一、研究背景與科學問題

抗斷裂材料的設計長期以來受限于跨多尺度的增韌機制復雜性。增強斷裂韌性的策略主要包括裂紋前方的本征增韌和裂紋后方的非本征增韌。非本征增韌通過裂紋屏蔽機制阻礙裂紋擴展，但對裂紋萌生沒有影響；而本征增韌則通過發展非彈性區——即耗散變形機制運作并延緩斷裂的區域——同時增強對裂紋萌生和擴展的抗力。在金屬材料中，本征增韌主要與材料塑性相關；然而，在大多數結構材料中，非彈性變形高度局域于裂紋附近，非彈性區的擴大受到嚴重限制。將樣品尺寸降至臨界長度尺度以下可誘導小尺度材料的韌脆轉變，但大尺度材料仍不可避免地以線彈性斷裂力學控制的脆性斷裂方式失效。

失穩是另一種與斷裂截然不同的結構失效機制。傳統上失穩被視為應避免的現象，但近年來已被成功用于設計具有可定制功能的結構材料，如形狀重構、快速驅動、機械可編程性和可重復使用能量吸收等。然而，失穩與斷裂韌性之間的聯系始終未被探索。

針對以上問題，清華大學的王宇嘉團隊、李曉雁團隊和高華健團隊在Nature期刊（2026年，第655卷）上發表了題為“Programming fracture resistance in metamaterials via elastic instabilities"的研究論文。該研究提出，通過主動利用彈性失穩來調控偽塑性超材料中的非彈性區尺寸，可實現從本征到非本征斷裂行為的主動編程轉變，從而將兩種傳統上相互獨立的失效模式有機銜接，為抗斷裂結構材料的設計開辟了全新框架。

二、設計原理與實驗方法

該研究的設計靈感來源于生物材料中的蛋白質解折疊行為。蛋白質具有三階段力-延伸曲線：初始彈性階段、特征應力平臺對應的解折疊階段、以及隨后的主鏈拉伸階段，這種獨特的變形行為賦予了生物材料的斷裂韌性。受此啟發，研究者探索了兩種斷裂行為：當非彈性區因解折疊而一定程度離域化時，斷裂發生在應力平臺階段，斷裂韌性保持為本征材料屬性；而當極限強度顯著超過彈性極，非彈性區可在裂紋擴展前生長并蔓延至樣品邊界，此時斷裂韌性從本征材料常數轉變為隨樣品尺寸縮放的外稟參數。

為實現上述斷裂行為，研究者采用由雙曲梁組成的突跳（snap-through）超材料作為平臺。該超材料具有可調的三階段應力-應變行為，通過較薄梁的幾何參數ts/l控制。這種類塑性響應源于彈性失穩而非累積不可逆損傷，因此稱為偽塑性行為。樣品采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）制備，通過兩步固化工藝（模具中預固化加脫模后最終固化）調控材料力學性能：更高的固化溫度T2導致更高的模量和更低的斷裂應變。此外，研究者還使用投影微立體光刻（PmuSL）技術制造了高精度模具，并通過有限元模擬和含預裂紋與無預裂紋樣品的機械測試計算斷裂能。

圖1 設計概念。（a）fcc晶格結構示意，代表金屬中的典型原子排列；（b）蛋白質結構示意；（c）結構材料中的斷裂行為，非彈性區局限于裂紋附近；（d）類蛋白質材料中的斷裂行為，非彈性區一定程度離域化，斷裂發生在應力平臺階段；（e）非彈性區蔓延至樣品邊界的斷裂行為；（f）本研究所用超材料的整體結構；（g）單元胞幾何，由承載段和突跳段組成；（h）通過ts/l調控的機械行為。

三、本征斷裂行為：有限非彈性區

研究者首先考察了由相對低斷裂應變材料構成的超材料的斷裂行為。例如，對于ts/l=0.14、T2=200度C制備的超材料，突跳失穩僅在裂紋正前方的單個單元胞中發生，隨后裂紋即開始擴展。這類超材料的平均臨界位移為4.9 mm，平均斷裂能為0.057 kJ每m2。當通過降低固化溫度（T2=150度C）來提高組分材料的斷裂應變時，突跳失穩可在更多單元胞中觸發。在ts/l=0.12的超材料中，失穩初始在裂紋單元胞中被觸發，隨后逐層向遠處傳播。在失穩已傳播四層單元胞后，裂紋的首根梁斷裂，標志著裂紋萌生；裂紋隨后逐漸穿過超材料。在偽塑性超材料中，失穩被觸發的區域可直接視為非彈性區。

