在一张纸上剪一刀，再轻轻拉伸，裂纹便会迅速沿着剪口扩展，将整张纸撕裂。这一看似平常的现象，其背后隐藏着经典的力学机制：裂纹尖端的应力集中触发局部失效，进而导致裂纹快速扩展。这种由裂纹引发的断裂失效行为，在日常材料或是建筑、航空航天等关键工程结构中，常常是造成灾难性失效的根源。裂纹的存在不仅大幅降低了材料的整体承载能力，还使破坏过程变得突发，成为材料设计中最难以克服的挑战之一。那么，能否通过微结构设计，让材料在裂纹扩展前就耗散大量的能量，从而显著延缓甚至抑制裂纹拓展？更进一步，能否提出一种通用的增韧策略，突破传统材料韧性的极限？
近日，新加坡南洋理工大学王一凡教授团队联合清华大学刘彬教授团队提出了一种全新的“双键断裂超材料”（Dual-bond Fracture Metamaterials）。该超材料通过精确调控结构内部强键与弱键的破坏阈值，成功实现了以外在增韧（Extrinsic Toughening）机制为核心的全域能量耗散：在裂纹尚未扩展前，材料整体便能够通过塑性变形、机械振动和弱键断裂等多重方式进行充分的能量耗散，从而显著抑制裂纹扩展。此外，该研究进一步证实了该材料的断裂韧性与试样尺寸呈线性关系，从理论上验证了实现“无穷断裂韧性”的可能性。相关成果以《Dual-bond fracture metamaterials with full-field extrinsic toughening》为题，于2025年7月26日发表在《Nature Communications》。
双键断裂超材料的设计灵感源于双网络水凝胶中的增韧机制（图1a-d），后者通过将脆性牺牲网络与延展性网络结合，实现了高效的能量耗散。然而，与能量耗散局限于裂纹尖端附近的双网络水凝胶不同，所提出的双键断裂超材料通过在结构中引入强键和弱键，实现了全域能量耗散（图1e-h）。在拉伸载荷作用下，弱键依次断裂，强键则保证结构完整并诱发结构产生塑性变形，进而在强键与梁的连接处形成塑性铰。该机制促使裂纹不扩展而钝化，从而构建起遍布整个材料的断裂过程区（Fracture Process Zone）,实现全域能量耗散（图1j）。尽管材料中引入了易断裂的弱键，该设计依然展现出高初始刚度，能够在拉伸和弯曲等工况下维持其承载能力（图1i）。
为了定量表征该超材料抗断裂的能力，我们引入了比断裂能Γ（ Specific Fracture Energy），即扩展单位裂纹面积所消耗的能量，其定义为：Γ=Wf/[H(W-a)]，其中Wf为外力功，H(W-a)为裂纹面积。实验结果表明（图1l），对于传统密实材料，比断裂能则不随样品尺寸变化而改变，表现为尺度无关性；而对于双键断裂超材料，比断裂能随样品长度L呈线性增长，随着结构尺寸的增加，断裂过程区不断增大且总能达到试样边界，单位裂纹面积对应的耗散能也随之提高。理论上，当试样长度趋于无穷时，比断裂能也将趋于无穷，我们将这种理想化的力学行为定义为“无穷断裂韧性”。
图1：双键断裂超材料
双键断裂超材料通过我们开发的“蕾丝”3D打印（Lace 3D Printing）技术制备而成。该方法基于熔融沉积成型（FDM）技术，通过精准控制丝材间距并采用之字形（zig-zag）打印路径（图2a-b），使强键形成于路径转弯处，而弱键则是由转角处过量挤出的材料扩散形成，连接强度较低（图2c-d）。该技术充分利用了FDM技术的几何精度，以单根丝材作为超材料的基本构件，实现对其结构和连接强度的高度可控，同时具备良好的打印效率。
单元结构的力学性能与打印参数和几何尺寸密切相关（图2e-k）。拉伸实验表明，弱键在加载过程中依次断裂，形成锯齿状的力平台（视频1）；通过调控丝宽l与单元宽度Lw，可实现力平台的定量调控。建立的理论模型进一步揭示了平台力与无量纲几何参数之间的定量关系，并绘制其对应的云图（图2k），为力平台的可编程设计以及破坏阈值的调控提供了理论支撑。
图2：“蕾丝”3D打印技术以及组成单元的力学性能分析
视频1：单元结构的变形
图3a展示了在拉伸载荷下，有预制裂纹的双键断裂超材料在裂纹扩展前的全域能量耗散能力。实验展示了其断裂过程的三个阶段：第一阶段为弱键断裂前的弹性响应阶段；第二阶段为弱键依次断裂并伴随塑性铰的形成，展开为网状结构；第三阶段为裂纹的最终扩展（视频2）。为深入验证该机制的有效性，我们对双键断裂超材料、单键断裂超材料以及传统密实材料进行了系统的测试（图3b-d）。结果表明，双键断裂超材料的比断裂能展现出显著的尺寸依赖性，而密实材料则不具有类似的尺寸依赖性。此外，通过调节单根丝材的宽度l（图3e-f），可实现比断裂能的突变以及等效拉伸模量的有效调节，进一步展示了该材料体系在断裂性能调控方面的高度可编程性。
图3：双键断裂超材料的断裂行为
视频2：双键断裂超材料断裂行为
