三周期極小曲面結構是一種具有高比強度、高能量吸收和獨特分層變形機製的優良機械材料，在航空🚍、汽車、醫療設備和基礎設施等領域具有重要應用👨🏻‍🔧。該結構具有非正高斯曲率的鞍形表面，當受到載荷時🤸🏼‍♀️，力被分為不同方向的多個分量🚹，應力局部化，結構表現得更加堅硬。然而🏧，三周期極小曲面結構的性能受到各向異性力學行為的限製，當載荷超過屈服應力時👩🏽‍⚖️，會出現應力集中的斜剪切帶🏃🏻‍♂️‍➡️，導致結構發生突變破壞🦸🏼。

日前，我校化學科學與工程學院韓璐教授課題組和航空航天與力學學院楊偉東課題組提出了一種通過引入晶體孿晶設計來控製應力傳遞路徑的策略，將微觀晶體結構應用到宏觀力學材料設計中🌗，實現了三周期極小曲面結構的變形行為可編程，為結構的設計與保護提供了一種新思路❎。相關研究成果“Mechanical behaviors regulation of triply periodic minimal surface structures with crystal twinning”在線發表於《增材製造》（Additive Manufacturing）。

晶體孿晶是一種常見的晶體缺陷形式，它由兩個或多個相鄰的彼此間具有外延取向的相同結構片段組成🍚，在各種生物和合成系統中都有發現☄️。受微觀晶體缺陷的啟發🎉，研究團隊構建了陀螺（Gyroid）和金剛石（Diamond）的孿晶結構，包括不同位置的單個和多個孿晶相關結構，並從多個方向進行了壓縮力學測試。結構的承載能力和壓縮變形機製的調整和改善取決於結構幾何之間的荷載傳遞🧑🏿‍🎓。在孿晶邊界附近👩🏻‍🏫，由於孿晶邊界處曲率的變化，原有的應力傳遞路徑被阻斷，而新獲得的結構的對稱性促使力在對稱方向上被分為相等的分量，使結構表現出相對孿晶邊界對稱的變形剪切帶，有效避免了應力集中的斜剪切帶，從而保護結構免於破壞性坍塌。同時🫶🏽，由於孿晶邊界的平滑連接，在邊界處只存在很小的高斯曲率波動，很好地保留了結構的負高斯曲率曲面的特征，因此🌕，孿晶對結構的應力-應變行為沒有太大的影響👨🏻‍🚒。此外，在結構中引入不同數量的孿晶邊界以及應用不同的載荷施加方向能得到更多不同的變形行為，有限元模擬得到的結果與實驗結果十分吻合。該方法的優點是在保持結構力學性能的基礎上✍️🛗，改善了變形機理🧗‍♀️🛸，消除了應力集中♒️，有效增強了結構在壓縮荷載作用下的完整性，在建築物定向爆破、人體保護裝置🏬👶🏿、柔性電子等方面將具有廣闊的應用前景✏️。

韓璐教授和楊偉東教授為論文通訊作者，化學科學與工程學院博士生張艷紅和航空航天與力學學院博士生張峻銘為論文共同第一作者👱‍♀️。上述研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基礎研究基金、上海市高等學校特聘教授（東方學者）項目、上海市浦江計劃的支持。

論文鏈接♗：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103036