一種剛度增強三維內(nèi)凹負泊松比結(jié)構(gòu)材料

負泊松比結(jié)構(gòu)材料是一種在受壓時表現(xiàn)為橫向收縮，在受拉時表現(xiàn)為橫向膨脹的有序多孔介質(zhì)。獨。特的變形特性賦予了負泊松比結(jié)構(gòu)材料諸多優(yōu)異的力學性能，如高剪切強度、高抗壓痕/抗沖擊性能、高抗斷裂性及能量吸收等。自從Lakes等人首。次報道負泊松比聚氨酯泡沫以來，眾多研究者都致力于開發(fā)新型負泊松比結(jié)構(gòu)材料并尋找其潛在應用。內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)是一種典型的二維負泊松比結(jié)構(gòu)材料，通過內(nèi)凹機制使材料呈現(xiàn)負泊松比效應。然而，由于高孔隙率，其剛度遠低于組成材料的剛度。通過加入加強桿、制備負泊松比復合材料、設計變梯度結(jié)構(gòu)、引入層次結(jié)構(gòu)等方法可以顯著提高結(jié)構(gòu)材料的剛度。然而，上述方法大多數(shù)適用于二維的內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)，這就意味著其負泊松比效應只能在平面內(nèi)方向出現(xiàn)。

相比之下，三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)材料的工程應用潛力更大，但其剛度和負泊松比之間仍然存在此消彼長的問題且二者都與其胞元結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。為滿足日益增長的實際工程需求，需要設計一種既能保證負泊松比效應又能提升整體剛度的增強型負泊松比結(jié)構(gòu)材料，并尋找胞元結(jié)構(gòu)與泊松比和剛度的關(guān)聯(lián)機制，最終實現(xiàn)通過結(jié)構(gòu)參數(shù)對泊松比和剛度同時進行調(diào)控的目標。

近日，中國工程物理研究院唐昶宇研究員團隊和西南交通大學許陽光副教授團隊共同設計了一種新型的三維內(nèi)凹負泊松比結(jié)構(gòu)材料并對其結(jié)構(gòu)參數(shù)與等效彈性模量（與剛度相關(guān)）和泊松比的關(guān)聯(lián)機理開展了系統(tǒng)的研究。通過在典型的三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)（圖1a）上添加箭頭結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)增強目的（圖1b和圖1c），利用微尺度3D打印機（nanoArch P150，摩方精密）制備了增強型結(jié)構(gòu)樣品（圖1d）。結(jié)合實驗和有限元模擬發(fā)現(xiàn)，三維增強型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的等效彈性模量和負泊松比可以通過不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)（即厚度比h、斜桿長度比a、豎桿長度比b和重入單元的角度q）進行調(diào)整。例如，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，增強型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的等效彈性模量比典型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)提高12.32倍，而二者的泊松比均為-0.28。

此外，研究團隊還探究了相對密度與等效彈性模量比、泊松比的關(guān)系,如圖2所示。等效彈性模量比>1，表明增強型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)在相同相對密度下有更高的剛度。此外，在相同的相對密度下，增強型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)保持幾乎不變的泊松比但顯著提高材料的剛度，如圖2(b)所示。添加的箭頭結(jié)構(gòu)與內(nèi)凹結(jié)構(gòu)之間形成了一種雙箭頭結(jié)構(gòu)，形成的雙箭頭結(jié)構(gòu)進一步促使了新結(jié)構(gòu)在受壓時產(chǎn)生收縮。因此該增強型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)能在幾乎不變的泊松比下有更高的剛度。圖3中的位移云圖也表明增強型內(nèi)凹結(jié)構(gòu)具有負泊松比效應。

總的來講，該工作通過獨。特的結(jié)構(gòu)設計，實現(xiàn)了在幾乎不犧牲負泊松比效應的前提下顯著提高材料的剛度，為進一步拓寬負泊松比結(jié)構(gòu)材料的應用范圍提供了一種有效的解決方案，也對這類結(jié)構(gòu)超材料性能導向的結(jié)構(gòu)逆向設計進行了有益探索。上述研究成果以題為“A 3D Re-entrant Structural Metamaterial with Negative Poisson’s Ratio Reinforced by Adding Arrow Structures”發(fā)表在《Smart Materials and Structures》期刊上。論文第一作者為中國工程物理研究院和西南交通大學聯(lián)合培養(yǎng)的碩士研究生王杰，通訊作者為中國工程物理研究院的唐昶宇研究員和西南交通大學的許陽光副教授，中國工程物理研究院總體工程研究所的碩士研究生吳宗澤和浙江大學的肖銳研究員在研究工作的開展和論文撰寫過程中提供了重要幫助。