科研进展 | 拓扑超构材料的力学性能

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晶格结构是一类特殊的超构材料，描述了销连接或刚性连接的支柱网络。晶格的特性由它们的拓扑和几何形状、基础材料和相对密度定义。改变这三个属性中的任何一个都会直接影响整个晶格的力学响应。不管是刚性、轻量化结构设计还是用于能量吸收的多稳态力学超构材料，都可以找到晶格结构的身影。物理学和工程学的最新进展导致发现了热、电磁、光学、量子和力学超构材料系统中的基本拓扑原理。所描述的拓扑概念的普遍性意味着类似的设计方法可用于为所有这些领域的不同应用创建超构材料。随着将量子力学拓扑绝缘体与力学系统联系起来，在拓扑绝缘体中，块状材料充当绝缘体，但传导电子可以沿系统边缘无电阻地移动。同样的原理也适用于力学网络，将力学现象集中在一个区域的边界，这反过来又可以解释为力学绝缘体。这些类型的力学结构可以将低能应力（自应力状态）和运动机制（零模式）集中在设计边界处。力学系统中的这种现象由拓扑不变量描述，即所谓的拓扑极化。以前的大部分工作都描述了拓扑极化在具有六边形Kagome或方形晶胞的晶格中线性边界区域的影响。虽然拓扑特性取决于基本晶胞的所选参数化，但由于确定极化所需的复杂空间中的非直观计算，寻找新的参数化具有挑战性。同样，引入非线性边界区域也很困难，因为晶胞的选择和数量会严重影响边界区域的设计和形状。与拓扑效应相反，极化晶格的整体力学性能在最近的工作中很少受到关注。

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院Joël N. Chapuis团队研究了非线性边界对拓扑超构材料中自应力状态形成的影响。展示了六边形Kagome晶格和方形晶格在极化状态下如何沿非线性边界区域集中轴向力，以及由此产生的力学性能如何取决于外部载荷的方向和用于极化给定晶格的节点位移的大小。虽然六边形Kagome晶格的参数化在之前文献有报道，但提出了一种用于方形晶格的新型晶胞参数化，以分析具有不同力学行为的两个晶格。使用数值模拟和3D打印样品的力学测试来分析力学和拓扑晶格特性。

结果表明，极化晶格的力学性能主要取决于极化期间从拉伸主导状态向弯曲主导状态的转换，但也取决于磁畴边界中力集中的增加。这些发现使设计具有预定浓度行为的复杂拓扑晶格成为可能，同时也解释了整体力学性能的变化。相关研究发表在《Extreme Mechanics Letters》上。（徐锐）

文章链接：

J. N. Chapuis, T. S. Lumpe, K. Shea. Mechanical properties of topological metamaterials[J]. Extreme Mechanics Letters, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.eml.2022.101835

来源：两江科技评论微信公众号（ID：imeta-center），作者：九乡河。