上海交大特種材料研究所：增材制造智能阻裂超結構！超過12倍斷裂能量密度提升！
斷裂可編程超結構有望推動無人飛行器、航空航天等先進裝備領域的發展。材料設計開發方面，機器學習可以幫助研究人員更快速、更準確地設計出能夠高效控制裂紋的超結構元胞，從而提高材料的斷裂韌性和可靠性。使用機器學習算法（如神經網絡、決策樹、支持向量機等）來訓練模型，以識別元胞設計特征與裂紋控制效果之間的關系。訓練過程中，模型會學習如何從輸入的特征預測裂紋的擴展行為和材料的斷裂性能。
“ 3D Science Valley 白皮書 圖文解析”
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合完成。這項研究通過設計和制造具有特定微觀結構的超結構元胞，實現了對裂紋擴展路徑的精確控制，這不僅提高了材料的斷裂韌性，也為材料斷裂行為的預測和防護提供了新的方法。
本期3D科學谷的谷專欄將針對這一研究進展做特別分享。3D Science Valley Discovery“超結構元胞”和“裂紋編程”：
在這項研究中，“超結構元胞”和“裂紋編程”是兩個關鍵概念，它們是實現材料斷裂行為控制和優化的基礎。
1. 超結構元胞：
a. 超結構：在材料科學中，超結構通常指的是具有重復單元結構的材料，這些單元結構的尺寸、形狀和排列方式決定了材料的宏觀性能。超結構可以是二維或三維的，它們通過精確的設計和制造，可以實現傳統材料無法達到的特殊性能。
b. 元胞：在超結構中，元胞是指構成超結構的基本重復單元。每個元胞可以包含不同的幾何特征和材料屬性，這些特征和屬性共同決定了超結構的性能。
c. 超結構元胞是指那些經過特殊設計，能夠通過其內部結構引導和控制裂紋擴展路徑的單元。這些元胞可以是3D打印出來的，具有精確控制的微觀結構，能夠模擬自然界中材料的裂紋阻抗機制。
2. 裂紋編程：
a. 裂紋：在材料中，裂紋是指材料內部的缺陷，它們可以由于外部力的作用而擴展，導致材料的斷裂。裂紋的擴展路徑和速率對材料的斷裂行為有重要影響。
b. 編程：在這里，編程指的是通過設計和制造過程，預先設定裂紋在材料中的擴展路徑和行為。這通常涉及到對材料內部結構的精確控制，以引導裂紋按照預期的方式擴展。
裂紋編程是通過機器學習分析和數據驅動的設計平臺實現的，研究人員通過分析不同元胞構型的斷裂特性，建立了一個數據庫，并開發了一個設計平臺，使得可以在超結構中預先編程裂紋的擴展路徑。這樣，就可以在材料中實現裂紋的三維控制，模仿自然界中材料的裂紋阻抗機制，如裂尖鈍化、裂紋捕捉和釘扎等。
Insights that make better life
基于超結構斷裂編程
研究團隊基于機器學習發明了一種具有裂紋編程能力的新型超結構元胞，不僅實現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（圖1）的啟發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據庫，并結合數據驅動開發了超結構斷裂可編程設計平臺，在超結構中實現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，研發了一套可在人工材料中可自由編程實現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象，不僅首次在超結構甚至人工材料中實現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：受自然啟發的超結構的宏微觀可編程阻裂系統。
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，相比于傳統超結構裂紋的快速、直接擴展，斷裂可編程超結構觸發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展。例如，通過關鍵區域超結構的斷裂編程設計，可實現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。
(責任編輯：admin)
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