為研究尺寸效應，研究者制備并測試了不同尺寸但幾何和固化溫度相同的樣品。在最小樣品中，由于整個樣品僅由四層單元胞組成，非彈性區延伸至樣品邊界；而在更大樣品中，非彈性區始終在達到一定層數后停止擴展，未能到達邊界。斷裂能的計算結果在研究的尺寸范圍內幾乎與樣品尺寸無關，表明斷裂韌性仍為本征材料屬性。

圖2 本征斷裂韌性的超材料斷裂行為。（a）ts/l=0.12、nw=20、T2=150度C超材料的代表性力-位移曲線及對應快照，Scale bars 10 mm；（b）nw=8、12、16樣品裂紋萌生前的快照；（c）斷裂能隨樣品尺寸的變化關系，實驗值與模擬值吻合，且斷裂能與尺寸無關，證實本征斷裂行為。

四、非本征斷裂行為：非彈性區蔓延至邊界

研究者進一步探索了非彈性區是否能在更大尺寸樣品中達到邊界。為此，他們將幾何參數減小至ts/l=0.10，并通過更低的固化溫度（T2=70度C）提高組分材料的斷裂應變。這一調整促進了失穩的發生，同時延緩了裂紋萌生。加載過程中，失穩從裂紋起始并逐層向外傳播。非彈性區持續生長并貫穿整個樣品，而裂紋并未擴展。在所有單元胞層經歷突跳失穩后，力繼續隨位移增加，力-位移曲線呈現三階段特征：初始彈性區、突跳失穩對應的力平臺區、以及隨后的硬化區。裂紋萌生發生在第三階段，此時整個樣品已被充分拉伸。

裂紋萌生的臨界位移顯著大于本征行為樣品。在所有測試尺寸中，非彈性區均一致地蔓延至邊界。結果，斷裂能隨樣品尺寸增大而增加。在這些情況下，失穩在整個樣品中被觸發，裂紋被捕獲直至非彈性區發展。因此，斷裂韌性不再是材料常數，而是轉變為隨樣品尺寸縮放的外稟參數。這一發現標志著超材料斷裂力學從被動表征向主動調控的根本轉變。

圖3 非本征斷裂韌性的超材料斷裂行為。（a）ts/l=0.10、nw=20、T2=70度C超材料的代表性力-位移曲線及對應快照，Scale bars 10 mm；（b）nw=8、12、16樣品裂紋萌生前的快照，非彈性區均蔓延至邊界；（c）斷裂能隨樣品尺寸的增加而增大，證實非本征斷裂行為。

五、本征-非本征轉變機制與相圖

研究者在固定樣品尺寸（nw=16）的條件下，通過調控幾何參數（ts/l）或材料性能（通過T2），系統展示了本征與非本征斷裂行為之間的可編程轉變。對于ts/l=0.10的超材料，分別在T2=200度C、150度C和110度C制備時，非彈性區在裂紋萌生前跨越3、5和8層單元胞。在110度C樣品中，非彈性區延伸至樣品邊界，呈現非本征斷裂行為。斷裂能隨固化溫度降低而顯著增加：T2=110度C時斷裂能高于T2=70度C，這歸因于前者更高的模量和相應的彈性應變能。反之，在相同固化溫度下增大ts/l，則導致非本征斷裂行為的喪失：ts/l=0.12和0.14時非彈性區分別僅為7層和3層。

為深入理解轉變機制，研究者建立了理論模型預測非彈性區尺寸和斷裂能。理論預測的相圖與實驗結果吻合良好，清晰呈現了不同斷裂區域之間的邊界。對于非本征行為超材料，斷裂能隨樣品尺寸的縮放規律為：Gamma = C1 + C2乘nw，其中C1和C2為依賴于材料性能和單元胞幾何的常數。實驗數據與該標度律吻合。值得注意的是，通過NaOH浸泡法將組分材料斷裂應變提升至約0.8后，即使ts/l=0.14的超材料也能實現非本征行為，斷裂能達0.50 kJ每m2，是T2=200度C時niz=0對應值（0.057 kJ每m2）的8.8倍；將尺寸增至nw=24后，斷裂能進一步升至0.59 kJ每m2——較本征區提高整整一個數量級。

