盖世汽车讯 据外媒报道，普渡大学（Purdue University）土木工工程研究人员开发出创新材料并为此申请了专利。该材料可以消散由弯曲、压缩、扭矩和拉伸应力产生的能量，而不会造成永久性塑性变形或损坏。这些智能构建材料还具有形状记忆特性，因此可以重复使用，同时提高安全性和耐用性。

（图片来源：普渡大学）

研究负责人、土木工程教授Pablo Zavattieri表示：“这些材料专为完全可恢复的耗能结构而设计，类似于构建形状记忆材料或相变细胞材料（即PXCM）。它们还可以对外力、温度变化和其他外部刺激表现出智能反应。”

诸如此类的智能构建材料具有独特的性能，潜在应用广泛。Zavattieri表示：“这些材料可以从一种稳定的配置转变为另一种配置，因此具有多种用途。对于地震工程、抗冲击结构、生物医学设备、体育用品、构建结构和汽车零部件等各种应用，这样的材料都很有价值。”

多功能性和可扩展性

只要保持在弹性范围内，这些材料可以由各种物质制成，例如聚合物、橡胶和混凝土。它们经过设计能够以受控和可编程方式变形，从而提高能量吸收能力和适应性。

Zavattieri表示：“使用更为脆弱的材料确实存在更大的设计挑战。但是，一位博士生成功地使用混凝土制作出单晶胞，而混凝土是一种以拉伸脆性而闻名的材料。创造这些智能材料的关键在于进行有效的设计，从而提供多样化材料选择。”

Zavatieri及其团队证明了该材料具有可扩展性。Zavattieri表示：“研究人员生产出高达12英寸的智能构建材料，非常适合建筑和桥梁施工等吸收和利用能量的应用，另外还创造了晶胞比人类头发丝厚度还要小的材料。这种可扩展性开启了从宏观到微观应用的无限可能性。”

传统轻量化蜂窝材料的缺点

多孔或泡沫材料的特征在于多孔微结构或互连的梁、柱或桁架状结构，具有形成格状或蜂窝状排列的实心和空心空间。在自然界中发现的例子包括骨头、软木、泡沫、蜂窝、海绵和木材。

Zavattieri表示：“在航空航天行业，制造商已经应用蜂窝结构概念来创建轻量化晶格结构。这有助于汽车行业提高碰撞能量吸收能力，并为运输行业中的精致物品设计保护性包装。这些材料大多具有单一的稳定构型，施加载荷会导致多孔几何形状发生变化。但是，人们通常不希望材料发生永久变形，或不可能恢复到原始稳定配置。现在，对具有更稳定配置的材料结构的需求尚未得到满足。”

普渡大学开发的新型智能构建材料重新定义了多孔材料的概念。Zavattieri表示：“研究人员设计其内部构件的拓扑结构，这些构件由梁、柱、桁架和其他元素组成，能够以高度受控和可编程方式弯曲、扭曲、扣紧和变形。这些精确定制的变形性能有于实现新特性，如增强能量吸收，提高工作能力、变形能力和适应性，从而为各种应用开辟创新可能性。”

研究人员利用圆柱形外壳的柔顺特性来制造这种材料。Zavattieri表示：“能量通过突弹跳变机制而耗散，可以避免塑性变形。研究人员通过模拟来确定晶胞设计参数和变形模式之间的关系，并将这些知识用于制造原型样本以进行验证。结果表明，通过改变系带长度（ligament length）和倾斜角度，可以优化能量耗散和峰值负载能力。”

具体应用

Zavattieri和印第安纳技术与制造公司（ITAMCO）合作，使用金属3D打印材料开发用于临时或远征飞行操作的新型飞机跑道垫。Zavattieri表示：“新跑道垫具有自我修复的潜力，比使用AM-2垫制成的跑道具有更长的使用寿命。而且，跑道上的碎片不会影响跑道性能。”

另外，Zavattieri及其团队开发出基于计算机的模型，以支持在轮胎和轮辋协会（the Tire and Rim Association）标准规定的非充气轮胎设计中使用普渡相变多孔材料。建模和仿真结果证明，作为动态、弹性可变形解决方案，PXCM在非充气轮胎（NPT） 设计中具有可行性。Zavattieri表示：“这项研究表明PXCM可以在铺砌路面上提供良好的性能，并在越野环境中具有良好的适应性。模型结果表明，基于PXCM的NPT有潜力扩展车辆的能力，并提高完成任务的可能性，尽管受到道路碎片等持续性损坏。”