最新论文——具有独立编程和可调力学和声学性能的双通路折纸超材料

From:                                                 Date: 2025-07-18

导读

        在航空航天、精密仪器、高端装备等领域，对材料性能的需求日益复杂。理想的工程材料需同时具备优异的力学性能与精准编程的多物理场功能（如降噪、减震等）。然而，传统的多功能超材料其力学与声学等物理性能通常由共同的几何参数决定，导致编程一种性能时不可避免地联动改变另一种性能。现有实现性能解耦的方案（例如，将力学吸能单元与声学谐振单元在结构上分离设计），虽能在设计阶段独立设定这两类性能，但其结构在制造完成后即固定，缺乏结构可重构性和性能可调性，限制了其在复杂应用场景中的灵活部署。

        针对这一挑战，天津大学机械工程学院陈焱教授团队联合王艳锋教授团队，基于刚性折纸原理设计了一种在正交方向具有独特折叠特性的单自由度双通路折纸单元，并利用设计参数与物理性能间的非唯一映射关系，成功实现了力学（刚度、比吸能）与声学（带隙频率）性能的独立编程和调控。该成果以Double-Tubular Origami Metamaterials with Independently Programmable and Tunable Mechanical and Acoustic Properties为题，于2025年7月11日在线发表于国际权威期刊《复合材料B：工程》（Composites Part B: Engineering）。论文共同通讯作者为天津大学王艳锋教授、陈焱教授，共同第一作者为天津大学博士生李梦岳、马家耀教授，博士生唐晓垒也参与了研究工作。该研究由国家自然科学基金、腾讯基金（科学探索奖）资助完成。

   

        研究团队基于刚性折纸原理，设计了一种在正交的x和z方向具有独立折叠通路的单自由度折纸单元（图1）。通过满足特定的运动协调条件，衍生出三类具有截然不同折叠行为的单元构型：C1型单元在x和z方向均无法完全折平；C2型单元可在x方向折平但无法在z方向折平；C3型单元则可在两个方向均完全折平（图2，视频1-3）。其中，对称性最高的C3型单元展现出独特的几何转置特性：对于任一组折叠状态(φ1, φ2)，存在其转置状态(φ2, φ1)，此时单元在x和z方向上的几何尺寸也随之互换。例如，状态(φ1, φ2)=(90°, 126.87°)对应尺寸(lx, lz)=(23.24mm, 18.37mm)，其转置状态(126.87°, 90°)则对应尺寸(18.37mm, 23.24mm)。特别地，当φ1 = φ2时，两个方向的尺寸完全相等（图3）。

   

图1 双通路折纸单元

   

图2 C1-C3单元几何与运动学特性

   

图3 C3单元转置特性

   

视频1 C1折叠运动特性

   

视频2 C2折叠运动特性

   

视频3 C3折叠运动特性

        将设计的单元在三维空间按特定方式镶嵌排布（图4），即可构建出双通路折纸超材料（MC1, MC2, MC3）。结合有限元模拟与实验，系统研究了超材料在x和z方向准静态压缩下的力学响应。MC1在两个方向均呈现先刚性折叠后自锁屈曲的复合变形模式（图5a）；MC2在可折平的x方向展现出平稳的刚性折叠平台力，而在z方向则表现为复合模式（图5b）；MC3则在两个方向均展现出典型的刚性折纸变形模式（图5c）。

   

图4 超材料镶嵌排布方式

   

图5 超材料MC1-MC3力学性能

        针对MC3构型，研究团队建立了基于弹塑性铰链假设的理论模型，精准预测了其刚度（k）和比吸能（SEA），实验验证误差较小（刚度≤2.5%，比吸能≤5.3%）（图5c）。基于此模型，深入分析了初始折叠角（φ1i）和扇形角（α）对力学性能的影响规律。结果表明，kx和SEAx均与φ1i负相关，与α的关系呈现非单调性（图6a, b）。由于x与z方向的折叠状态存在内在关联，kz和SEAz的变化趋势与x方向相反。此外，在特定参数组合下（φ1=φ2），两个方向的刚度和比吸能可达到完全一致（图6中白线）。

   

图6 MC3力学性能参数化分析

        在声学性能研究方面，具有几何对称性的MC1和MC3展现出对称的能带结构和显著的全带隙（图7a, c），而不对称的MC2则主要表现出方向带隙（图7b）。对MC3的声学带隙进行详尽的参数化分析发现，通过改变初始折叠角（φ1i）和设计角（α），其全带隙的频率范围可在高达23.7倍的范围内进行编程设计（图8）。

   

图7 MC1-MC3能带结构与带隙特性

   

图8 MC3全带隙特性参数化分析

        接下来，利用设计参数与物理性能之间的非唯一映射关系，实现了力学与声学性能的独立编程。例如，通过沿刚度等高线选取不同设计参数（图9a），可构造出一系列具有相同z方向刚度（30 kN/mm）的超材料构型，但这些构型的完全带隙频率范围却可相差高达10.4倍（图9b, c）。反之，通过选取具有相同带隙特性的不同构型（如构型1#-5#，图10a, b），可实现刚度和比吸能分别高达16.9倍和5.4倍的大范围编程，且互为几何转置的构型对（如1#与5#，2#与4#）其力学性能在正交方向上恰好互换，对称构型3#则在两个方向性能相同（图10c, d）。

   

图9 超材料全带隙频率范围独立编程

   

图10 超材料力学性能独立编程

        更进一步，研究团队利用热塑性聚氨酯（TPU）材料制备了超材料原型（图11a），并通过热-机械载荷成功实现了构型重构和性能调控。实验证明，通过改变折叠状态（如从对称态φ1i=113.94°到一般态φ1i=70°或其转置态φ1i=147.03°），可显著改变超材料在x和z方向上的力学响应（力-位移曲线、刚度）和声学传输损失特性（图11b-d）。

   

图11 超材料构型重构与性能调控

        综上所述，本研究提出了一种同时具有力学和声学特性的双通路折纸超材料，利用设计参数与物理性能之间的非唯一映射关系实现了两种性能的独立编程，结合热塑性材料实现了超材料的构型重构和性能调控。为开发新一代集能量吸收、噪声抑制及动态适应能力于一体的智能工程材料开辟了新途径。

Li M#, Ma J#, Tang X-L, Wang Y-F*, Chen Y*. Double-Tubular Origami Metamaterials with Independently Programmable and Tunable Mechanical and Acoustic Properties, Composites Part B: Engineering, 2025, 112804.
(https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112804)