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西南大學甘霖/黃進團隊《Compos. Commun.》：一種改善折剪紙負泊松比超材料幾何約束效應和形狀精度的方法

2023-06-13 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。由于這類結構通常形狀復雜且連接方式特殊的，傳統的制備方法難以精確賦形。同時，NPR結構獨特的形變模式需要原材料具有足夠高的幾何約束性，以保障形變過程中應力傳遞的穩定性。

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甘霖副教授和黃進教授課題組針對彈性體材料幾何約束作用較弱的事實，設計在熱塑性聚氨酯(TPU)基折剪紙型NPR結構中中引入納米炭黑(CB)顆粒，以強化材料中的折疊鉸約束能力并保障面約束能力，為NPR材料核心中空內凹結構易發生不規則變形這一關鍵難題提供解決思路。結果表明，引入少量CB就可令TPU的屈服強度高于NPR結構的von Mises應力，即該折剪紙基結構的折疊鉸處幾何約束性達標。同時，引入少量CB并不會過分提高TPU的模量，進而保障了材料在折剪紙面上的柔性材料幾何約束性優勢。最終，該結構的泊松比值高達-1.3且宏觀比模量提高了269%。值得一提的是，懸橋理論計算和實驗都表明，在TPU中引入CB還有助于優化該材料在3D打印過程中的流變性能，可強化其增材制造的形狀精度。本工作進一步驗證了該材料作為外骨骼形式的人體外形適應性和輕質化力學增強效果，探索該NPR材料在人體工程應用中的可行性。

Figure1. (a) The process of 3D printing non-supporting bridge; (b) The theoretical calculation of the angle between the theoretical printing path and the actual printing path and the viscosity of TPU/CB composites; Process of printing NPR structure using TPU/CB composites with 9 wt% CB (c) and 15 wt% CB (d).

Figure2. (a–d) The difference in Poisson’s ratio value when the TWR of the NPR structure is respectively 0.2–0.5; (e) Poisson’s ratio value of NPR structure of different TWR (0.2–0.5) printed by TPU/CB composites when compression strain is 1.25%.

Figure3. (a–f) Compression simulation of von mises distribution when the printed material is TPU and TPU/CB composites; (g) Yield strength and Von mises of TPU and TPU/CB composites; (h)The application of a protective exoskeleton.

該研究工作以“A strategy for improving negative-Poisson’s-ratio constraint effect and shape accuracy of metamaterials by regulating mechanical properties of elastomer with facile filler incorporation”發表在Composites Communications期刊（DOI: 10.1016/j.coco.2023.101601），西南大學化學化工學院研究生李亞楠為第一作者，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)、國家自然科學基金項目(51973175)、重慶市教委科技攻關計劃項目（KJQN202200208)、重慶市教委研究生教育改革項目(yjg223031)等多個項目的資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101601

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（責任編輯：xu）

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