【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】長期以來，工程防護領(lǐng)域面臨一項核心挑戰(zhàn)：吸能材料難以在“高效吸收沖擊”與“自身輕量化”之間取得最佳平衡。高吸能往往意味著厚重的結(jié)構(gòu)，而輕質(zhì)材料又常因吸能不足難以擔(dān)當(dāng)大任。這一矛盾制約了航空航天、交通工具、個人防護裝備等多方面的安全性能提升。
近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院柳占立教授課題組與合作者，在這一百年難題上取得了突破性進展。他們創(chuàng)新性地提出并研制了一種手性多曲殼超材料。該材料通過獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，首次實現(xiàn)了壓縮-扭轉(zhuǎn)與屈曲兩種力學(xué)機理的協(xié)同耦合，從而近乎完美地統(tǒng)一了高承載、平滑吸能與輕量化三者之間的關(guān)系。
核心創(chuàng)新：巧妙的“壓縮-旋轉(zhuǎn)-屈曲”變形模式
該研究的精髓在于其仿生與物理耦合的設(shè)計思想。研究團隊設(shè)計的CMCS結(jié)構(gòu)，在受到外部沖擊時，并非簡單地被壓潰，而是會經(jīng)歷一個精巧的“壓縮-旋轉(zhuǎn)-屈曲”連續(xù)變形過程。這一模式帶來兩大核心優(yōu)勢：
應(yīng)力分布最大化：沖擊力被轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)的均勻壓縮、旋轉(zhuǎn)和彎曲，使得應(yīng)力得以分散到結(jié)構(gòu)的絕大部分區(qū)域，從而物盡其用，極大提升了材料的利用效率。
避免災(zāi)難性失效：均勻的應(yīng)力分布有效防止了應(yīng)力在局部過度集中，避免了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)常見的突然壓潰或斷裂，保證了吸能過程的平穩(wěn)與可控。
性能飛躍：關(guān)鍵指標(biāo)實現(xiàn)數(shù)量級提升
根據(jù)發(fā)表在《自然·通訊》上的論文數(shù)據(jù)，這種新型超材料的性能優(yōu)勢令人矚目：
與傳統(tǒng)標(biāo)桿對比：與經(jīng)典的六邊形蜂窩、內(nèi)凹等吸能超材料相比，在完成相同防護任務(wù)時，CMCS超材料的比吸能(單位質(zhì)量吸能量)提升了約3倍，而其自身相對密度僅為傳統(tǒng)材料的41%，真正做到了“更輕、更強”。
刷新性能上限：與近年來涌現(xiàn)的各種先進吸能超材料同臺競技時，CMCS超材料將領(lǐng)域內(nèi)最高的吸能效率紀錄從0.83提升至0.91(理想值為1)，同時其比吸能也顯著超越所有對比對象，樹立了新的性能標(biāo)桿。
應(yīng)用廣闊：從國之重器到日常安全
憑借“高效率-高吸能-輕量化”的綜合卓越性能，CMCS超材料為眾多領(lǐng)域的沖擊防護難題提供了革命性的解決方案。其潛在應(yīng)用場景極具想象力：
航空航天：可用于飛機起落架吸能組件、無人機緩沖結(jié)構(gòu)，在保障安全的同時大幅減輕重量。
交通運輸：制作車輛碰撞緩沖區(qū)和建筑防護層，能更有效地保障乘員與結(jié)構(gòu)安全。
個人防護：應(yīng)用于新一代頭盔的懸掛系統(tǒng)或防護服內(nèi)襯，可為消防員、運動員等提供更優(yōu)的沖擊保護。
這項由柳占立教授團隊引領(lǐng)的研究，不僅報告了一種性能優(yōu)異的新材料，更提供了一種通過多物理機制耦合來解決工程矛盾的全新設(shè)計范式。它標(biāo)志著我國在先進力學(xué)超材料設(shè)計與沖擊防護領(lǐng)域已走在國際前沿，為未來打造更安全、更輕便的裝備與設(shè)施奠定了堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。
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