清华团队Nature发文：利用弹性失稳主动编程超材料断裂行为

一、研究背景与科学问题

抗断裂材料的设计长期以来受限于跨多尺度的增韧机制复杂性。增强断裂韧性的策略主要包括裂纹前方的本征增韧和裂纹后方的非本征增韧。非本征增韧通过裂纹屏蔽机制阻碍裂纹扩展，但对裂纹萌生没有影响；而本征增韧则通过发展非弹性区——即耗散变形机制运作并延缓断裂的区域——同时增强对裂纹萌生和扩展的抗力。在金属材料中，本征增韧主要与材料塑性相关；然而，在大多数结构材料中，非弹性变形高度局域于裂纹附近，非弹性区的扩大受到严重限制。将样品尺寸降至临界长度尺度以下可诱导小尺度材料的韧脆转变，但大尺度材料仍不可避免地以线弹性断裂力学控制的脆性断裂方式失效。

失稳是另一种与断裂截然不同的结构失效机制。传统上失稳被视为应避免的现象，但近年来已被成功用于设计具有可定制功能的结构材料，如形状重构、快速驱动、机械可编程性和可重复使用能量吸收等。然而，失稳与断裂韧性之间的联系始终未被探索。

针对以上问题，清华大学的王宇嘉团队、李晓雁团队和高华健团队在Nature期刊（2026年，第655卷）上发表了题为“Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities"的研究论文。该研究提出，通过主动利用弹性失稳来调控伪塑性超材料中的非弹性区尺寸，可实现从本征到非本征断裂行为的主动编程转变，从而将两种传统上相互独立的失效模式有机衔接，为抗断裂结构材料的设计开辟了全新框架。

二、设计原理与实验方法

该研究的设计灵感来源于生物材料中的蛋白质解折叠行为。蛋白质具有三阶段力-延伸曲线：初始弹性阶段、特征应力平台对应的解折叠阶段、以及随后的主链拉伸阶段，这种独特的变形行为赋予了生物材料的断裂韧性。受此启发，研究者探索了两种断裂行为：当非弹性区因解折叠而一定程度离域化时，断裂发生在应力平台阶段，断裂韧性保持为本征材料属性；而当极限强度显著超过弹性极，非弹性区可在裂纹扩展前生长并蔓延至样品边界，此时断裂韧性从本征材料常数转变为随样品尺寸缩放的外禀参数。

为实现上述断裂行为，研究者采用由双曲梁组成的突跳（snap-through）超材料作为平台。该超材料具有可调的三阶段应力-应变行为，通过较薄梁的几何参数ts/l控制。这种类塑性响应源于弹性失稳而非累积不可逆损伤，因此称为伪塑性行为。样品采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制备，通过两步固化工艺（模具中预固化加脱模后最终固化）调控材料力学性能：更高的固化温度T2导致更高的模量和更低的断裂应变。此外，研究者还使用投影微立体光刻（PmuSL）技术制造了高精度模具，并通过有限元模拟和含预裂纹与无预裂纹样品的机械测试计算断裂能。

图1 设计概念。（a）fcc晶格结构示意，代表金属中的典型原子排列；（b）蛋白质结构示意；（c）结构材料中的断裂行为，非弹性区局限于裂纹附近；（d）类蛋白质材料中的断裂行为，非弹性区一定程度离域化，断裂发生在应力平台阶段；（e）非弹性区蔓延至样品边界的断裂行为；（f）本研究所用超材料的整体结构；（g）单元胞几何，由承载段和突跳段组成；（h）通过ts/l调控的机械行为。

三、本征断裂行为：有限非弹性区

研究者首先考察了由相对低断裂应变材料构成的超材料的断裂行为。例如，对于ts/l=0.14、T2=200度C制备的超材料，突跳失稳仅在裂纹正前方的单个单元胞中发生，随后裂纹即开始扩展。这类超材料的平均临界位移为4.9 mm，平均断裂能为0.057 kJ每m2。当通过降低固化温度（T2=150度C）来提高组分材料的断裂应变时，突跳失稳可在更多单元胞中触发。在ts/l=0.12的超材料中，失稳初始在裂纹单元胞中被触发，随后逐层向远处传播。在失稳已传播四层单元胞后，裂纹的首根梁断裂，标志着裂纹萌生；裂纹随后逐渐穿过超材料。在伪塑性超材料中，失稳被触发的区域可直接视为非弹性区。

