DIC全场应变测量助力仿生NiTi超材料压缩变形观察
Bioinspired 3D-Printed NiTi Metamaterials With Bivalve-Like Crossed-Lamellar Structures
具有双壳贝类交叉叠片结构的仿生3D打印镍钛超材料
陈宇, 刘增乾, 吴韦彪, 王皓亮, 王绍钢, 刘瀚钟, 王学刚, 任德春, 吉海宾, 张哲峰
中国科学院金属研究所，沈阳材料科学国家实验室
中国科学技术大学，材料科学与工程学院
东莞理工学院，机械工程学院
导读
由中国科学院金属研究所、中国科学技术大学、东莞理工学院等单位合作完成的研究成果 “Bioinspired 3D-Printed NiTi Metamaterials With Bivalve-Like Crossed-Lamellar Structures” 发表在 Rare Metals 期刊。该研究以天然双壳贝类贝壳中的交叉叠片结构为仿生原型，设计并制备了具有不同**角度的3D打印NiTi超材料，并对其压缩性能、循环变形行为和弹性回复能力进行了系统研究。
在本项合作研究中，数字图像相关方法（Digital Image Correlation, DIC） 被用于NiTi超材料压缩过程中的全场变形与应变测量。通过DIC测试，可以直观观察试样在不同加载方向下的变形过程、应变集中区域、剪切带形成以及损伤扩展等现象，为材料压缩行为的表征提供了重要图像依据。
一、DIC：让压缩变形过程可视化
对于3D打印超材料而言，传统压缩实验可以获得应力–应变曲线，反映材料的整体承载能力和变形响应。但对于具有复杂空间结构的超材料，仅依靠曲线难以直观看到试样表面不同区域的变形差异。
DIC技术通过在试样表面制备随机散斑，并在加载过程中连续采集图像，可获得试样表面的全场位移和应变分布。相比单点测量或整体曲线，DIC能够更直观地显示压缩过程中局部区域的变形变化。
在本研究中，DIC主要用于观察以下现象：
1、试样压缩过程中整体变形是否均匀；
2、局部高应变区域出现的位置；
3、剪切带的形成和扩展过程；
4、不同加载方向下变形形貌的差异；
5、损伤和断裂区域的演化过程。
图1 试样图
图2 样品受光均匀性改善示意图
图注：通过在样品与上下底盘之间加入垫片，可减小底盘遮挡造成的局部阴影，使样品受光面照明更加均匀，为后续DIC全场应变分析提供更稳定的图像条件。
图3 双目DIC实验中两种相机布置方式示意图
图注：图3双目DIC实验中两种相机布置方式示意图。A为常规实验摆放方式，两台相机分别从不同角度对样品进行同步拍摄；B为面向论文图像呈现优化后的摆放方式，在保持左相机（C1）位置基本不变的基础上，对右相机（C2）的位置与拍摄角度进行了调整，以获得更适合论文展示的应变云图效果。
图4 试样表面形貌：(A) 由左相拍摄样品表面；(B) 由右相拍摄样品表面
图注：基于DIC的NiTi超材料压缩变形测量。通过在试样表面制备随机散斑，并在压缩过程中同步采集图像，可获得全场位移和应变分布。
二、DIC揭示的三种典型变形模式
在该研究中，艾思默智能材料DIC测量团队采用三维DIC系统对NiTi超材料进行了全场变形和应变分析。试样表面首先通过喷涂方式制备高对比度随机散斑，随后在准静态压缩过程中同步采集图像序列，并利用DIC软件重构不同加载方向下的全场应变分布。
DIC测试的重点并不只是获得某一个应变数值，而是通过连续应变云图观察结构的变形路径。对于仿生交叉叠片NiTi超材料来说，不同加载方向对应着不同的结构承载路径，因此DIC云图能够清晰揭示其各向异性力学行为的来源。
研究结果表明，120M结构（论文中一种设计结构）在X、Y、Z三个方向加载时表现出三种具有代表性的变形模式：
沿X方向加载时，结构由较均匀变形逐渐发展为倒“V”形剪切带；
沿Y方向加载时，结构整体变形更加连续，并逐步进入致密化过程；
沿Z方向加载时，局部应变集中和连接点损伤更加明显，最终形成跨列剪切破坏。
这些结果说明，DIC不仅能够记录材料“变形了多少”，更能够揭示材料“如何变形”和“为什么失稳”。
图5 仿生交叉叠片NiTi超材料的变形与损伤特征。120M结构沿X (A)、Y (B)及Z (C)方向单次压缩至不同应变水平时的全场应变分布。
图注：图5基于DIC的120M仿生交叉叠片NiTi超材料压缩应变场演化。沿X方向加载时形成倒“V”形剪切带，沿Y方向加载时表现为连续压缩和逐步致密化，沿Z方向加载时出现连接点损伤和跨列剪切破坏。
三、合作意义
此次合作研究充分体现了DIC技术在新材料测试和复杂结构变形观察中的应用价值。对于3D打印超材料、仿生结构材料和多孔金属材料而言，DIC能够以非接触方式获取全场应变分布，直观展示压缩过程中的变形和损伤现象。
未来，艾思默智能材料DIC测量团队将继续围绕DIC全场变形测量技术，服务于新材料研发、先进结构测试和复杂服役条件下的变形分析，推动DIC技术在材料力学测试领域的进一步应用。
