鑒于可持續發展變得日益重要。因此，他們在設計和制備能量吸收結構時，試圖從日常生活中尋找一種低成本、易加工、可持續利用的原料。

過去幾年間，該團隊陸續發表了幾篇關于椰子材料與結構力學行為的論文。在此基礎之上，前不久他們又發表了固廢循環利用的論文。

易拉罐作為日常生活中常用消耗品，隨處可見。全球每年消耗的易拉罐數量巨大，據統計中國人均年消費約為 24 罐，廢舊易拉罐資源非常豐富。

易拉罐有著典型的管狀薄壁結構，對于它的循環再利用途徑非常值得加以探索。

該課題組考慮的是：如果將其用于碰撞吸能結構，不僅可以延長易拉罐的使用周期，還能制備具有低碳足跡的能量吸收器，助力于實現“碳達峰”和“碳中和”，同時助力于實現安全、環保、節能。

然而，易拉罐不可避免地存在一些初始缺陷，通過軸向壓潰實驗他們發現，空的易拉罐在軸向壓潰載荷之下，對于缺陷存在較高的敏感性。

實驗結果顯示，空罐出現了多種失效模式，包括一些低效吸能的變形模式。這在一定程度上限制了易拉罐空罐直接作為能量吸收器的可能性。

針對這一問題，他們通過原位制備，將易拉罐與 PU（polyurethane，聚氨基甲酸酯簡稱聚氨酯）泡沫進行復合，從而賦予易拉罐復合結構更加優異的吸能特性。

由于罐體與 PU 材料之間產生了耦合效應，這種復合結構變形模式會發生顯著的變化，從而極大提高單位質量的吸能量。

此外，易拉罐罐體底部和頂部均存在頸縮過渡區域，這一“天然”屬性能夠確保以較小的初始峰值力，來觸發結構后屈曲，從而有效避免被保護對象遭受較大的初始加速度，而這在生物力學研究中也是一個重要的損傷指標。

在動態沖擊的載荷之下，上述復合結構仍能表現出穩定的失效模式。沖擊之后的復合結構，其屈曲波瓣中并未出現斷裂破壞的現象，這表明易拉罐本身就具有優異的沖擊韌性。

這也表明其在動態能量吸收領域中具有廣闊應用前景。與其他能量吸收材料相比，易拉罐與 PU 泡沫的復合結構，在能量吸收方面具備顯著優勢。

上述復合結構的優勢還體現在易制備、低成本、可持續等方面。由于廢舊易拉罐的數量龐大，因此這種復合結構很容易實現大規模生產和推廣應用。

此外，還可以根據實際需求進行現場制備，并通過對多個復合結構單元進行組合、拼裝、調控、配置等，實現個性化定制設計、以及高效吸能器的快速制備。

（來源：Composites Science and Technology）

具體來說，其應用前景包括但不限于以下幾點：

其一，用于汽車碰撞吸能裝置：目前在做汽車碰撞實驗時，通常使用大尺寸的商業鋁蜂窩材料進行緩沖吸能。而本次復合吸能結構可以直接替代鋁蜂窩材料。

其二，用于高速公路兩旁的公共設施沖擊防護：為了有效避免車輛撞擊道路兩邊的重要公共設施比如通訊桿、通訊設備、電線桿等，可以將該復合結構進行定制化組裝，固定部署在被保護對象的外圍。

其三，用于抗爆炸防護結構的犧牲層：將多個復合結構進行組裝，即可用于設計防暴結構的犧牲層。

日前，相關論文以《從飲料罐和聚氨酯泡沫中獲得超高能量吸收的可持續復合材料》（Sustainable composites with ultrahigh energy absorption from beverage cans and polyurethane foam）為題發在 Composites Science and Technology[1]，ChenJianbo 是第一作者，侯淑娟擔任通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Composites Science and Technology）

如前所述，關于可持續的吸能材料或結構的研究，是該團隊一直在努力的方向。一方面，他們實現了針對一些材料改性的工作，通過嘗試不同的改性方法，以期提升材料的吸能特性；另一方面，課題組也做不少結構設計的工作。

汽車碰撞安全性優化設計，是該團隊的研究方向之一。在過去他們通過建立高精度的回歸表征模型，發展了碰撞安全性的多目標優化算法，借此實現了多種輕質吸能結構與材料的快速設計。其中，關于模型、算法和輕質吸能結構的設計，得到了一家汽車研發中心的引用。

參考資料：

1.Chen, J., Li, E., Liu, W., Mao, Y., & Hou, S. (2023). Sustainable composites with ultrahigh energy absorption from beverage cans and polyurethane foam.Composites Science and Technology, 239, 110047.