圖4 本征-非本征轉變與理論分析。（a-e）不同幾何參數和固化溫度下裂紋萌生前的快照；（f-g）斷裂能隨固化溫度和幾何參數的變化；（h）實驗相圖：非彈性區尺寸niz隨ts/l和T2的變化；（i）理論預測相圖；（j-l）理論預測的斷裂能與實驗對比及標度律擬合；（m-n）通過NaOH浸泡提高斷裂應變后，ts/l=0.14超材料實現非本征行為。

六、結構非彈性主導的增韌機制

研究者將超材料的斷裂能解耦為組分材料貢獻和結構貢獻：Gamma = Gamma0 + GammaS。其中Gamma0為與材料失效相關的本征斷裂能，GammaS代表由結構實現的額外耗散，稱為結構非彈性（structural inelasticity）。當裂紋在超材料中擴展一個單元胞時，兩根厚度為ts的梁發生斷裂，因此Gamma0估計為(2ts/l)乘Gammam（Gammam約0.2 kJ每m2為組分材料斷裂能）。對于ts/l=0.14的超材料，Gamma0約0.056 kJ每m2，與niz=0時的斷裂能（0.057 kJ每m2）接近，表明本征區中結構非彈性的貢獻微乎其微。因此，非本征區中近一個數量級的斷裂能增強主要歸因于結構非彈性，其通過彈性失穩被可控放大，而無需增強組分材料本身的韌性。

這一發現具有深刻的物理意義：在傳統晶格超材料中，非彈性區局限于裂紋附近單元胞，非彈性耗散被限制在較小的局域范圍內；而在偽塑性超材料中，突跳失穩被主動利用來調控非彈性區尺寸，從而放大結構非彈性的效應。當裂紋擴展一個單元胞時，裂紋前方一列單元胞中儲存的彈性應變能通過結構非彈性被耗散；在非本征行為情況下，這一機制可離域化并延伸至樣品邊界。超材料將彈性失穩轉化為斷裂韌性，有效銜接了兩種此前互不關聯的失效現象。

七、普適性驗證與總結展望

為驗證該策略的普適性，研究者將方法拓展至多種不同體系。首先，采用熔融沉積成型（FDM）從熱塑性聚氨酯（TPU）制備了大尺寸曲梁超材料，同樣觀察到了非彈性區蔓延至邊界的現象，且斷裂能隨樣品尺寸按相同標度律增加。其次，設計了3D殼基超材料，其單元胞呈折疊-展開式吸管狀結構，在突跳失穩下同樣實現了非本征斷裂行為和尺寸依賴的斷裂能。此外，還驗證了雙向突跳失穩超材料（裂紋面與加載方向成45度傾角）以及引入圓角的超材料，均獲得了顯著增強的斷裂能。這些結果充分證明了通過失穩設計編程斷裂行為的廣泛適用性。

本研究總結如下核心貢獻：（1）將彈性失穩與斷裂韌性主動關聯，建立了通過失穩設計編程超材料斷裂行為的通用框架；（2）揭示了結構非彈性作為主導增韌機制的物理本質，實現了在不增強組分材料的前提下近一個數量級的斷裂能提升；（3）構建了本征-非本征轉變的理論模型和相圖，為斷裂行為的定量預測提供了工具。偽塑性超材料可逆的響應特性還暗示了研究架構材料疲勞行為的誘人方向。未來工作可探索將形狀記憶聚合物或液晶彈性體等活性材料集成至超材料中，實現制備后實時或可逆的斷裂行為編程，從而大幅拓展該策略的功能多樣性。

圖5 策略普適性驗證：大尺寸TPU曲梁超材料。（a）FDM制備的大尺寸曲梁超材料光學圖像；（b）不同nw樣品裂紋萌生前的快照；（c）代表性力-位移曲線及快照；（d）斷裂能隨樣品尺寸的變化，虛線為標度律擬合結果Gamma = C1 + C2乘nw。