研究背景：

在交通运载、航空航天和轻量化防护等领域，兼具低密度、高比强度与高吸能能力的蜂窝/超材料结构受到广泛关注。传统蜂窝结构在压缩或冲击载荷下容易出现侧向扩张、局部失稳甚至单元分离的失效，因此往往需要借助胶黏剂、边框或其他外部约束来维持整体完整性。相比之下，自锁式结构依靠单元之间的几何互锁实现载荷传递与整体约束，有望在保持轻量化的同时提高结构稳定性和抗冲击性能。然而，现有研究更多关注单元整体拓扑，而对接触面几何构型与界面力学行为如何共同影响自锁式蜂窝压缩响应的认识仍不充分。

图1. 自锁式弧曲面蜂窝结构的设计理念、界面力学评估及面内压缩响应示意图

文章概述：

近日，哈尔滨工业大学熊健团队课题组围绕这一问题，系统研究了接触几何与界面力学对自锁式蜂窝结构压缩性能的影响。研究团队设计了五种弧曲面自锁式蜂窝单元构型，分别为简单单曲面（SSC）、削减接触单曲面（CSC）、简单双曲面（SDC）以及两种内置格栅增强构型（SSC-Lattice 和 CSC-Lattice），并通过多射流熔融（MJF）3D打印制备试样，开展准静态面内压缩实验，同时结合 ABAQUS/Explicit 有限元模拟，揭示了接触面曲率、接触面积以及界面约束对结构初始刚度、峰值承载、平台段稳定性和比吸能的协同调控规律。研究表明，通过合理设计接触面的几何特征，调控界面力学，可在高刚度/高峰值承载与稳定渐进塌缩/高效吸能之间实现性能平衡。

图文导读：

研究中，团队以弧曲面六边形蜂窝为基础单元，通过改变相邻单元之间的接触曲率和有效接触面积，建立了五类不同界面特征的自锁式蜂窝结构，并组装为 5×5 阵列进行测试。同时，在部分构型中引入内部格栅增强，用于进一步调节局部支撑能力和整体相对密度。该设计使研究者能够系统比较不同接触界面形式对载荷传递路径、变形模式及吸能行为的影响。

图2.五种弧曲面自锁式蜂窝单元及其阵列构型示意。不同构型通过调节接触面曲率、接触面积和内部格栅增强方式，形成差异化的界面约束与承载路径

实验结果表明，在未增强构型中，SDC 由于双曲面接触提供了更充分的贴合与几何约束，表现出最高的初始刚度和峰值应力；而 CSC 虽然初始阶段更柔顺，但其压缩塌缩过程更加平稳，在 15% 应变下获得了未增强构型中最高的比吸能。换言之，适当减小接触面积虽然会降低早期刚度，却有助于延长稳定塌缩平台并提升单位质量吸能效率。总体来看，SSC 与 CSC 在平台段都表现出较好的稳定性，更适合强调平稳载荷传递和受控减速的缓冲防护场景。

图3.不同构型在准静态压缩下的性能对比。接触几何的变化会显著影响结构的初始刚度、峰值载荷、平台稳定性和比吸能表现

进一步研究发现，内置格栅增强能够显著提高结构的早期承载能力和吸能水平。其中，CSC-Lattice 在 15% 应变下获得最高比吸能，显示出较强的短行程吸能能力。然而，这种增强也带来了更早的致密化和更明显的峰后载荷波动，导致平台段稳定性有所下降。也就是说，格栅增强虽然提升了初始刚度、峰值强度和早期吸能效率，但在“高早期承载”与“平稳渐进塌缩”之间引入了新的平衡关系。

数值模拟进一步表明，相比于完全自由接触或完全绑定接触，采用黏聚区模型的界面模拟更能准确再现实验中的峰后软化、界面逐步解锁和渐进塌缩行为。这说明，在自锁式蜂窝结构中，界面摩擦、黏结与脱黏演化并不是次要因素，而是预测和优化结构力学响应的关键。该结果也提示，未来可通过表面处理、柔性中间层设计和局部界面强化等方法，实现对结构响应的更精细调控。

图4.不同界面构型在压缩过程中的实验/仿真变形对比。黏聚界面模型能够较好捕捉界面逐步解锁、滑移与结构渐进塌缩行为

总体而言，该研究表明，接触几何与界面力学是决定自锁式蜂窝结构刚度、峰值强度、平台稳定性和吸能效率的核心设计变量。对于需要较高初始承载的应用场景，可优先考虑双曲面或格栅增强构型；对于更关注载荷平稳传递和受控吸能的应用，SSC 与 CSC 则展现出更好的塌缩稳定性。该工作为面向轻量化抗冲击、防碰撞和缓冲防护等工程应用的新型自锁式超材料设计提供了可量化的结构—界面协同优化思路。

本研究得到国家自然科学基金委员会项目(12472345)和国家重点研发计划项目(2025YFE0124500)支持。

论文信息:

Influence of Contact Geometry and Interface Mechanics on the Compressive Behavior of Self-Locking Honeycomb Structures

Abir Rouis, Zongbing Chen, Chengrui Yan, Jian Xiong*

Advanced Engineering Materials

DOI:10.1002/adem.202503165

原文链接：https://doi.org/10.1002/adem.202503165

期刊简介

Advanced Engineering Materials专注于工程材料的所有最新突破。该杂志涵盖了各种关键主题，例如复合材料、陶瓷、金属间化合物和涂层，以及高温、细胞和生物医学材料，以及创新的制造技术。