能自动“锁紧”的3D颗粒材料

本文报道了一种受苍耳种子启发的三维自锁颗粒超材料。该材料由空心树脂椭球单元与表面柔性热塑性聚氨酯（TPU）钩状结构组成——钩子具有超弹性，能反复弯曲而不发生塑性变形或断裂。当颗粒堆积时，钩子相互勾连，形成无需外部容器约束即可自稳定的三维结构。研究系统验证了其在拉伸、剪切、压缩及冲击载荷下的独特力学行为：（1）拉伸时呈现‘逐级脱钩’现象——钩子并非同时失效，而是依次断开，显著提升断裂延伸率和能量吸收能力；（2）剪切时存在‘滑动—锁定’转变——初始阶段钩子滑动导致近乎零阻力的‘类流体’响应，位移增大后钩子完全咬合，刚度骤升，呈现‘类固体’行为；（3）压缩时，上层颗粒有序嵌入下层孔隙（层间穿透），同时内部孔隙被挤压塌陷，推迟致密化过程，大幅提高致密化应变和单位体积吸能效率；（4）冲击实验表明，即使在缺少一侧围挡的非理想包装条件下，该材料仍能有效缓冲钢球冲击、保护鸡蛋等易碎物，而传统泡沫在此情况下会散逸失效；（5）经历100次循环压缩后，材料应力-应变曲线基本不变，钩子完好，结构可快速复原，展现出优异的可重用性与耐久性。与传统泡沫或二维自锁材料不同，该三维颗粒体系不依赖边界压力或化学介质，仅靠内在钩-钩互锁即可实现多向承载、大变形吸能和任意形状重构，为可定制、可回收的防护材料（如可重复使用的包装、轻量化装甲、减振缓冲层）提供了新范式。