上海交大王浩偉教授團隊開發(fā)增材制造智能阻裂超結構

來源： 上海交通大學材料學院


近日，上海交通大學材料科學與工程學院王浩偉教授團隊在增材制造結構設計方向取得重要突破，相關成果在國際著名學術期刊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院Minh-Son Pham教授團隊以及香港大學陸洋教授團隊聯(lián)合完成。

研究團隊基于機器學習發(fā)明了一種具有裂紋編程能力的新型超結構元胞，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制引入到3D打印超結構當中，其高度可編程的裂紋設計與多重阻裂機制不僅顯著增強了對工程材料斷裂的預測與防護能力，還為復雜材料與結構斷裂力學領域的研究提供了基于超結構斷裂編程的新路徑。

該研究論文以上海交通大學為第一完成單位，上海交通大學材料科學與工程學院博士生高振洋為第一作者，上海交通大學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博士生張曉林、英國帝國理工學院Minh-Son Pham教授、香港大學陸洋教授、上海交通大學夏存娟副教授、王浩偉講席教授。


材料斷裂的高度隨機性和突發(fā)性，以及裂紋的不可控快速擴展，是長期困擾機械、材料科學與力學等諸多領域的重大難題。對工程材料的復雜斷裂行為進行有效的預測、控制和防護，對裝備的長期可靠服役與安全性至關重要。在自然界中，諸多自然材料，如生物骨骼、陶瓷等，通過其復雜的微觀結構來引導裂紋，并通過多種斷裂強化機制，有效地阻止裂紋的災難性擴展。

研究人員受到自然材料斷裂系統(tǒng)（圖1）的啟發(fā)提出超結構斷裂可編程元胞，并通過對近千組不同預編程元胞構型的斷裂強度、斷裂角度、斷裂能量等多類物理量的機器學習分析，建立了超結構可編程斷裂數(shù)據(jù)庫，并結合數(shù)據(jù)驅動開發(fā)了超結構斷裂可編程設計平臺，在超結構中實現(xiàn)了裂紋三維編程控制，并首次基于自然材料阻裂機理建立了超結構的多類阻裂設計與理論體系（圖1b）。

圖 1. 受自然啟發(fā)的超結構斷裂可編程設計體系。

研究人員結合自然界強化機制的核心理論，研發(fā)了一套可在人工材料中可自由編程實現(xiàn)的斷裂強化超結構體系（圖2），將裂尖相互作用、裂紋屏蔽和加固橋接等強化機制應用于超結構中，并成功觀察到了由微觀到宏觀的斷裂強化現(xiàn)象，不僅首次在超結構甚至人工材料中實現(xiàn)了斷裂強化機理的可編程化設計，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)的超結構的宏微觀可編程阻裂系統(tǒng)。

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

圖 3. 具備不同斷裂強化與引導機制的斷裂可編程超結構與傳統(tǒng)超結構斷裂過程。

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

圖 4. 可編程超結構的功能性應用。

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基金（523B2048）、國家自然科學基金面上（52075327）等項目經費支持。

上海交通大學材料學院特種材料研究所，是金屬基復合材料國家重點實驗室的重要組成部分，由王浩偉教授任負責人，與國際著名大學和大型企業(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計、制備及其成形技術研究，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域獲得廣泛應用。多年來承擔國防重點攻關項目、重點研發(fā)計劃、民機預研、民用航天預研、國家自然科學基金及國際合作項目等五十余項。在國內外學術刊物上發(fā)表學術研究論文近300篇，獲授權中國國家發(fā)明專利100余項。先后獲得教育部技術發(fā)明一等獎、上海市技術發(fā)明一等獎及中國有色金屬工業(yè)技術發(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、力學性能、疲勞），增材制造過程同步輻射成像、增材制造超結構等方向博士后。聯(lián)系人：王洪澤 (hz.wang@sjtu.edu.cn)