三周期极小曲面结构是一种具有高比强度、高能量吸收和独特分层变形机制的优良机械材料，在航空、汽车、医疗设备和基础设施等领域具有重要应用。该结构具有非正高斯曲率的鞍形表面，当受到载荷时，力被分为不同方向的多个分量，应力局部化，结构表现得更加坚硬。然而，三周期极小曲面结构的性能受到各向异性力学行为的限制，当载荷超过屈服应力时，会出现应力集中的斜剪切带，导致结构发生突变破坏。

日前，我校化学科学与工程学院韩璐教授课题组和航空航天与力学学院杨伟东课题组提出了一种通过引入晶体孪晶设计来控制应力传递路径的策略，将微观晶体结构应用到宏观力学材料设计中，实现了三周期极小曲面结构的变形行为可编程，为结构的设计与保护提供了一种新思路。相关研究成果“Mechanical behaviors regulation of triply periodic minimal surface structures with crystal twinning”在线发表于《增材制造》（Additive Manufacturing）。

晶体孪晶是一种常见的晶体缺陷形式，它由两个或多个相邻的彼此间具有外延取向的相同结构片段组成，在各种生物和合成系统中都有发现。受微观晶体缺陷的启发，研究团队构建了陀螺（Gyroid）和金刚石（Diamond）的孪晶结构，包括不同位置的单个和多个孪晶相关结构，并从多个方向进行了压缩力学测试。结构的承载能力和压缩变形机制的调整和改善取决于结构几何之间的荷载传递。在孪晶边界附近，由于孪晶边界处曲率的变化，原有的应力传递路径被阻断，而新获得的结构的对称性促使力在对称方向上被分为相等的分量，使结构表现出相对孪晶边界对称的变形剪切带，有效避免了应力集中的斜剪切带，从而保护结构免于破坏性坍塌。同时，由于孪晶边界的平滑连接，在边界处只存在很小的高斯曲率波动，很好地保留了结构的负高斯曲率曲面的特征，因此，孪晶对结构的应力-应变行为没有太大的影响。此外，在结构中引入不同数量的孪晶边界以及应用不同的载荷施加方向能得到更多不同的变形行为，有限元模拟得到的结果与实验结果十分吻合。该方法的优点是在保持结构力学性能的基础上，改善了变形机理，消除了应力集中，有效增强了结构在压缩荷载作用下的完整性，在建筑物定向爆破、人体保护装置、柔性电子等方面将具有广阔的应用前景。

韩璐教授和杨伟东教授为论文通讯作者，化学科学与工程学院博士生张艳红和航空航天与力学学院博士生张峻铭为论文共同第一作者。上述研究工作得到了国家自然科学基金、中央高校基础研究基金、上海市高等学校特聘教授（东方学者）项目、上海市浦江计划的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103036