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NiTi-Al复合机械metamaterial通过结合超弹性镍钛合金的可逆相变和铝合金的高效塑性变形，在ABA夹层结构和 metamaterial设计下实现轻量化、高能吸收及可重复使用特性。经1000次循环测试，其形状恢复率仍达62.4%，累计比能吸收达235.3 MJ/m3。
刘鹤龙|李浩航|周萌|杨颖|谭永林|崔立山|郝世杰
中国石油大学新能源与材料学院，北京102249，中国
摘要
在航空航天和交通运输等领域，迫切需要能够反复吸收冲击能量的金属结构。然而，由普通金属制成的传统吸能部件在受到冲击变形后无法恢复其原始形状，因此无法重复使用。在这里，我们设计了一种复合结构系统，其中超弹性镍钛合金板（组件A）通过应力诱导的马氏体转变来耗散能量，而铝合金板（组件B）则通过塑性变形来吸收能量。这两种材料以ABA三明治布局排列，并进一步组装成机械超材料（AMM）。这种设计使得NiTi–Al机械超材料（NiTi–Al AMM）同时具备了轻质、高能量吸收率和可重复使用的特点。在50%的压缩应变下，NiTi–Al AMM的形状恢复率为86.6%；即使在相同应变水平下经过1000次加载-卸载循环后，形状恢复率仍保持在62.4%。在1000次循环中，NiTi–Al AMM的累积比能量吸收量与循环次数呈线性增长，达到235.3 MJ/m3。总体而言，本研究提出了一种具有优异性能的可重复使用金属吸能器的新型设计范式。
引言
吸能材料和结构在保护人类和物体免受冲击损伤方面发挥着关键作用，例如在汽车保险杠、头盔和精密货物包装等应用中[1]、[2]。其保护机制依赖于在冲击变形和卸载过程中通过滞后行为耗散冲击能量。然而，大多数商用解决方案依赖于金属[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、陶瓷[9]或塑料[10]，这些材料通过不可逆的塑性变形或断裂来吸收能量，从而限制了其可重复使用性。由于铝合金具有较高的比强度和比能量吸收率（约30 J/g），在“轻质和高能量吸收”方面占据了主导地位。然而，它们固有的“一次性”吸能特性限制了其在可重复使用金属吸能保护结构中的应用[11]、[12]。
奥氏体NiTi合金被认为是构建可重复使用吸能组件的有力竞争者，因为它们在循环载荷下会发生可逆的应力诱导马氏体转变，允许产生接近8%的超弹性应变，并通过奥氏体/马氏体界面的运动实现显著的能量耗散[13]、[14]、[15]。早期研究已经探索了基于SMA的蜂窝结构概念。例如，Hassan等人设计并制造了基于NiTi带的蜂窝结构，并通过实验和有限元建模评估了其机械响应，强调了“智能蜂窝”核心在可部署和驱动结构中的潜力[16]。Shaw等人进一步证明，NiTi蜂窝结构可以通过开放单元格的连接实现大的可恢复变形和形状恢复[17]。由于这种转变带来的超弹性，NiTi合金具备了提供可重复使用的机械能量吸收的能力。然而，NiTi合金的可重复使用比能量吸收率仅约为2.4 J/g，远低于铝合金的一次性能量吸收率（可达30 J/g）[18]、[19]、[20]、[21]。此外，通过传统机械加工或增材制造制造的NiTi蜂窝和晶格结构在冲击变形时常在节点区域出现严重的应变集中。当局部应变超过超弹性极限时，会引发塑性变形或断裂，从而影响结构的可重复使用性[22]、[23]、[24]。
三明治结构因其多材料组成和易于集成而表现出优越的性能，特别是在比强度、比刚度和能量吸收方面[25]、[26]、[27]。同时，组装机械超材料（AMM）通过允许其组成单元之间的相对滑动和旋转来缓解局部应变集中，从而改善应力重新分布并促进协同变形[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]。受这些优势的启发，我们假设将可重复使用的超弹性NiTi合金（组件A）与具有低密度和高比能量吸收率的铝合金（组件B）结合在ABA型三明治结构中，并通过AMM设计组装该结构，可以创造出兼具轻质、高能量吸收率和可重复使用性的NiTi–Al AMM（图1）。
我们的设计旨在在保持重复压缩下的可恢复变形的同时提高比能量吸收率。我们将一个铝合金能量耗散组件与一个超弹性NiTi恢复框架结合在ABA型三明治拓扑结构中。我们实现了组装超材料架构，以允许组成单元之间的相对旋转和滑动，从而减轻节点应变集中并提高循环恢复能力。本研究报道了NiTi–Al AMM的设计和制造过程，该材料旨在作为可重复使用的机械超材料来吸收冲击能量。在50%的压缩应变下，NiTi–Al AMM的形状恢复率为86.6%；即使在1000次50%压缩循环后，形状恢复率仍保持在62.4%。在1000次压缩循环中，NiTi–Al AMM的累积比能量吸收量为235.3 MJ/m3。总体而言，本研究提出了一种用于设计具有优异性能的可重复使用金属吸能器的新策略。
实验程序
实验程序
在室温下使用KQL万能试验机进行了单轴拉伸加载-卸载测试。尺寸为80 mm × 2.0 mm × 0.3 mm的NiTi合金条和尺寸为80 mm × 2.0 mm × 0.6 mm的1060铝合金条均被拉伸至8%的应变。每次测试中，加载和卸载的速率为1 × 10?3 s?1。NiTi合金和1060铝合金条的相应应力-应变曲线如下
结果与讨论
为了验证将超弹性NiTi合金与铝合金结合是否能提高比能量吸收率并实现可重复使用性，我们制造了三种具有相同配置的组装机械超材料——N(0.3)N(0.3)、A(0.6)和N(0.3)A(0.6)N(0.3)（表1列出了几何和结构参数，图2展示了基材的拉伸应力-应变曲线）。通过应变增量循环压缩获得的应力-应变曲线如下
结论与展望
本研究提出并验证了一种轻质、高能量吸收率且可重复使用的NiTi–Al机械超材料（NiTi–Al AMM）。NiTi–Al AMM结合了可逆应力诱导马氏体转变的NiTi合金（组件A）和具有高比能量吸收率的铝合金（组件B），采用ABA三明治结构，并通过组装机械超材料的协同变形机制发挥作用。
CRediT作者贡献声明
刘鹤龙：撰写——原始草稿、方法论、正式分析、数据整理、概念化。李浩航：验证、方法论、正式分析。周萌：验证、方法论、正式分析。杨颖：验证、资源获取、资金筹集、正式分析。谭永林：验证、资源获取、资金筹集。崔立山：验证、资源获取、数据整理。郝世杰：撰写——审阅与编辑、验证、资源获取、资金筹集、正式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（2022YFB4600500）、国家安全学术基金（U2330105）和广西自然科学基金项目（2025GXNSFHA069173）的支持。
