轻质且力学性能优异的先进材料在航天航空、交通运输和生物医疗等众多工程领域中都有着迫切的需求。
作为力材料学（Mechanomaterials）范式的应用实例，三维点阵超材料通过主动的结构设计，为实现轻质且力学性能优异的先进材料提供了切实可行的路径。
在实际工程应用中，结构材料不可避免地会面临制造或服役过程中产生的缺陷和裂纹，因此材料的断裂韧性，即抵抗裂纹扩展的能力，对于材料的实际应用尤为关键。
然而目前对于三维点阵超材料的断裂行为和断裂机理的理解仍十分有限。
如何通过结构设计得到低密度、高断裂韧性的三维点阵超材料是固体力学和材料科学领域的热点问题和重要挑战之一。
图1.典型的桁架和曲壳单胞结构及相应的点阵超材料的断裂测试结果针对上述问题和挑战，清华大学力学与工程交叉研究院研究团队与新加坡南洋理工大学对三维点阵超材料的断裂行为和断裂机理展开了合作研究。
团队前期研究成果表明，新型的极小曲面点阵超材料可以实现超高的强度和比强度，这与其独特的拓扑结构密不可分。
基于此，团队进一步研究了这种新型极小曲面点阵超材料的断裂行为，并与传统的桁架点阵超材料进行了系统的对比（图1）。
结果表明，相比于被广泛研究的桁架点阵超材料，曲壳点阵超材料具有更高的断裂韧性，从而能够更好地抵抗裂纹扩展（图2）。
在桁架点阵超材料中，由于节点处较强的应力集中，裂纹较为容易地通过节点的破坏沿着单胞依次扩展。
相比之下，曲壳点阵超材料独特的拓扑结构能够更均匀地分布应力从而延缓裂纹扩展。
研究团队进一步揭示了点阵超材料断裂中的三种能量耗散机制：材料的损伤破坏、结构的弹性振动耗散和材料的塑性耗散（图3）。
有限元分析表明，曲壳点阵超材料优异的断裂韧性