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Lightweight Self‐Forming Super‐Elastic Mechanical Metamaterials with Adaptive Stiffness

材料科学 超材料 刚度 各向同性 各向异性 弹性(物理) 复合材料 线弹性 机械负荷 结构工程 光学 有限元法 光电子学 物理 工程类
作者
Rui Wu,Peter Roberts,Shida Lyu,Fei Zheng,Constantinos Soutis,Carl Diver,Dekai Zhou,Longqiu Li,Zongquan Deng
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:31 (6) 被引量:23
标识
DOI:10.1002/adfm.202008252
摘要

Abstract Scarcity of stiff, yet compliant, materials is a major obstacle toward biological‐like mechanical systems that perform precise manipulations while being resilient under excessive load. A macroscopic cellular structure comprising two pre‐stressed elastic “phases” is introduced, which displays a load‐sensitive stiffness that drops by 30 times upon a “pseudoductile transformation” and accommodates a fully recoverable compression of over 60%. This provides an exceptional 20 times more deformability beyond the linear‐elastic regime, doubling the capability of previously reported super‐elastic materials. In virtue of the pre‐stressing process based on thermal‐shrinkage, it simultaneously enables a heat‐activated self‐formation that transforms a flat laminate into the metamaterial with 50 times volumetric growth. The metamaterial is thereby inherently lightweight with a bulk density in the order of 0.01 g cm −3 , which is one order of magnitude lower than existing super‐elastic materials. Besides the highly programmable geometrical and mechanical characteristics, this paper is the first to present a method that generates single‐crystal or poly‐crystal‐like 3D lattices with anisotropic or isotropic super‐elasticity. This pre‐stress‐induced adaptive stiffness with high deformability could be a step toward in situ deployed ultra‐lightweight mechanical systems with a diverse range of applications that benefit from being stiff and compliant.

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