上海交大王浩偉教授團(tuán)隊開發(fā)增材制造智能阻裂超結(jié)構(gòu)

來源： 上海交通大學(xué)材料學(xué)院


近日，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院王浩偉教授團(tuán)隊在增材制造結(jié)構(gòu)設(shè)計方向取得重要突破，相關(guān)成果在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nature Communications發(fā)表題為“Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature”的論文（doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0），該工作與英國帝國理工學(xué)院Minh-Son Pham教授團(tuán)隊以及香港大學(xué)陸洋教授團(tuán)隊聯(lián)合完成。

研究團(tuán)隊基于機(jī)器學(xué)習(xí)發(fā)明了一種具有裂紋編程能力的新型超結(jié)構(gòu)元胞，不僅實現(xiàn)了奇異的三維裂紋可編程控制，還首次將自然材料的多種阻裂機(jī)制引入到3D打印超結(jié)構(gòu)當(dāng)中，其高度可編程的裂紋設(shè)計與多重阻裂機(jī)制不僅顯著增強(qiáng)了對工程材料斷裂的預(yù)測與防護(hù)能力，還為復(fù)雜材料與結(jié)構(gòu)斷裂力學(xué)領(lǐng)域的研究提供了基于超結(jié)構(gòu)斷裂編程的新路徑。

該研究論文以上海交通大學(xué)為第一完成單位，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生高振洋為第一作者，上海交通大學(xué)王洪澤副教授與吳一副教授為共同通訊作者，共同作者還包括上海交通大學(xué)博士生張曉林、英國帝國理工學(xué)院Minh-Son Pham教授、香港大學(xué)陸洋教授、上海交通大學(xué)夏存娟副教授、王浩偉講席教授。


材料斷裂的高度隨機(jī)性和突發(fā)性，以及裂紋的不可控快速擴(kuò)展，是長期困擾機(jī)械、材料科學(xué)與力學(xué)等諸多領(lǐng)域的重大難題。對工程材料的復(fù)雜斷裂行為進(jìn)行有效的預(yù)測、控制和防護(hù)，對裝備的長期可靠服役與安全性至關(guān)重要。在自然界中，諸多自然材料，如生物骨骼、陶瓷等，通過其復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)來引導(dǎo)裂紋，并通過多種斷裂強(qiáng)化機(jī)制，有效地阻止裂紋的災(zāi)難性擴(kuò)展。

研究人員受到自然材料斷裂系統(tǒng)（圖1）的啟發(fā)提出超結(jié)構(gòu)斷裂可編程元胞，并通過對近千組不同預(yù)編程元胞構(gòu)型的斷裂強(qiáng)度、斷裂角度、斷裂能量等多類物理量的機(jī)器學(xué)習(xí)分析，建立了超結(jié)構(gòu)可編程斷裂數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合數(shù)據(jù)驅(qū)動開發(fā)了超結(jié)構(gòu)斷裂可編程設(shè)計平臺，在超結(jié)構(gòu)中實現(xiàn)了裂紋三維編程控制，并首次基于自然材料阻裂機(jī)理建立了超結(jié)構(gòu)的多類阻裂設(shè)計與理論體系（圖1b）。

圖 1. 受自然啟發(fā)的超結(jié)構(gòu)斷裂可編程設(shè)計體系。

研究人員結(jié)合自然界強(qiáng)化機(jī)制的核心理論，研發(fā)了一套可在人工材料中可自由編程實現(xiàn)的斷裂強(qiáng)化超結(jié)構(gòu)體系（圖2），將裂尖相互作用、裂紋屏蔽和加固橋接等強(qiáng)化機(jī)制應(yīng)用于超結(jié)構(gòu)中，并成功觀察到了由微觀到宏觀的斷裂強(qiáng)化現(xiàn)象，不僅首次在超結(jié)構(gòu)甚至人工材料中實現(xiàn)了斷裂強(qiáng)化機(jī)理的可編程化設(shè)計，還為未來工程材料的斷裂研究提供了斷裂編程的新型探索手段。

圖 2：受自然啟發(fā)的超結(jié)構(gòu)的宏微觀可編程阻裂系統(tǒng)。

基于斷裂可編程強(qiáng)化體系，研究人員將不同強(qiáng)化機(jī)制有效編程于斷裂初始、裂紋擴(kuò)展、與裂紋引導(dǎo)等階段（圖3）。研究指出，相比于傳統(tǒng)超結(jié)構(gòu)裂紋的快速、直接擴(kuò)展，斷裂可編程超結(jié)構(gòu)觸發(fā)了包括裂尖鈍化與偏轉(zhuǎn)，裂紋捕捉與釘扎等諸多強(qiáng)化與防護(hù)機(jī)制（圖3b），大幅提升了斷裂能量（圖3a）。相比于不同構(gòu)型的同密度現(xiàn)有超結(jié)構(gòu)，斷裂可編程超結(jié)構(gòu)具備超過12倍斷裂能量密度提升。

圖 3. 具備不同斷裂強(qiáng)化與引導(dǎo)機(jī)制的斷裂可編程超結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)超結(jié)構(gòu)斷裂過程。

在應(yīng)用方面，斷裂可編程超結(jié)構(gòu)還可通過宏微觀的功能性斷裂編程，推動無人飛行器、航空航天等先進(jìn)裝備領(lǐng)域的發(fā)展。例如，通過關(guān)鍵區(qū)域超結(jié)構(gòu)的斷裂編程設(shè)計，可實現(xiàn)飛行器在撞擊時核心部件的斷裂偏轉(zhuǎn)防護(hù)（圖4）使其服役與失效的過程更為安全可靠。

圖 4. 可編程超結(jié)構(gòu)的功能性應(yīng)用。

該工作獲得了國家重點研發(fā)計劃（No. 2023YFB3712001）、首屆博士生國家自然科學(xué)基金（523B2048）、國家自然科學(xué)基金面上（52075327）等項目經(jīng)費支持。

上海交通大學(xué)材料學(xué)院特種材料研究所，是金屬基復(fù)合材料國家重點實驗室的重要組成部分，由王浩偉教授任負(fù)責(zé)人，與國際著名大學(xué)和大型企業(yè)建立八個聯(lián)合實驗室。研究所主要從事新型特種材料的設(shè)計、制備及其成形技術(shù)研究，支撐了多項國家重大工程需求，在國防裝備、航空航天和汽車軌交等多領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。多年來承擔(dān)國防重點攻關(guān)項目、重點研發(fā)計劃、民機(jī)預(yù)研、民用航天預(yù)研、國家自然科學(xué)基金及國際合作項目等五十余項。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)研究論文近300篇，獲授權(quán)中國國家發(fā)明專利100余項。先后獲得教育部技術(shù)發(fā)明一等獎、上海市技術(shù)發(fā)明一等獎及中國有色金屬工業(yè)技術(shù)發(fā)明一等獎。研究所秉承“創(chuàng)新創(chuàng)造、科研報國”的精神，胸懷祖國、服務(wù)社會，面向世界科技前沿、面向國家重大需求，砥礪前行、勇攀高峰。

團(tuán)隊現(xiàn)長期誠聘激光增材制造/激光成形工藝和裝備，增材制造材料表征（微觀組織、力學(xué)性能、疲勞），增材制造過程同步輻射成像、增材制造超結(jié)構(gòu)等方向博士后。聯(lián)系人：王洪澤 (hz.wang@sjtu.edu.cn)