王兵课题组《Nature Communications》在非互易和非牛顿力学超结构研究方面

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近日，航天学院复合材料与结构研究所王兵教授课题组和法国国家科学研究中心Vincent Laude首席研究员、FEMTO-ST研究所Muamer Kadic副教授课题组在非牛顿流体的启发下，提出并研究了一种同时具有非互易性和非牛顿响应的力学超结构/超材料,相关研究成果Non-reciprocal and non-Newtonian mechanical metamaterials以研究长文的形式发表在国际期刊Nature Communications上。
        非牛顿流体具有应变率依赖的粘度，其粘度可以在不同的动态外载荷作用下急剧变化，表现出更“硬”或者更“软”的行为。从物理或力学的角度来看，非牛顿流体的粘度（由剪切力引起的变形）取决于剪切速率。对于牛顿流体而言，剪切应力与剪切速率呈线性关系，即剪切应力不随外界激励的速度或者频率而改变。与之相反，在非牛顿流体中，这种关系原则上可以为任意形状。虽然非牛顿流体的研究历史悠久，由于其温度敏感性高、不可拉伸、不易携带等局限性，所以其相关的工程应用很少报道。此外，在流体和固体中，声学和弹性动力学中的互易性原理规定了作用和反应之间的对称关系，这在时间反演对称的情况下是难以克服的。然而，具有可调力学性能的超构材料，特别是具有丰富的动力学行为或表现出非互易性，在许多领域具有潜在的应用价值，例如结构或者材料的非互易性有望实现对声波或者弹性波在弹性介质中的单向传播控制。然而，使用单一原材料设计具有非互易性和速度相关力学响应的超构材料仍然存在很大的挑战。

        基于以上研究背景，我们设计了一种可拉伸和压缩的弹性超结构，它不仅可以模拟非牛顿流体的力学响应，同时还具有动态非互易性。除此之外，它具有很高的设计灵活性，可以根据需求设计出在不同速度下展现出不同的有效刚度。首先，基于局域共振原理提出了非互易和非牛顿弹性体的通用等效质量-弹簧模型。其次，通过一个具体实例验证了该模型在2D和3D超构材料设计中的有效性。然后，通过实验测试和有限元仿真相结合的方法研究了该实例在不同频率和不同加载速度下的动态非互易性和非牛顿力学响应。最后，通过有限元仿真模拟了所提出的超结构在卫星交会对接中的潜在应用。另外，该结构的非牛顿特性和动态非互易性也有望用于汽车减速带、防弹衣等交通和防护装备领域。
        王兵教授和Muamer Kadic副教授为该工作的共同通讯作者，我校和法国勃艮第弗朗士孔泰大学联合培养的王连超博士为该论文第一作者，我校为第一通讯、第一作者单位。该研究工作得到了国家重点研究计划项目、国家自然科学基金委、法国Investissements d'Avenir项目、国家留学基金委的支持。
        近年来，王兵教授团队致力于高性能树脂基复合材料与结构、超材料与智能结构的基础研究及其在航空航天等领域的应用，解决了一系列基础的科学问题和工程技术难题。作为项目负责人和主要参与人参与包括科技部重点研发项目、JKW基础加强项目、国家自然科学基金面上项目等在内的项目10余项。相关研究成果发表于Nature Communications、 Advanced Science、Small、Composites Science and Technology、Composites Part A等国际期刊。
         论文信息：L Wang, J Martinez, G Ulliac, B Wang, V Laude, M Kadic. Non-reciprocal and non-Newtonian mechanical metamaterials. 2023, 14 (1) 4778.
        原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-40493-6
        文章来源：哈工大