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西南大學甘霖/黃進團隊Compos. Commun.：一種基于Kirigami單元堆疊立方體的穩定各向同性負泊松比元結構設計方法

2023-08-02 來源：高分子科技

負泊松比（NPR）材料是一種新型超力學材料，又稱拉脹材料。當NPR材料被軸向壓縮或拉伸時，它們將反常地徑向收縮或膨脹。這種獨特形變模式使NPR材料具有優異的抗壓痕能力、抗剪切能力和能量吸收能力。主流NPR結構主要有內凹多面體結構、手性NPR結構、旋轉多邊形結構和折剪紙堆積結構。具有負泊松比（NPR）的中空超材料由于其膨脹特性而具有優異的輕質力學性能。設計可以免支撐3D打印的三維NPR結構是容易制造NPR超材料并有效提高性能的最佳方法之一。然而，現有的免支撐打印三位NPR結構空間對稱性不佳，其在不同維度的非均一增強限制了它們的應用，如需全方位保護的頭盔等安全防護應用。

西南大學軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室甘霖副教授和黃進教授團隊針對此技術缺口，基于Kirigami負泊松比剪紙單元和O_h對稱群設計了一種在三軸對稱的三維負泊松比胞元。該類胞元內部及其連接處沒有懸掛點，可以在沒有支撐結構的情況下通過擠出型和立體光刻型3D打印技術制造。值得注意的是，該胞元的泊松比值可在大應變下仍然保持負值，以彈性體和塑料為原材料打印時，結構材料的泊松比值在空間三個維度上保持一致。基于微分幾何理論分析表明，泊松比不能反演為正的主要原因與是該Kirigami單元的Hilbert-Einstein作用量在單元被賦予厚度后仍具有可退化的Hessian矩陣。該結構的NPR特性可顯著增強材料機械性能，TPU、硅膠和ABS的比模量可分別提高808.3%、610.9%和208.0%，而有限元分析進一步證明了Kirigami單元在適當的表面約束下力學增強效果更佳。同時，此項工作將這種免支撐各向同性三維NPR結構引入防撞梁、能量吸收箱和防護頭盔中，并驗證了其應用潛力，證明基于高度空間對稱性的NPR結構不僅在應用各種應用場景需求時受到的限制更少，而且可以用于制造輕質、高性能的結構構件。

圖1. Kirigami uint的幾何參數設計和Kirigami 3D NPR結構的設計。

圖2. Kirigami NPR結構的泊松比：（a）TPU打印各向同性Kirigami結構的泊松比值；（b）硅膠打印各向同性Kirigami結構的泊松比值；（c-d）TPU打印KirigamiNPR結構及其t/w和a/t參數的相關性；（e-f）硅膠打印Kirigami NPR結構與其t/w和a/t參數的相關性。

圖3. 不同厚度Kirigami單元的四面體劃分示意圖。（a）當t/w≤時0.30四面體劃分方法；（b）當t/w>時0.30四面體分配方法。

圖4. 不同厚度Kirigami單元壓縮性能的有限元分析。（a-b）當材料性質被定義為TPU和硅膠時Kirigami單元的應變圖；（c-d）當材料性質被定義為TPU和硅膠時，Kirigami單元的應力圖。

圖5. Kirigami NPR結構應用模型示意圖。（a） Kirigami NPR結構在防撞梁和吸能箱模型上的應用；（b） NPR結構內部的防撞梁和能量吸收箱模型；（c） Kirigami NPR結構在防護頭盔模型上的應用；（d） Kirigami NPR結構在防護頭盔模型內部。

該研究工作是西南大學軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室甘霖和黃進教授團隊由折剪紙胞元立體堆積負泊松比結構由各向異性（Adv. Eng. Mater., 2022, 2101359）向非方向性選擇的創新進階，也是圍繞“結構—材料—制造”一體化研究體系（Compos. Commun., 2023, 40, 101601）的豐富，以“Meta-structure with stable isotropic negative Poisson’s ratio based on the cube- framework stacked by Kirigami units”為題發表在Composites Communications期刊（DOI:10.1016/j.coco.2023.101683），西南大學化學化工學院研究生胡歡為第一作者，西南大學化學化工學院、軟物質材料化學與功能制造重慶市重點實驗室黃進教授和甘霖副教授為通訊作者。該成果獲得國家重點研發項目(2021YFB3702800)、重慶市教委科技攻關計劃項目（KJQN202200208)、重慶市高校創新研究群體（CXQT19008）、重慶英才創新創業示范團隊（CQYC201903243）、重慶英才計劃技術創新與應用發展“包干制”項目（cstc2021ycjh-bgzxm0307）等多個項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101683

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（責任編輯：xu）

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