01、研究背景

随着航空航天、交通运输等领域的快速发展，对缓冲吸能材料的要求越来越高。传统金属材料如TC4钛合金虽然具有优异的力学性能，但其通过不可逆的塑性变形吸收能量，导致结构在受冲击后无法恢复原状，限制了其重复使用性。另一方面，镍钛形状记忆合金（SMA）因其独特的形状记忆效应和超弹性能，被认为是满足可重复使用缓冲吸能结构需求的理想材料。然而，NiTi合金单独使用时存在吸能量低的问题，难以满足高吸能需求的应用场景。因此，将高吸能材料与NiTi合金相结合，开发兼具大比吸能和高循环稳定性的复合材料成为研究的关键。

02、创新亮点

（1）材料复合创新

本研究创新性地提出了将高比吸能的TC4钛合金与具有超弹性的NiTi合金相结合，通过夹层结构设计，制备了Ti-NiTi装配式机械超材料（Ti-NiTi AMM）。这种设计充分发挥了钛合金的高比吸能和NiTi合金的可重复使用优势，实现了两种材料性能的优势互补。

（2）性能显著提升

实验结果表明，Ti-NiTi AMM在60%的压缩应变条件下，形状恢复率达到74.7%，经过1 000次循环后仍保持66.2%的形状恢复率，显著优于传统钛合金材料。同时，该材料还展现出卓越的能量吸收能力，单次使用的比吸能达到1.0 MJ/m³，为开发高性能、可重复使用的缓冲吸能金属结构提供了新的思路。

（3）循环稳定性优异

通过循环压缩实验验证了Ti-NiTi AMM的优异循环稳定性。在1 000次60%压缩应变循环后，材料的形状恢复率和吸能量均保持较高水平，未出现明显的性能衰减和结构失效，显示出良好的工业应用前景。

（4）设计理念先进

本研究不仅关注材料的性能提升，还注重结构设计的创新。通过夹层结构设计，实现了材料性能的优化和结构功能的集成，为新一代高性能缓冲吸能金属结构的设计提供了理论依据和实践经验。

03、图文展示

图1 Ti-NiTi AMM的设计概念示意图：(a) 钛合金8%应变加卸载的应力-应变曲线示意图；(b) 奥氏体态镍钛合金8%应变加卸载的应力-应变曲线示意图；(c) Ti-NiTi AMM模型；(d) Ti-NiTi AMM 60%应变加卸载的应力-应变曲线示意图。

Fig.1 Schematic diagram of the design concept for Ti-NiTi AMM: (a) stress-strain curve showing loading and unloading behavior of titanium alloy at 8% strain; (b) stress-strain curve showing loading and unloading behavior of austenitic NiTi alloy at 8% strain; (c) model of the Ti-NiTi AMM; (d) stress-strain curve showing loading and unloading behavior of Ti-NiTi AMM at 60% strain

图2 (a)室温下TC4钛合金单轴8%应变拉伸加卸载的应力-应变曲线。(b)室温下奥氏体态NiTi合金单轴8%应变拉伸加卸载的应力-应变曲线。

Fig. 2 (a) Stress-strain curve of TC4 titanium alloy under uniaxial loading and unloading at 8% strain at room temperature; (b) stress-strain curve of austenitic NiTi alloy under uniaxial loading and unloading at 8% strain at room temperature

图5 TTT、TNT和NTN样品的应变递增循环压缩变形结果：(a)～(c) 3种样品的应变递增循环压缩应力-应变曲线；(d)～(f) 3种样品在压缩过程中可恢复应变、形状恢复率和质量比吸能与最大压缩应变量的关系曲线；(g)～(i) 3种样品在压缩不同应变下的照片

Fig.5 Deformation behavior of TTT, TNT, and NTN samples under strain-incremental cyclic compression: (a)-(c) the stress-strain curves of the three samples during strain-incremental cyclic compression; (d)-(f) the relationships between recoverable strain, shape recovery ratio, and mass-specific energy absorption as a function of the maximum compressive strain; (g)-(i) photographs of the samples at different compressive strains

图7 NTN、T和NN样品的循环压缩60%变形结果：(a)～(c) 3种样品的循环压缩应力-应变曲线；(d)～(f) 3种样品在循环压缩过程中可恢复应变、形状恢复率和质量比吸能与循环次数的关系曲线

Fig.7 Deformation behavior of NTN, T, and NN samples under cyclic compression at 60% strain: (a)-(c) the stress-strain curves of the three samples during cyclic compression; (d)-(f) the relationships between recoverable strain, shape recovery ratio, and mass-specific energy absorption as a function of the number of cycles

图8 (a) 本研究结构与已报道的自恢复型-可重复使用缓冲吸能结构在第1次压缩循环过程中体积比吸能和可恢复应变的比较；(b) NTN样品与已报道的自恢复型-可重复使用缓冲吸能结构在整个生命周期中累计体积比吸能和循环次数的比较

Fig. 8 (a) Comparison of volume-specific energy absorption and recoverable strain during the first compression cycle between the structure studied in this work and previously reported self-recovering reusable energy absorbing systems; (b) comparison of accumulated volume-specific energy absorption and number of cycles throughout the entire lifespan of the NTN sample with previously reported self-recovering reusable energy absorbing systems

04、结论

本研究成功设计并制备了一种新型Ti-NiTi装配式机械超材料（Ti-NiTi AMM），通过夹层结构设计将高比吸能的TC4钛合金与具有超弹性的NiTi合金相结合，显著提升了材料的重复使用性能和能量吸收能力。结果表明，该材料在60%压缩应变条件下具有优异的形状恢复率和吸能量，且经过1000次循环后仍保持稳定的性能。本研究不仅拓展了钛合金的应用潜力，也为新一代高性能、可重复使用的缓冲吸能金属结构设计提供了新的思路和方法。