来源： 上海交通大学材料学院
近日，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队在增材制造结构设计方向取得重要突破，相关成果在国际著名学术期刊Nature Communications发表题为“Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature”的论文（doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0），该工作与英国帝国理工学院Minh-Son Pham教授团队以及香港大学陆洋教授团队联合完成。
研究团队基于机器学习发明了一种具有裂纹编程能力的新型超结构元胞，不仅实现了奇异的三维裂纹可编程控制，还首次将自然材料的多种阻裂机制引入到3D打印超结构当中，其高度可编程的裂纹设计与多重阻裂机制不仅显著增强了对工程材料断裂的预测与防护能力，还为复杂材料与结构断裂力学领域的研究提供了基于超结构断裂编程的新路径。
该研究论文以上海交通大学为第一完成单位，上海交通大学材料科学与工程学院博士生高振洋为第一作者，上海交通大学王洪泽副教授与吴一副教授为共同通讯作者，共同作者还包括上海交通大学博士生张晓林、英国帝国理工学院Minh-Son Pham教授、香港大学陆洋教授、上海交通大学夏存娟副教授、王浩伟讲席教授。
材料断裂的高度随机性和突发性，以及裂纹的不可控快速扩展，是长期困扰机械、材料科学与力学等诸多领域的重大难题。对工程材料的复杂断裂行为进行有效的预测、控制和防护，对装备的长期可靠服役与安全性至关重要。在自然界中，诸多自然材料，如生物骨骼、陶瓷等，通过其复杂的微观结构来引导裂纹，并通过多种断裂强化机制，有效地阻止裂纹的灾难性扩展。
研究人员受到自然材料断裂系统（图1）的启发提出超结构断裂可编程元胞，并通过对近千组不同预编程元胞构型的断裂强度、断裂角度、断裂能量等多类物理量的机器学习分析，建立了超结构可编程断裂数据库，并结合数据驱动开发了超结构断裂可编程设计平台，在超结构中实现了裂纹三维编程控制，并首次基于自然材料阻裂机理建立了超结构的多类阻裂设计与理论体系（图1b）。
图 1. 受自然启发的超结构断裂可编程设计体系。
研究人员结合自然界强化机制的核心理论，研发了一套可在人工材料中可自由编程实现的断裂强化超结构体系（图2），将裂尖相互作用、裂纹屏蔽和加固桥接等强化机制应用于超结构中，并成功观察到了由微观到宏观的断裂强化现象，不仅首次在超结构甚至人工材料中实现了断裂强化机理的可编程化设计，还为未来工程材料的断裂研究提供了断裂编程的新型探索手段。
图 2：受自然启发的超结构的宏微观可编程阻裂系统。
基于断裂可编程强化体系，研究人员将不同强化机制有效编程于断裂初始、裂纹扩展、与裂纹引导等阶段（图3）。研究指出，相比于传统超结构裂纹的快速、直接扩展，断裂可编程超结构触发了包括裂尖钝化与偏转，裂纹捕捉与钉扎等诸多强化与防护机制（图3b），大幅提升了断裂能量（图3a）。相比于不同构型的同密度现有超结构，断裂可编程超结构具备超过12倍断裂能量密度提升。
图 3. 具备不同断裂强化与引导机制的断裂可编程超结构与传统超结构断裂过程。
在应用方面，断裂可编程超结构还可通过宏微观的功能性断裂编程，推动无人飞行器、航空航天等先进装备领域的发展。例如，通过关键区域超结构的断裂编程设计，可实现飞行器在撞击时核心部件的断裂偏转防护（图4）使其服役与失效的过程更为安全可靠。
图 4. 可编程超结构的功能性应用。
该工作获得了国家重点研发计划（No. 2023YFB3712001）、首届博士生国家自然科学基金（523B2048）、国家自然科学基金面上（52075327）等项目经费支持。
上海交通大学材料学院特种材料研究所，是金属基复合材料国家重点实验室的重要组成部分，由王浩伟教授任负责人，与国际著名大学和大型企业建立八个联合实验室。研究所主要从事新型特种材料的设计、制备及其成形技术研究，支撑了多项国家重大工程需求，在国防装备、航空航天和汽车轨交等多领域获得广泛应用。多年来承担国防重点攻关项目、重点研发计划、民机预研、民用航天预研、国家自然科学基金及国际合作项目等五十余项。在国内外学术刊物上发表学术研究论文近300篇，获授权中国国家发明专利100余项。先后获得教育部技术发明一等奖、上海市技术发明一等奖及中国有色金属工业技术发明一等奖。研究所秉承“创新创造、科研报国”的精神，胸怀祖国、服务社会，面向世界科技前沿、面向国家重大需求，砥砺前行、勇攀高峰。
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