为研究尺寸效应，研究者制备并测试了不同尺寸但几何和固化温度相同的样品。在最小样品中，由于整个样品仅由四层单元胞组成，非弹性区延伸至样品边界；而在更大样品中，非弹性区始终在达到一定层数后停止扩展，未能到达边界。断裂能的计算结果在研究的尺寸范围内几乎与样品尺寸无关，表明断裂韧性仍为本征材料属性。

图2 本征断裂韧性的超材料断裂行为。（a）ts/l=0.12、nw=20、T2=150度C超材料的代表性力-位移曲线及对应快照，Scale bars 10 mm；（b）nw=8、12、16样品裂纹萌生前的快照；（c）断裂能随样品尺寸的变化关系，实验值与模拟值吻合，且断裂能与尺寸无关，证实本征断裂行为。

四、非本征断裂行为：非弹性区蔓延至边界

研究者进一步探索了非弹性区是否能在更大尺寸样品中达到边界。为此，他们将几何参数减小至ts/l=0.10，并通过更低的固化温度（T2=70度C）提高组分材料的断裂应变。这一调整促进了失稳的发生，同时延缓了裂纹萌生。加载过程中，失稳从裂纹起始并逐层向外传播。非弹性区持续生长并贯穿整个样品，而裂纹并未扩展。在所有单元胞层经历突跳失稳后，力继续随位移增加，力-位移曲线呈现三阶段特征：初始弹性区、突跳失稳对应的力平台区、以及随后的硬化区。裂纹萌生发生在第三阶段，此时整个样品已被充分拉伸。

裂纹萌生的临界位移显著大于本征行为样品。在所有测试尺寸中，非弹性区均一致地蔓延至边界。结果，断裂能随样品尺寸增大而增加。在这些情况下，失稳在整个样品中被触发，裂纹被捕获直至非弹性区发展。因此，断裂韧性不再是材料常数，而是转变为随样品尺寸缩放的外禀参数。这一发现标志着超材料断裂力学从被动表征向主动调控的根本转变。

图3 非本征断裂韧性的超材料断裂行为。（a）ts/l=0.10、nw=20、T2=70度C超材料的代表性力-位移曲线及对应快照，Scale bars 10 mm；（b）nw=8、12、16样品裂纹萌生前的快照，非弹性区均蔓延至边界；（c）断裂能随样品尺寸的增加而增大，证实非本征断裂行为。

五、本征-非本征转变机制与相图

研究者在固定样品尺寸（nw=16）的条件下，通过调控几何参数（ts/l）或材料性能（通过T2），系统展示了本征与非本征断裂行为之间的可编程转变。对于ts/l=0.10的超材料，分别在T2=200度C、150度C和110度C制备时，非弹性区在裂纹萌生前跨越3、5和8层单元胞。在110度C样品中，非弹性区延伸至样品边界，呈现非本征断裂行为。断裂能随固化温度降低而显著增加：T2=110度C时断裂能高于T2=70度C，这归因于前者更高的模量和相应的弹性应变能。反之，在相同固化温度下增大ts/l，则导致非本征断裂行为的丧失：ts/l=0.12和0.14时非弹性区分别仅为7层和3层。

为深入理解转变机制，研究者建立了理论模型预测非弹性区尺寸和断裂能。理论预测的相图与实验结果吻合良好，清晰呈现了不同断裂区域之间的边界。对于非本征行为超材料，断裂能随样品尺寸的缩放规律为：Gamma = C1 + C2乘nw，其中C1和C2为依赖于材料性能和单元胞几何的常数。实验数据与该标度律吻合。值得注意的是，通过NaOH浸泡法将组分材料断裂应变提升至约0.8后，即使ts/l=0.14的超材料也能实现非本征行为，断裂能达0.50 kJ每m2，是T2=200度C时niz=0对应值（0.057 kJ每m2）的8.8倍；将尺寸增至nw=24后，断裂能进一步升至0.59 kJ每m2——较本征区提高整整一个数量级。

