳統的超材料往往表現出有限的可調性，這限制了它們在不同載荷條件下的適應能力。而手性結構，則通過調整幾何參數為實現可調的力學行為提供了可能。其中，壓縮-扭轉耦合手性超材料及結構，在軸向載荷下展現出協同的壓縮-扭轉變形，在能量存儲和抗沖擊方面顯示出巨大潛力。然而，盡管其準靜態力學性能已被廣泛研究，但它們在沖擊載荷下的動態彈塑性行為，特別是不同幾何構型如何影響應力波傳播、能量吸收和變形特性，卻仍然是個謎。為了揭開這個謎團，一項針對兩種不同幾何構型（同向立構和間同立構）的壓縮-扭轉晶格胞元在高速沖擊下的力學行為研究，由來自太原理工大學航空宇航學院應用力學研究所的團隊完成，并發表在《Defence Technology》期刊上。
為了開展這項研究，研究人員主要采用了以下幾種關鍵技術方法：首先，基于壓縮-扭轉手性單元，通過不同的建模策略（旋轉或鏡像）設計并制備了同向立構和間同立構兩種晶格胞元。其次，利用選擇性激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）3D打印技術，以AlSi10Mg鋁合金和316L不銹鋼為基體材料制造了實驗試樣。再次，核心的動態力學性能測試是通過分離式霍普金森壓桿（SHPB）系統完成的，該系統能夠施加高應變率（102–104s-1）的沖擊載荷。此外，研究還結合了準靜態壓縮試驗、高速攝影記錄變形模式，以及復雜的應變信號采集與處理（包括使用應變花測量剪切波）來全面分析試樣的響應。
研究結果部分通過一系列對比實驗，揭示了不同構型壓縮-扭轉晶格胞元的獨特力學行為：
4.1. 準靜態壓縮結果對比
研究顯示，在準靜態壓縮下，當幾何參數相同時，同向立構和間同立構兩種晶格胞元的力-位移曲線幾乎重合，表明它們的壓縮剛度相同且與幾何構型無關。然而，在扭轉行為上兩者差異顯著：同向立構胞元表現出明顯的整體扭轉，其扭轉角隨壓縮位移線性增加；而間同立構胞元則沒有可觀測的整體扭轉，其扭轉變形被限制在內部的方形環內。
4.2. 動態壓縮結果對比
這是本研究的關鍵發現。在SHPB沖擊載荷下，兩種構型的動態行為迥異：
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同向立構晶格胞元在動態加載下發生整體壓縮-扭轉耦合變形，能夠在透射桿中同時產生可測量的壓縮應力波和剪切應力波，實現了軸向壓縮向扭轉的轉換。其應力波輸出強度依賴于基體材料的剛度（316L不銹鋼比AlSi10Mg鋁合金產生更強的波）。
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間同立構晶格胞元在沖擊下僅發生斜桿繞中心方環的局部旋轉，不產生整體扭轉，因此幾乎檢測不到剪切應力波，且透射波電壓也近乎為零，表現出極強的應力波衰減和能量吸收能力。其應力波響應主要受幾何構型控制，與基體材料剛度無關。
此外，動態加載下的扭轉角普遍低于相同壓縮位移下的準靜態值，且基體材料剛度越低，扭轉角下降幅度越大，這表明壓縮-扭轉耦合效應受材料剛度和加載應變率的影響，而非材料本身的應變率敏感性。
4.3. 變形和應力波傳播的物理機制
研究通過內部受力分析解釋了上述現象的根本原因。同向立構構型中兩個手性單元的扭轉方向相同，其耦合扭矩疊加，導致整體扭轉并產生剪切應力波。而在間同立構構型中，兩個手性單元（一個右旋，一個左旋）的扭轉方向相反，其耦合扭矩相互抵消，凈扭矩為零，因此沒有整體扭轉，也不產生剪切應力波。兩種構型的軸向內力相同，這解釋了它們為何具有相同的軸向壓縮剛度。
4.4. 316L不銹鋼動態壓縮結果分析
以剛度較高的316L不銹鋼為基體材料，進一步研究了幾何參數和應變率的影響：
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應變率越高，產生的應力波幅值越大，且軸向動態應力-應變曲線的峰值應力越高、出現更早，表現出強烈的應變率敏感性。
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幾何參數b（中間方環對角線長度）至關重要。當b=11 mm時，同向立構胞元的初始屈服強度明顯低于間同立構胞元；當b增大到15 mm時，兩者的應力-應變曲線變得更為相似。增大b會降低晶格胞元的軸向壓縮剛度，并減弱壓縮-扭轉耦合效應（單位應變的扭轉角），從而削弱同向立構胞元的剪切應力波輸出。
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對于同向立構胞元，其產生的動態剪切應力-應變關系顯示，剪切應力隨應變率的增加有限，但隨b的增大而減小。同時，在更高應變率下，沖擊能量更大，導致更大的壓縮位移和扭轉角。
結論與討論部分歸納了本研究的核心發現與重要意義。 研究結果表明，壓縮-扭轉耦合手性超材料的動態力學行為高度依賴于其幾何構型。同向立構晶格胞元因其出色的位移和應力波轉換能力，在智能材料或定向能武器系統（如通過縱向爆炸沖擊產生水平扭轉變形以增強破片戰斗部徑向殺傷力）中具有應用潛力。而間同立構晶格胞元則憑借其強大的波衰減和能量吸收特性，非常適合用于減震降噪或能量吸收緩沖裝置（如無人機防撞保護裝置）。此外，幾何參數b是調控材料剛度、強度及耦合效應的關鍵設計變量。本研究首次通過實驗揭示了這類材料在高應變率沖擊下的彈塑性行為和波調控機理，填補了該領域的研究空白。這些發現不僅深化了對壓縮-扭轉耦合手性超材料動態性能的理解，更為未來設計具有可編程波功能（如波轉換、振動隔離、沖擊緩沖）的先進抗沖擊防護結構和能量管理系統提供了寶貴的實驗依據和設計指導。未來的研究可以擴展到多胞元結構的跨尺度應力波機理探索，以及建立定量描述幾何和材料屬性對波調控影響的多目標理論框架。
