上海交大特种材料研究所：增材制造智能阻裂超结构！超过12倍断裂能量密度提升！
断裂可编程超结构有望推动无人飞行器、航空航天等先进装备领域的发展。材料设计开发方面，机器学习可以帮助研究人员更快速、更准确地设计出能够高效控制裂纹的超结构元胞，从而提高材料的断裂韧性和可靠性。使用机器学习算法（如神经网络、决策树、支持向量机等）来训练模型，以识别元胞设计特征与裂纹控制效果之间的关系。训练过程中，模型会学习如何从输入的特征预测裂纹的扩展行为和材料的断裂性能。
“ 3D Science Valley 白皮书 图文解析”
近日，上海交通大学材料科学与工程学院王浩伟教授团队在增材制造结构设计方向取得重要突破，相关成果在国际著名学术期刊Nature Communications发表题为“Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature”的论文（doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0），该工作与英国帝国理工学院Minh-Son Pham教授团队以及香港大学陆洋教授团队联合完成。这项研究通过设计和制造具有特定微观结构的超结构元胞，实现了对裂纹扩展路径的精确控制，这不仅提高了材料的断裂韧性，也为材料断裂行为的预测和防护提供了新的方法。
本期3D科学谷的谷专栏将针对这一研究进展做特别分享。3D Science Valley Discovery“超结构元胞”和“裂纹编程”：
在这项研究中，“超结构元胞”和“裂纹编程”是两个关键概念，它们是实现材料断裂行为控制和优化的基础。
1. 超结构元胞：
a. 超结构：在材料科学中，超结构通常指的是具有重复单元结构的材料，这些单元结构的尺寸、形状和排列方式决定了材料的宏观性能。超结构可以是二维或三维的，它们通过精确的设计和制造，可以实现传统材料无法达到的特殊性能。
b. 元胞：在超结构中，元胞是指构成超结构的基本重复单元。每个元胞可以包含不同的几何特征和材料属性，这些特征和属性共同决定了超结构的性能。
c. 超结构元胞是指那些经过特殊设计，能够通过其内部结构引导和控制裂纹扩展路径的单元。这些元胞可以是3D打印出来的，具有精确控制的微观结构，能够模拟自然界中材料的裂纹阻抗机制。
2. 裂纹编程：
a. 裂纹：在材料中，裂纹是指材料内部的缺陷，它们可以由于外部力的作用而扩展，导致材料的断裂。裂纹的扩展路径和速率对材料的断裂行为有重要影响。
b. 编程：在这里，编程指的是通过设计和制造过程，预先设定裂纹在材料中的扩展路径和行为。这通常涉及到对材料内部结构的精确控制，以引导裂纹按照预期的方式扩展。
裂纹编程是通过机器学习分析和数据驱动的设计平台实现的，研究人员通过分析不同元胞构型的断裂特性，建立了一个数据库，并开发了一个设计平台，使得可以在超结构中预先编程裂纹的扩展路径。这样，就可以在材料中实现裂纹的三维控制，模仿自然界中材料的裂纹阻抗机制，如裂尖钝化、裂纹捕捉和钉扎等。
Insights that make better life
基于超结构断裂编程
研究团队基于机器学习发明了一种具有裂纹编程能力的新型超结构元胞，不仅实现了奇异的三维裂纹可编程控制，还首次将自然材料的多种阻裂机制引入到3D打印超结构当中，其高度可编程的裂纹设计与多重阻裂机制不仅显著增强了对工程材料断裂的预测与防护能力，还为复杂材料与结构断裂力学领域的研究提供了基于超结构断裂编程的新路径。
该研究论文以上海交通大学为第一完成单位，上海交通大学材料科学与工程学院博士生高振洋为第一作者，上海交通大学王洪泽副教授与吴一副教授为共同通讯作者，共同作者还包括上海交通大学博士生张晓林、英国帝国理工学院Minh-Son Pham教授、香港大学陆洋教授、上海交通大学夏存娟副教授、王浩伟讲席教授。
材料断裂的高度随机性和突发性，以及裂纹的不可控快速扩展，是长期困扰机械、材料科学与力学等诸多领域的重大难题。对工程材料的复杂断裂行为进行有效的预测、控制和防护，对装备的长期可靠服役与安全性至关重要。在自然界中，诸多自然材料，如生物骨骼、陶瓷等，通过其复杂的微观结构来引导裂纹，并通过多种断裂强化机制，有效地阻止裂纹的灾难性扩展。
研究人员受到自然材料断裂系统（图1）的启发提出超结构断裂可编程元胞，并通过对近千组不同预编程元胞构型的断裂强度、断裂角度、断裂能量等多类物理量的机器学习分析，建立了超结构可编程断裂数据库，并结合数据驱动开发了超结构断裂可编程设计平台，在超结构中实现了裂纹三维编程控制，并首次基于自然材料阻裂机理建立了超结构的多类阻裂设计与理论体系（图1b）。
▲图 1. 受自然启发的超结构断裂可编程设计体系。
研究人员结合自然界强化机制的核心理论，研发了一套可在人工材料中可自由编程实现的断裂强化超结构体系（图2），将裂尖相互作用、裂纹屏蔽和加固桥接等强化机制应用于超结构中，并成功观察到了由微观到宏观的断裂强化现象，不仅首次在超结构甚至人工材料中实现了断裂强化机理的可编程化设计，还为未来工程材料的断裂研究提供了断裂编程的新型探索手段。
▲图 2：受自然启发的超结构的宏微观可编程阻裂系统。
基于断裂可编程强化体系，研究人员将不同强化机制有效编程于断裂初始、裂纹扩展、与裂纹引导等阶段（图3）。研究指出，相比于传统超结构裂纹的快速、直接扩展，断裂可编程超结构触发了包括裂尖钝化与偏转，裂纹捕捉与钉扎等诸多强化与防护机制（图3b），大幅提升了断裂能量（图3a）。相比于不同构型的同密度现有超结构，断裂可编程超结构具备超过12倍断裂能量密度提升。
▲图 3. 具备不同断裂强化与引导机制的断裂可编程超结构与传统超结构断裂过程。
在应用方面，断裂可编程超结构还可通过宏微观的功能性断裂编程，推动无人飞行器、航空航天等先进装备领域的发展。例如，通过关键区域超结构的断裂编程设计，可实现飞行器在撞击时核心部件的断裂偏转防护（图4）使其服役与失效的过程更为安全可靠。
▲图 4. 可编程超结构的功能性应用。
该工作获得了国家重点研发计划（No. 2023YFB3712001）、首届博士生国家自然科学基金（523B2048）、国家自然科学基金面上（52075327）等项目经费支持。
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