我所谭惠丰教授团队的年轻教师陈雪岩在研究超轻材料过程中，创新提出了一类空心封闭微结构材料，该材料解决了传统轻量化材料力学性能对于加载方向敏感性的问题，并能够大幅度提高超材料的比刚度、比强度和比吸能。研究结果以“Closed tubular mechanical metamaterial as lightweight load-bearing structure and energy absorber”为题发表在固体力学期刊Journal of the Mechanics and Physics of Solids上。论文第一作者为哈尔滨工业大学青年教师陈雪岩，我所为第一通讯单位，通讯作者为哈尔滨工业大学谭惠丰教授和法国国家科学院Femto-st研究所Muamer kadic 副教授。研究得到了法国未来投资计划等项目的资助。

基本立方族材料中，简单立方桁架超材料拥有沿主方向的最大的刚度和强度，因而在承载力学超材料领域中扮演着重要的角色。但高度各向异性的力学性能和极低的抗屈曲和剪切性能限制了它在轻量化材料和结构方面的应用。最近一项研究表明，精心设计的空心管状结构可以降低它的各向异性，但作为代价它的刚度会随之降低。因此，如何保证在提升简单立方桁架超材料力学性能的前提下，抑制其对加载方向的敏感性，成为目前亟待解决的问题。

针对以上问题，本研究以简单立方桁架结构作为研究和优化对象，基于增强杆件抵抗弯剪变形能力和充分利用节点效应的设计理念，将实心杆件置换为空心管件，提出了一类简单立方封闭管状超材料。该材料具有有限的加载方向依赖性以及超高的刚度、强度和稳定非线性力学响应。

与刚度最高、强度最强的光滑壳状超材料和管状超材料相比，在相对密度相同的情况下，平均刚度和强度分别增加28% 和53%。采用激光直写光刻技术制备微米尺度样件，并对其进行单轴压缩实验。实验和模拟结果表明：用封闭管件代替固体杆件可以大大降低简单立方超材料的弹性和屈服各向异性。得益于圆柱壳稳定的力学响应，封闭管状材料对屈曲强度的抵抗力大大增强了；结构的可恢复性则可通过进一步减小壳体的厚度来实现，在航空、航天、和机械等领域拥有具有巨大的应用潜力。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmps.2022.104957

空心封闭力学超材料的设计理念、微尺度样件以及和其他空心力学超材料的对比结果