交通、航空航天、军事防护等领域的快速发展对先进材料性能提出了日益严苛的要求，尤其亟需兼具高承载能力与高性能稳定性的新型结构材料。超材料作为一类由微结构胞元按周期性排列构成的轻质人工材料，凭借其卓越的比刚度、比强度、比能量吸收及多功能集成潜力，展现出令人振奋的力学行为。但受材料本征属性与拓扑构型约束的影响，高承载能力与高性能稳定性之间存在固有矛盾，也是亟待解决的问题。

为解决高承载能力与高性能稳定性之间的固有矛盾，基于双相材料结构设计概念，武汉理工大学曹晓飞团队近日创新性地提出了基于三重周期极小曲面（TPMS）架构的双材料构型。通过系统地准静态压缩实验和数值模拟，对上述构型的力学响应行为与变形失效机制进行了深入研究。结果表明，双相TPMS超材料能有效利用其基元材料的互补特性，抑制结构的局部失稳与整体失效，从而实现高性能与轻量化的协同。

相关研究成果“Dual-material TPMS metamaterial with high load-bearing capacity and performance stability”近日已在固体力学/机械TOP期刊International Journal of Mechanical Sciences上发表。该研究工作得到了国家自然科学基金的支持。

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https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2025.110613

图1 双相TPMS超材料的力学设计与制造

图2 准静态压缩结果

此外，以高承载能力和性能稳定性为优化目标，研究团队进一步对该结构开展了优化设计，并系统探究了该结构的三点弯力学特性。结果表明，通过构型的进一步优化设计，该结构的各项关键性能参数均能实现显著提升，在保持良好性能稳定性的同时，展现出卓越的比强度与比刚度特性。这一特性使其在运动护具、专业头盔等个人防护装备领域具有明确的应用前景。

图3 三点弯性能特性