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- 發(fā)布時(shí)間2026-07-20 10:15
- 發(fā)布人金彩集團(tuán)
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提升材料抗斷裂性能的增韌機(jī)制分為兩類：裂紋尖端前方的本征增韌、裂紋后方的外在屏蔽增韌。外在增韌僅能抑制裂紋擴(kuò)展，無法阻止裂紋萌生；而本征增韌可同時(shí)提升材料抗裂紋萌生與抗擴(kuò)展能力，應(yīng)用價(jià)值更高。
本征增韌的核心是裂紋尖端形成非彈性耗散區(qū)，依靠區(qū)內(nèi)各類耗能變形延緩斷裂失效。例如金屬等韌性材料依靠基體塑性實(shí)現(xiàn)該效應(yīng)；但絕大多數(shù)結(jié)構(gòu)材料的非彈性變形高度局限于裂紋尖端極小范圍，難以大幅拓展耗散區(qū)域。
將試樣尺寸縮小至臨界特征尺度以下，微尺度材料可發(fā)生脆韌轉(zhuǎn)變；但常規(guī)大尺寸結(jié)構(gòu)材料始終遵循線彈性斷裂力學(xué)規(guī)律發(fā)生脆性斷裂，滿足小范圍屈服假設(shè)。因此，如何在任意尺寸構(gòu)件中擴(kuò)大非彈性耗散區(qū)，是長(zhǎng)期存在的技術(shù)難題。
除斷裂失效外，彈性失穩(wěn)是另一類獨(dú)立的結(jié)構(gòu)破壞形式。傳統(tǒng)工程中將失穩(wěn)視為需要規(guī)避的缺陷現(xiàn)象，近年研究卻利用彈性失穩(wěn)開發(fā)功能結(jié)構(gòu)化材料，實(shí)現(xiàn)構(gòu)型重構(gòu)、快速驅(qū)動(dòng)、力學(xué)可編程、可重復(fù)吸能等特性。盡管相關(guān)功能化研究成果豐富，借助彈性失穩(wěn)調(diào)控材料斷裂行為的思路仍未見報(bào)道。
本文利用彈性失穩(wěn)精準(zhǔn)調(diào)控力學(xué)超材料的非彈性區(qū)尺度，建立失穩(wěn)、斷裂兩類獨(dú)立失效機(jī)制之間的關(guān)聯(lián)。以往超材料斷裂研究多基于仿晶體傳統(tǒng)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，僅被動(dòng)測(cè)試斷裂韌性，或在該體系中設(shè)計(jì)少量外在增韌結(jié)構(gòu)。
清華大學(xué)航天航空學(xué)院高華健院士、李曉雁等人提出一種力學(xué)結(jié)構(gòu)化材料新思路，依靠本征變形機(jī)制主動(dòng)調(diào)控?cái)嗔研袨椋航柚鷱椥允Х€(wěn)放大超材料整體結(jié)構(gòu)非彈性耗散效應(yīng)。文中 “結(jié)構(gòu)非彈性” 特指由點(diǎn)陣構(gòu)型變形帶來的不可逆能量耗散，而非基體材料自身塑性。該研究也為后續(xù)探索超材料中失穩(wěn)與斷裂耦合交互機(jī)理奠定基礎(chǔ)。
李曉雁，博士，清華大學(xué)工程力學(xué)系長(zhǎng)聘教授、博士生導(dǎo)師，現(xiàn)任固體力學(xué)所副所長(zhǎng)。2003年于西安交通大學(xué)獲（工程力學(xué)、信息與計(jì)算科學(xué)）雙學(xué)士學(xué)位，2007年于清華大學(xué)獲工程力學(xué)碩、博士學(xué)位，2010年5月于美國布朗大學(xué)獲應(yīng)用數(shù)學(xué)碩士學(xué)位，2012年1月于美國布朗大學(xué)獲固體力學(xué)博士學(xué)位，同年2月至6月在布朗大學(xué)工學(xué)院從事博士后研究。2012年9月加入清華大學(xué)工程力學(xué)系，2015年獲得國家自然科學(xué)優(yōu)秀青年基金。近年來主要從事新型結(jié)構(gòu)材料的力學(xué)研究，主要關(guān)注于新型結(jié)構(gòu)材料的構(gòu)筑設(shè)計(jì)、先進(jìn)制備和性能表征，在開展基礎(chǔ)研究的同時(shí)，積極與國家重大需求相結(jié)合。
高華?。?/span>美國國籍，固體力學(xué)家。1963年12月生于中國四川成都。18歲即從西安交通大學(xué)畢業(yè)，1988年獲得美國哈佛大學(xué)博士學(xué)位。2012年當(dāng)選為美國國家工程院院士。2015年當(dāng)選中國科學(xué)院外籍院士。
