导读
华南理工大学土木学科海外学者前沿讲座第五十六期，我们邀请到来自美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Teaxs – Austin）土木、建筑工程及环境工程系的张雲岚助理教授为我们讲述建构化材料的设计、性能与应用。本次的讲座以科普“建构化材料”为开端，从结构单元设计、重现超弹性和形状记忆效应、生物启发的形状恢复特性以及建构化材料在土木工程领域的应用可能性四个方面展开了分享。本期讲座录播链接见文末，或点击阅读原文进行观看。
建构化材料（Architected Material）是属于材料科学与先进建造的交叉领域，在航空航天、安全防护和医药装置等领域都有广泛的研究。它可以展现非凡和非比寻常的力学特性。这些材料结构通常由周期性基本单元组成。建构化材料包含如晶体结构、负泊松比结构、折纸结构、剪纸结构等等，通过定制每个基本单元的特征，可以使建构化材料具有超弹性、负泊松比、负热膨胀等新力学性能。最近我们课题组还尝试了将晶格结构作为基底增强材料与传统混凝土中相结合的研究（详见【成果展示】多样化晶格几何与单元布置增强的水泥基复合材料力学性能研究）。
建构化材料在力学领域的研究已经十分广泛了，但在土木工程方向仍然是较新的概念，这主要是由于制作工艺限制了其向大尺度结构领域的扩展。目前，建构化材料的研究主要有两方面挑战：一是科学理论问题，如何设计结构单元的几何形态并合理地排布，以及结构在多物理场理论和应用方面的研究；另一个是工程技术问题，建构化材料面临大尺度构件设计和制备、复杂受力和表征、应用场景缺乏的困难。如今，增材制造技术的出现为建构化材料在土木领域的应用提供了新的机遇，传统的材料结构设计需要被重新审视，其未来应是面向属性可调节、功能可定制等方向发展的。
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首先，张老师展开介绍了以汽车防撞应用为导向，一类被称为形状记忆合金类似物 (ASMAs) 建构化材料的开发，并介绍由她开创的一种建构 ASMAs 的方法。ASMAs 在大变形后表现出温度诱导的形状恢复特性，也被称为形状记忆效应。在此过程中，ASMAs 耗散能量但保持弹性，具有超弹性的特殊属性。ASMAs是一种周期性元胞材料，其单元胞具有多种稳定或亚稳定构型。在单位单元水平上的各种(元)稳定配置之间的转换使这些材料表现出可重复使用的固态能量耗散。这种能量耗散产生于应变能的存储和非平衡释放，伴随着这些转变的极限点遍历。材料变形是完全可恢复的，因此材料可以重复使用，多次吸收和耗散能量。
在这项工作中，她提出了两种功能二维结构的设计：基于正方形主题的四轴反射对称S型和基于三角形主题的六轴对称T型。她通过实验和模拟来了解在多轴加载条件下触发的各种机制，数值和实验结果表明，这些材料在沿材料反射对称的各个轴施加载荷时表现出相似的固态能量耗散。在大多数荷载方向下，t型的比耗能能力略大于S型，对荷载方向的敏感性较低。然而，这两种材料都具有负泊松比特性，并且在耗散能量方面都表现得非常有效。
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随后，受水合诱导的羽毛形状恢复的启发，张老师展示了其所设计的ASMAs弹簧系统是如何实现形状恢复的。她建立了一种基本的理论模型，将弹簧和ASMAs材料结合，可以通过加温使其恢复原本的形态。
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最后，张老师分享了此类材料在土木工程和其他场景中的实际应用，并分享了建构化材料中模块化结构在实际应用的可能性。他们使用金属的材料制造材料，并在地震台上用了五组地震波做了一百多组一系列的实验，验证了多稳态结构在地震波作用下的力学性能，为多稳态建构化材料在抗震工程领域的应用奠定探索的基础。
总结
本次讲座中，张老师向我们展现了建构化材料的精妙设计以及它的应用可能性。通过结构设计不仅能实现目标功能，还可以在经济成本和人力物力等方面达到最大效率化；设计的结构不仅可以实现比原材料强度更高或者刚度更高、稳定性更强等力学性质，还可以实现更多尺度范围的应用。
之前胡老师让大家思考科研中“科学问题”和“技术问题”的区别。研究科学型问题，就是回答WHY，即弄清楚现象为什么存在，结果为什么会发生，寻找其原因，探索其原理，给出其解释。而研究技术型问题，就是回答HOW，即怎么做才能实现，如何做才能更好，分析其原理，掌握其方法，突破其关键。二者的研究策略有很大区别，但之间也存在紧密联系。张雲岚老师的讲座谈到，我们现在研究的建构化材料，正在拓宽科学与工程的之间的交叉区域，面临的科学挑战是对Units进行几何与拓扑的设计，而面临的技术挑战则是材料大尺度化和应用实现，这需要多学科的科学知识和技术优势共同创新。结合我们自己的研究课题，目前同样遇到大尺度构件设计和制备、复杂受力和表征的困难，而张老师清晰的研究思路给了更多启示！
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张雲岚老师主页：
https://sites.utexas.edu/utmaslab/
讲座录播链接：https://b23.tv/alMkbM4
来源于多样化结构实验室VSL
排版 | 李嘉晨
审核 | 胡 楠