通过弯曲实现可调节裂纹路径的裂纹亚材料

在许多情景下——当我们咬食或发生碰撞时——裂纹是不可避免的。寻找解决方案以引导裂纹减轻其影响或将其转化为有目的的功能，因此至关重要。使用复合材料、化学组成或晶体取向的策略已被证明非常高效，但裂纹路径控制仍有限，尚未在承载结构中实现。本文引入了裂纹亚材料，由细长构件组成，其弯曲使得裂纹传播时能够实现大弹性变形。这种弯曲与裂纹之间的相互作用使得能量耗散可调，以及设计任意复杂性的裂纹路径。为此，我们使用拓扑优化来创建具有各向异性裂纹能量的单元细胞，然后拼接实现密度均匀的裂纹亚材料并进行3D打印。由细小 ligament 构成的单元细胞赋予其在拉伸和剪切下的显著不同响应，我们展示通过控制单元细胞的取向和布局，裂纹的连续进展可以被控制，使裂纹路径任意曲折。这种曲折性增加了亚材料的能量耗散，而不改变其刚度。通过特定的单元细胞排列，亚材料可以具有任意复杂性的裂纹路径。我们的发现为机械亚材料中的非弹性变形带来了新的视角，潜在应用领域涵盖食品工业、结构设计以及冲击减震等多个方面。