为揭示双键断裂超材料的增韧机制，我们系统分析了其裂纹扩展行为（图4a-c）与能量耗散模式（图4d-f）。研究表明，这类超材料的断裂行为受两类失效机制协同控制（图4a）：一是裂尖处梁的破坏，二是结构中弱键的断裂。为定量描述这两种机制之间的竞争关系，引入等效力集中因子Keq = Ftip/Fwb，其中Ftip表征裂尖梁所受的等效力，Fwb表征弱键所承载的拉力。通过该因子可区分三种典型断裂模型：零断裂过程区、有限断裂过程区以及全域断裂过程区（图4b和c）。进一步的能量耗散机制分析表明，双键断裂超材料的比断裂能可分为两部分之和：
Γ= Γ0+ΓD
其中，Γ0为本征断裂能（Intrinsic Fracture Energy），对应裂纹面形成所需的界面能；ΓD为外在断裂能（Extrinsic Fracture Energy），主要来源于弱键断裂、塑性铰形成，以及结构振动所引起的粘滞耗散。与传统材料显著不同的是，外在断裂能ΓD显著依赖于结构尺寸，是实现比断裂能随样品长度线性增长的根本原因。进一步推导，比断裂能可表示为：
Γ= Γ*+ wcL
其中，Γ*为裂纹面能量耗散，不依赖于结构尺寸；wc为外在耗散能密度，涵盖了体域内的能量耗散贡献；L为试样的长度。数值模拟与实验进一步量化了各类耗散机制的贡献（图4e和f）。值得注意的是，在拉伸过程中，弱键断裂所引发的突跳失稳现象（Snap-through）会激发局部梁段产生高频振动，伴随清晰的声信号（图4f和视频3），进一步印证了结构振动可以作为一种关键的外在耗能机制。
图4：双键断裂超材料的增韧机制
视频3：弱键断裂导致突跳的声信号表征
为拓展双键断裂超材料的功能性，我们引入梯度结构设计，通过逐渐变化的单元宽度Lw来构建梯度的应变分布（图5a-c）。基于这一策略，双键断裂超材料能够展现出非对称裂纹敏感性（Asymmetric Crack Sensitivity）和表面裂纹屏蔽能力（Surface Crack Shielding），如图5d和e所示。前者通过调控裂纹所在区域的应变环境，实现对裂纹扩展方向与路径的调节（视频4）；后者则有效阻止边界裂纹向核心区域扩展，显著提升结构的抗断裂能力与整体鲁棒性（视频5）。这两项功能源于结构内部应变场的空间可设计性，体现了双键断裂超材料在裂纹调控与结构保护方面的高度可编程性。
图5：梯度双键断裂超材料：非对称裂纹敏感性与表面裂纹屏蔽能力
视频4：非对称裂纹敏感性
视频5：表面裂纹屏蔽性
我们进一步展示了双键断裂超材料在多种工况下的功能性应用潜力，涵盖冲击防护网（图6a-d，视频6），冲击缓冲器（图6e-f），防爆容器（图6g-h），以及由双键断裂超材料构成的不同形状构件（图6i）。这些应用充分体现了该材料体系在结构韧性、缺陷容限与形状可编程性方面的独特优势，验证了其作为新一代高性能功能结构材料的广泛适应性与工程价值。
图6：双键断裂材料的多功能展示
视频6：冲击缓冲防护网
为验证全域增韧在不同材料体系中的适用性，我们将双键结构的基体材料从最初的ABS材料，拓展至多种具有代表性的材料（图7a-i），包括金属材料（铝合金6061）、高弹性聚合物（TPU），以及具备导电性能的功能性材料（导电PLA）。研究表明，尽管各材料的力学性能存在显著差异，双键构型所引发的全域能量耗散机制仍能稳定实现，体现出该设计策略的材料通用性。进一步，我们将所得双键断裂超材料的性能与已有典型超材料系统进行对比分析（图7j–k）。结果显示，该设计在比断裂能、单位体积能量耗散、延展性、强度、以及等效模量等关键性能指标之间实现了均衡的提升。
图7 双键断裂超材料在不同基体材料中的通用性展示
研究人员介绍：
新加坡南洋理工大学王一凡教授和清华大学刘彬教授为论文共同通讯作者；孟志强博士和博士生雷沛东为论文共同第一作者。其他作者还包括南洋理工大学硕士生侯博源。本研究工作得到了新加坡科技研究局、南洋助理教授基金等项目支持。
通讯作者介绍：
新加坡南洋理工大学王一凡教授课题组长期致力于研究新型的3D打印技术以及功能化结构材料，并开发其在软体机器人领域和人体外骨骼领域的应用（课题组主页：https://www.yifanwangntu.com/）。王一凡教授于2020年至今担任新加坡南洋理工大学机械与宇航工程学院南洋助理教授（Nanyang Assistant Professor，为该校授予杰出青年教授的职位）。王教授于2017-2020年在加州理工学院机械与土木工程系从事博士后研究，2011-2016年在芝加哥大学物理系获得物理学博士学位，2007-2011年于北京大学物理系获得物理学士学位。王教授已在领域内顶级期刊发表多篇重要文章，其中包括Nature、Science Robotics、Physical Review Letters、Nature Materials、Nature Communications、Science Advances、Matter、ACS Nano、Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Extreme Mechanics Letters等。
来源：高分子科学前沿
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