材料和结构的灾难性倒塌是局部受限损坏的连锁反应的必然结果-从产生小裂纹的实心陶瓷到在单个支柱翘曲后屈服的金属空间桁架。在本周发表于《高级材料》上的一项研究中，加利福尼亚大学欧文分校和乔治亚理工学院的工程师描述了新型机械超材料的创建，这些材料能使变形非局部化以防止失效。他们这样做是通过使用Tensegrity(一个世纪的设计原则)来完成的，在该原则中，将孤立的刚性杆集成到柔性的绳索网中，以生产非常轻便的，自张紧的桁架结构。

该团队从950纳米直径的成员开始，使用先进的直接激光写入技术来生成尺寸在10到20微米之间的基本单元。它们被组装成八个单元的超级电池，可以与其他单元组装以形成连续的结构。然后，研究人员进行了计算建模和实验室实验，观察到这些构造物表现出独特的均匀变形行为，而没有局部的过应力或使用不足。

研究小组表明，新的超材料的可变形性提高了25倍，能量吸收率比最新的晶格排列提高了数个数量级。

与其他两个最先进的纳米级结构相比，UCI和佐治亚理工学院的研究人员(中心)创建的张力晶格显示出可变形性提高了25倍，能量吸收提高了一个数量级。图片来源：Jens Bauer和Cameron Crook / UCI

UCI材料科学与工程教授Uren的资深合著者Lorenzo Valdevit说：“张力结构已经研究了数十年，特别是在建筑设计的背景下，最近在许多生物系统中发现了张力结构。建筑材料集团。“几年前，我们的合著者佐治亚理工学院的朱利安·里莫利(Julian Rimoli)在理论上仅对适当的周期性张力晶格进行了概念化，但是通过该项目，我们实现了这些超材料的首次物理实现和性能演示。”

在为行星着陆器开发结构配置时，佐治亚理工学院的研究小组发现，以张力为基础的车辆可以承受其单个组件的严重变形或屈曲而不会塌陷，这在其他结构中是从未发现过的。

佐治亚理工学院航空工程学教授里莫利解释说：“这给了我们创造利用相同原理的超材料的想法，这使我们发现了有史以来的第一个3D张力超材料。”

通过新颖的增材制造技术使之成为可能，基于微米级桁架和格架的极其轻便而坚固的刚性传统结构引起了工程师的浓厚兴趣，因为它们具有替代飞机，风力涡轮机叶片和许多其他物体中较重的固体物质的潜力。其他应用程序。尽管这些高级材料具有许多理想的质量，但它们可以像任何承重结构一样，在过载的情况下仍然易于遭受灾难性破坏。

UCI机械和航空航天工程研究科学家第一作者Jens Bauer说：“在熟悉的纳米结构材料中，失效通常始于高度局部的变形。” “一个区域的剪切带，表面裂缝以及壁和支柱的屈曲会引起连锁反应，从而导致整个结构坍塌。”

他解释说，当受压构件屈曲时，桁架的格子开始坍塌，因为受拉的桁架无法承受。通常，这些部分在公共节点处互连，这意味着一旦发生故障，损坏会迅速扩散到整个结构中。

相反，张力结构的压缩构件形成闭环，该闭环彼此隔离并且仅通过拉伸构件连接。因此，压缩构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传播，前提是它们不会破裂，就不会经历不稳定性。向下推拉张力系统，整个结构均匀受压，防止局部损坏，否则将导致灾难性的破坏。

据同时也是UCI机械和航空工程学教授的瓦尔德维特(Valdevit)所说，张力超材料显示出前所未有的抗破坏性，极高的能量吸收，可变形性和强度的组合，胜过所有其他类型的最新轻型建筑。

他说：“这项研究为高级工程系统的设计提供了重要的基础，从可重复使用的冲击防护系统到适应性的承重结构。”

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