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- 发布时间2026-07-20 10:15
- 发布人金彩集团
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提升材料抗断裂性能的增韧机制分为两类：裂纹尖端前方的本征增韧、裂纹后方的外在屏蔽增韧。外在增韧仅能抑制裂纹扩展，无法阻止裂纹萌生；而本征增韧可同时提升材料抗裂纹萌生与抗扩展能力，应用价值更高。
本征增韧的核心是裂纹尖端形成非弹性耗散区，依靠区内各类耗能变形延缓断裂失效。例如金属等韧性材料依靠基体塑性实现该效应；但绝大多数结构材料的非弹性变形高度局限于裂纹尖端极小范围，难以大幅拓展耗散区域。
将试样尺寸缩小至临界特征尺度以下，微尺度材料可发生脆韧转变；但常规大尺寸结构材料始终遵循线弹性断裂力学规律发生脆性断裂，满足小范围屈服假设。因此，如何在任意尺寸构件中扩大非弹性耗散区，是长期存在的技术难题。
除断裂失效外，弹性失稳是另一类独立的结构破坏形式。传统工程中将失稳视为需要规避的缺陷现象，近年研究却利用弹性失稳开发功能结构化材料，实现构型重构、快速驱动、力学可编程、可重复吸能等特性。尽管相关功能化研究成果丰富，借助弹性失稳调控材料断裂行为的思路仍未见报道。
本文利用弹性失稳精准调控力学超材料的非弹性区尺度，建立失稳、断裂两类独立失效机制之间的关联。以往超材料断裂研究多基于仿晶体传统点阵结构，仅被动测试断裂韧性，或在该体系中设计少量外在增韧结构。
清华大学航天航空学院高华健院士、李晓雁等人提出一种力学结构化材料新思路，依靠本征变形机制主动调控断裂行为：借助弹性失稳放大超材料整体结构非弹性耗散效应。文中 “结构非弹性” 特指由点阵构型变形带来的不可逆能量耗散，而非基体材料自身塑性。该研究也为后续探索超材料中失稳与断裂耦合交互机理奠定基础。
李晓雁，博士，清华大学工程力学系长聘教授、博士生导师，现任固体力学所副所长。2003年于西安交通大学获（工程力学、信息与计算科学）双学士学位，2007年于清华大学获工程力学硕、博士学位，2010年5月于美国布朗大学获应用数学硕士学位，2012年1月于美国布朗大学获固体力学博士学位，同年2月至6月在布朗大学工学院从事博士后研究。2012年9月加入清华大学工程力学系，2015年获得国家自然科学优秀青年基金。近年来主要从事新型结构材料的力学研究，主要关注于新型结构材料的构筑设计、先进制备和性能表征，在开展基础研究的同时，积极与国家重大需求相结合。
高华健：美国国籍，固体力学家。1963年12月生于中国四川成都。18岁即从西安交通大学毕业，1988年获得美国哈佛大学博士学位。2012年当选为美国国家工程院院士。2015年当选中国科学院外籍院士。
高华健的研究领域是固体的宏微观形变和破坏行为。他主要的三项科学成就是：创立基于微观机制上的应变梯度理论和发展微纳米塑性变形机制的模拟计算，建立纳米生物结构的力学理论体系，创立超音速和超弹性动态断裂力学。基于位错力学，高华健从描述材料强度与位错密度之间的Taylor律出发，用一个多尺度的范式创立了MSG理论；他的MSG理论和微纳米塑性变形机制的工作被全世界64个国家和地区2411所大学和科研机构引用。自然界能够将柔软的蛋白质和脆性的矿物质组合形成异常坚韧的生物材料；高华健的研究揭示，生物结构材料中存在着一类特定的纳米结构：即坚硬的板状材料交叉镶嵌于较柔软的基体中；他提出的“拉-剪链”模型和“分形骨骼”模型成功地解释了骨骼多尺度变形的实验结果。经典的力学理论认为、裂纹的扩展速度无法超越弹性波波速；高华健通过超大规模分子动力学模拟首次发现了超音速裂纹扩展，他的研究打破了传统的断裂力学理论，成功地解释了高速裂纹扩展下裂尖失稳的实验结果。
高华健已经发表学术论文300余篇，ISI引用18600余次，在世界固体力学领域学者过去20年中的引用排名第一。高华健是目前国际上60岁以下固体力学家中最杰出的代表。在2012年国际理论与应用力学联合会上，他被授予四年仅一人的世界力学界最高荣誉—Rodney Hill固体力学奖。授奖词中讲到“他的研究成果奠定并拓展了现代力学研究的前沿”。2015年，他先后获得美国工程科学协会的最高奖—William Prager奖，和美国机械工程师协会的材料类最高奖—Nadai奖。
高华健积极与国内学者合作，他在2003-2005年间任中科院沈阳界面材料中心海外主任，积极促进马普所与中科院的合作。他于2001-2011年担任中国力学学报英文版的共同主编，为该期刊的国际化做出奠基性贡献。2012年，他共同创立了清华大学先进力学与材料中心。近年来，他在国内工作每年超过2个月，在国内作学术演讲和报告100余场，学术论文为国内学者引用5500余次，与国内合作发表了130余篇学术论文。
高华健培养的博士生和博士后已有20位回国，其中2位获得教育部长江学者、7位国家杰出青年基金。如王翔博士2001-2003年在德国马普金属研究所跟高华健做博士后，回国后加入中国航天科技集团公司、为天宫一号与神舟八号交会对接任务取得圆满成功做出了重大贡献。
https://www.nature.com/articles/s41586-026-10804-0
信息来源：科学之邦
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