无论是用于吸收冲击的弹簧、用于储存能量的机械缓冲器，还是机器人和节能机器中的柔性部件，许多现代技术都依赖于储存机械能的能力。这涉及将动能、运动或机械功转化为弹性能，并在需要时完全释放。这一过程中的一个关键因素是焓，它指的是材料中可以储存和回收多少能量。
卡尔斯鲁厄理工学院 (KIT) 教授 Peter Gumbsch 表示，最大化焓值并非易事。“难点在于将相互冲突的特性结合起来：高刚度、高强度和大可恢复应变。”通过巧妙地将棒扭转成螺旋状并将其集成到新的超材料结构中，他们克服了传统的设计限制，实现了比现有材料高 2 至 160 倍的焓值。这一突破为机器人、减震器和下一代机器的能量密集型组件打开了大门。
该模型展示了超材料的螺旋形变。得益于这种机制，可以储存大量能量而不会发生破损。图片来源：IAM，KIT / 拼贴：Anja Sefrin，KIT
超材料是一种设计成自然界中不存在的结构的材料。通过排列精心设计的构建块，研究人员可以创建具有增强或不寻常特性的材料。Gumbsch 还领导着弗莱堡弗劳恩霍夫材料力学研究所，他与来自中国和美国的国际团队现已开发出一种机械超材料，可以非常高效地存储弹性能量。
“首先，我们发现了一种机制，可以在一根简单的圆棒中储存大量能量，而不会使其断裂或永久变形，”Gumbsch 说。“通过定义棒的巧妙排列，我们将这种机制集成到超材料中。”
研究人员将他们的发现与传统的弯曲弹簧进行了比较，由于弹簧表面的高应力，弹簧只能弯曲到一定程度，然后就会永久破裂或变形。弹簧内部的应力仍然很低，因此储能效率低下。但是，通过扭转杆而不是弯曲杆，表面会承受更均匀的应力，低应力内部材料的体积也会减少。为了进一步推进这一想法，研究人员利用强烈的扭转来诱导复杂的螺旋屈曲模式，在保持结构完整性的同时最大限度地提高储能。
研究人员成功地将这种扭转载荷和螺旋变形的杆集成到一种可以在单轴载荷下宏观使用的超材料中。模拟帮助他们预测超材料将具有高刚度，因此可以吸收很大的力。此外，它的焓比其他超材料高 2 到 160 倍。为了证实这一点，他们对具有镜像手性结构的各种超材料进行了简单的压缩实验。
Gumbsch 表示：“我们的新型超材料具有高弹性储能能力，未来有望应用于需要高效储能和卓越机械性能的各个领域。”除了基于弹簧的储能之外，可能的应用还包括减震或阻尼以及机器人或节能机器中的柔性结构。或者，超材料内部发生的扭曲可用于纯弹性关节。
编译自/ScitechDaily
