全文速递 - 先进材料多尺度力学

       近日，西安交通大学航天航空学院刘益伦教授团队以“Buckling of van der Waals materials”为题，在固体力学知名期刊《International Journal of Solids and Structures》上发表了一篇研究论文。该研究针对范德华材料独特的层状二维晶格结构及其导致的极端各向异性和物理非线性，提出一种通用层状模型（General Layered Model, GLv），系统研究了该类材料的失稳行为及后屈曲演化机制。这项工作不仅深化了我们对范德华材料后屈曲演化行为的理解，更可大尺寸范德华材料单晶的制备工艺优化以及层状晶体相的增强增韧设计提供了重要理论指导。

内容概述

       二维材料堆垛形成的范德华（vdW）材料在面内压缩下极易发生屈曲变形（图1），其后屈曲行为不仅为物理性能的调控提供了新途径，也是层状晶体相增强增韧的核心机制之一。然而，这一现象也成为制约大尺寸、高质量vdW单晶材料制备的关键瓶颈。本研究充分考虑vdW材料的层状晶格特点和片层大转角弯曲，以及层间相互作用的拉压非对称性和剪切周期性，构建了描述该类材料后屈曲演化的通用层状模型（GLv，图2）。

       基于总势能面非凸条件，推导出了初始屈曲应变的解析表达式：

该表达式仅依赖于两个无量纲参数，清晰反映了层内压缩、单层弯曲和层间剪切等变形模式之间的竞争关系，可理解为单个片层在附加层间剪切支撑下的欧拉屈曲行为。理论预测与分子动力学模拟及数值结果完全吻合（图3）。

       由于层状晶格结构导致的极端各向异性，体相vdW材料的后屈曲演化由层内和层间压缩能的释放驱动，构型从初始的正弦构型逐渐演化为折曲带（kink band，图4）。

       对于有限厚度vdW材料，其后屈曲行为受表面层约束的调控（可通过整体长径比量化），最终呈现出三种典型的后屈曲演化模式：全局失稳（图5）、内部折叠（图6）和内部折曲（图7），并得到不同的最终构型（图8）。研究特别指出，后屈曲演化过程中的桥接机制能够有效释放层内压力，是实现不同构型之间转换的关键途径。在此基础上，系统分析了表面层约束对演化路径的影响，并进一步构建了完整的后屈曲构型相图（图9）。该工作不仅推进了我们对vdW材料失稳与后屈曲演化行为的理解，也可为大尺寸vdW材料单晶的制备工艺以及层状晶体相的增强增韧设计提供参考。

图1. 范德华材料常见的失稳行为。

图2. 一般层状模型示意图。

图3. 初始临界应变。

图4. 体相vdW材料后屈曲演化。

图5. 全局失稳构型演化过程。

图6. 内部折叠构型演化过程。

图7. 内部折曲构型演化过程。

图8. 后屈曲演化最终构型。

图9. 后屈曲构型相图。

 https://doi.org/10.1016/j.ijsolstr.2025.113741

       论文第一作者为课题组的博士研究生刘会超，通讯作者是课题组的陈炎助理教授和刘益伦教授。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、陕西省科协青年托举人才计划和陕西省科学研究计划等项目的资助。