图4 本征-非本征转变与理论分析。（a-e）不同几何参数和固化温度下裂纹萌生前的快照；（f-g）断裂能随固化温度和几何参数的变化；（h）实验相图：非弹性区尺寸niz随ts/l和T2的变化；（i）理论预测相图；（j-l）理论预测的断裂能与实验对比及标度律拟合；（m-n）通过NaOH浸泡提高断裂应变后，ts/l=0.14超材料实现非本征行为。

六、结构非弹性主导的增韧机制

研究者将超材料的断裂能解耦为组分材料贡献和结构贡献：Gamma = Gamma0 + GammaS。其中Gamma0为与材料失效相关的本征断裂能，GammaS代表由结构实现的额外耗散，称为结构非弹性（structural inelasticity）。当裂纹在超材料中扩展一个单元胞时，两根厚度为ts的梁发生断裂，因此Gamma0估计为(2ts/l)乘Gammam（Gammam约0.2 kJ每m2为组分材料断裂能）。对于ts/l=0.14的超材料，Gamma0约0.056 kJ每m2，与niz=0时的断裂能（0.057 kJ每m2）接近，表明本征区中结构非弹性的贡献微乎其微。因此，非本征区中近一个数量级的断裂能增强主要归因于结构非弹性，其通过弹性失稳被可控放大，而无需增强组分材料本身的韧性。

这一发现具有深刻的物理意义：在传统晶格超材料中，非弹性区局限于裂纹附近单元胞，非弹性耗散被限制在较小的局域范围内；而在伪塑性超材料中，突跳失稳被主动利用来调控非弹性区尺寸，从而放大结构非弹性的效应。当裂纹扩展一个单元胞时，裂纹前方一列单元胞中储存的弹性应变能通过结构非弹性被耗散；在非本征行为情况下，这一机制可离域化并延伸至样品边界。超材料将弹性失稳转化为断裂韧性，有效衔接了两种此前互不关联的失效现象。

七、普适性验证与总结展望

为验证该策略的普适性，研究者将方法拓展至多种不同体系。首先，采用熔融沉积成型（FDM）从热塑性聚氨酯（TPU）制备了大尺寸曲梁超材料，同样观察到了非弹性区蔓延至边界的现象，且断裂能随样品尺寸按相同标度律增加。其次，设计了3D壳基超材料，其单元胞呈折叠-展开式吸管状结构，在突跳失稳下同样实现了非本征断裂行为和尺寸依赖的断裂能。此外，还验证了双向突跳失稳超材料（裂纹面与加载方向成45度倾角）以及引入圆角的超材料，均获得了显著增强的断裂能。这些结果充分证明了通过失稳设计编程断裂行为的广泛适用性。

本研究总结如下核心贡献：（1）将弹性失稳与断裂韧性主动关联，建立了通过失稳设计编程超材料断裂行为的通用框架；（2）揭示了结构非弹性作为主导增韧机制的物理本质，实现了在不增强组分材料的前提下近一个数量级的断裂能提升；（3）构建了本征-非本征转变的理论模型和相图，为断裂行为的定量预测提供了工具。伪塑性超材料可逆的响应特性还暗示了研究架构材料疲劳行为的诱人方向。未来工作可探索将形状记忆聚合物或液晶弹性体等活性材料集成至超材料中，实现制备后实时或可逆的断裂行为编程，从而大幅拓展该策略的功能多样性。

图5 策略普适性验证：大尺寸TPU曲梁超材料。（a）FDM制备的大尺寸曲梁超材料光学图像；（b）不同nw样品裂纹萌生前的快照；（c）代表性力-位移曲线及快照；（d）断裂能随样品尺寸的变化，虚线为标度律拟合结果Gamma = C1 + C2乘nw。