李 想 严子铭 柳占立∗ 庄 茁

1 清华大学航天航空学院,应用力学教育部重点实验室,北京100084

2 海南师范大学信息科学技术学院,海口570206

1 引 言

材料的力学性质是材料学领域的研究核心内容之一.近年来出现的先进结构材料等人工复合材料可通过多尺度的结构设计实现各种的卓越的力学性能,因而受到研究人员的广泛关注.常见的先进结构材料有包含点阵结构在内的以高比性能为核心的元胞材料和满足各种特殊性能需求的功能性超材料等.

大自然可以通过生物组织的进化创造出具有优良力学性能的天然元胞材料(Zheng et al.2014),其一般包括蜂窝结构和泡沫结构等基本形式,如图1(a)和图1(b)所示.天然元胞材料可以实现超低密度、应变隔离、能量吸收、裂纹俘获(crack arrest)、热交换、流体存储与交换、过滤等功能.受天然元胞材料的启发,研究者提出了人工元胞材料的概念.人工元胞材料继承了天然元胞材料的诸多优点.图1(c)和图1(d)给出了典型的人工元胞的结构形式.通过周期性元胞构成的材料或结构可以实现优良的比刚度(Chu et al.2008) 和比强度(Bauer et al.2014) 等.近年来,Cheung和Gershenfeld (2013) 提出了一种可重组式新型元胞材料,如图1(f)所示.该材料可以通过元胞的装配实现优异的比模量和比强度,受到航天航空领域的关注.

图1

图2

微纳米力学结构超材料(micro/nano-structured mechanical metamaterials)是近年来材料研究的前沿领域.这些材料一般通过微观或纳观尺度的结构设计,实现天然材料不具备的特殊力学性能,如图2 所示.例如,力学结构……