高華健的研究領(lǐng)域是固體的宏微觀形變和破壞行為。他主要的三項(xiàng)科學(xué)成就是：創(chuàng)立基于微觀機(jī)制上的應(yīng)變梯度理論和發(fā)展微納米塑性變形機(jī)制的模擬計(jì)算，建立納米生物結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論體系，創(chuàng)立超音速和超彈性動(dòng)態(tài)斷裂力學(xué)?；谖诲e(cuò)力學(xué)，高華健從描述材料強(qiáng)度與位錯(cuò)密度之間的Taylor律出發(fā)，用一個(gè)多尺度的范式創(chuàng)立了MSG理論；他的MSG理論和微納米塑性變形機(jī)制的工作被全世界64個(gè)國家和地區(qū)2411所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)引用。自然界能夠?qū)⑷彳浀牡鞍踪|(zhì)和脆性的礦物質(zhì)組合形成異常堅(jiān)韌的生物材料；高華健的研究揭示，生物結(jié)構(gòu)材料中存在著一類特定的納米結(jié)構(gòu)：即堅(jiān)硬的板狀材料交叉鑲嵌于較柔軟的基體中；他提出的“拉-剪鏈”模型和“分形骨骼”模型成功地解釋了骨骼多尺度變形的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。經(jīng)典的力學(xué)理論認(rèn)為、裂紋的擴(kuò)展速度無法超越彈性波波速；高華健通過超大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬首次發(fā)現(xiàn)了超音速裂紋擴(kuò)展，他的研究打破了傳統(tǒng)的斷裂力學(xué)理論，成功地解釋了高速裂紋擴(kuò)展下裂尖失穩(wěn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。?
高華健已經(jīng)發(fā)表學(xué)術(shù)論文300余篇，ISI引用18600余次，在世界固體力學(xué)領(lǐng)域?qū)W者過去20年中的引用排名第一。高華健是目前國際上60歲以下固體力學(xué)家中最杰出的代表。在2012年國際理論與應(yīng)用力學(xué)聯(lián)合會(huì)上，他被授予四年僅一人的世界力學(xué)界最高榮譽(yù)—Rodney Hill固體力學(xué)獎(jiǎng)。授獎(jiǎng)詞中講到“他的研究成果奠定并拓展了現(xiàn)代力學(xué)研究的前沿”。2015年，他先后獲得美國工程科學(xué)協(xié)會(huì)的最高獎(jiǎng)—William Prager獎(jiǎng)，和美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)的材料類最高獎(jiǎng)—Nadai獎(jiǎng)。?
高華健積極與國內(nèi)學(xué)者合作，他在2003-2005年間任中科院沈陽界面材料中心海外主任，積極促進(jìn)馬普所與中科院的合作。他于2001-2011年擔(dān)任中國力學(xué)學(xué)報(bào)英文版的共同主編，為該期刊的國際化做出奠基性貢獻(xiàn)。2012年，他共同創(chuàng)立了清華大學(xué)先進(jìn)力學(xué)與材料中心。近年來，他在國內(nèi)工作每年超過2個(gè)月，在國內(nèi)作學(xué)術(shù)演講和報(bào)告100余場(chǎng)，學(xué)術(shù)論文為國內(nèi)學(xué)者引用5500余次，與國內(nèi)合作發(fā)表了130余篇學(xué)術(shù)論文。 ?
高華健培養(yǎng)的博士生和博士后已有20位回國，其中2位獲得教育部長(zhǎng)江學(xué)者、7位國家杰出青年基金。如王翔博士2001-2003年在德國馬普金屬研究所跟高華健做博士后，回國后加入中國航天科技集團(tuán)公司、為天宮一號(hào)與神舟八號(hào)交會(huì)對(duì)接任務(wù)取得圓滿成功做出了重大貢獻(xiàn)。
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10804-0
信息來源：科學(xué)之邦
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