加州大学欧文分校 UCI和佐治亚理工学院的研究人员开发的新型张拉整体超材料采用了孤立的压缩环单元，这些单元通过连续的抗拉构件网络(以洋红色突出显示)相互连接
信用:延斯·鲍尔和卡梅隆·克鲁克/ UCI 材料和结构的灾难性坍塌是局部受限损伤连锁反应的必然结果——从小裂纹发展后断裂的固体陶瓷到单个支柱翘曲后断裂的金属空间桁架
在本周发表在《高级材料》杂志上的一项研究中，加州大学欧文分校和佐治亚理工学院的工程师描述了一种新的机械超材料的创造，这种材料可以使变形离域以防止失效
他们这样做是因为转向了张拉整体结构，这是一种有百年历史的设计原则，在这种设计原则中，独立的刚性杆被集成到一个由系绳组成的柔性网格中，以产生非常轻质的自张拉桁架结构
从950个纳米直径的成员开始，该团队使用复杂的直接激光书写技术来生成10到20微米大小的基本细胞
这些细胞被构建成八个单位的超级细胞，可以和其他细胞组装成一个连续的结构
研究人员随后进行了计算建模和实验室实验，观察到这些结构表现出独特的同质变形行为，没有局部应力过大或使用不足
研究小组表明，新的超材料的变形能力增强了25倍，能量吸收比最先进的晶格排列增加了一个数量级
与其他两种最先进的纳米结构相比，由UCI和佐治亚理工学院的研究人员(中心)创建的张拉整体网格显示出变形能力提高了25倍，能量吸收增加了一个数量级
信用:延斯·鲍尔和卡梅隆·克鲁克/ UCI “张拉整体结构已经研究了几十年，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它们，”资深合著者洛伦佐·瓦迪瓦特说，他是UCI材料科学和工程教授，负责建筑材料小组
“仅在几年前，我们的合著者佐治亚理工学院的朱利安·里莫里(Julian Rimoli)才从理论上构思出适当的周期性张拉整体晶格，但通过这个项目，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，佐治亚理工学院的团队发现，基于张拉整体的飞行器可以承受其单个部件的严重变形或弯曲，而不会坍塌，这是在其他结构中从未观察到的
“这给了我们创造利用相同原理的超材料的想法，这使我们发现了第一个3D张拉整体超材料，”佐治亚理工学院航空工程教授里莫利解释道
由于新的附加制造技术，基于微米级桁架和网格的极轻但坚固和刚性的传统结构成为可能，并因其在飞机、风力涡轮机叶片和许多其他应用中替代较重的固体物质的潜力而引起发动机工程师的浓厚兴趣
尽管拥有许多令人满意的品质，但这些先进的材料——像任何承重结构一样——如果过载，仍然容易遭受灾难性的破坏
学分:加州大学欧文分校 “在熟悉的纳米结构材料中，失效通常始于高度局部化的变形，”第一作者延斯·鲍尔说，他是UCI机械和航天工程的研究科学家
“剪切带、表面裂缝以及一个区域的墙和支柱的弯曲会引起连锁反应，导致整个结构的倒塌
" 他解释说，当受压构件弯曲时，桁架开始坍塌，因为受拉构件不会
通常，这些部件在公共节点处相互连接，这意味着一旦一个部件出现故障，损坏会迅速蔓延到整个结构
相比之下，张拉整体结构的受压构件形成闭环，相互隔离，仅由受拉构件连接
因此，受压构件的不稳定性只能通过拉伸载荷路径传播，而拉伸载荷路径——前提是它们不会破裂——不会经历不稳定性
向下推张拉整体系统，整个结构均匀压缩，防止局部损坏，否则会导致灾难性的破坏
根据同时也是UCI大学机械和航空工程教授的瓦尔迪瓦特的说法，张拉整体超材料展示了前所未有的抗破坏、极端能量吸收、可变形性和强度的结合，超过了所有其他类型的最先进的轻型建筑
“这项研究为优秀工程系统的设计提供了重要的基础，从可重复使用的冲击保护系统到适应性承重结构，”他说
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