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西南大學(xué)甘霖/黃進團隊Compos. Commun.：一種基于Kirigami單元堆疊立方體的穩(wěn)定各向同性負泊松比元結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

2023-08-02 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：Kirigami 負泊松比 3D打印免支撐各向同性三維NPR結(jié)構(gòu)

負泊松比（NPR）材料是一種新型超力學(xué)材料，又稱拉脹材料。當(dāng)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(yōu)異的抗壓痕能力、抗剪切能力和能量吸收能力。主流NPR結(jié)構(gòu)主要有內(nèi)凹多面體結(jié)構(gòu)、手性NPR結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)和折剪紙堆積結(jié)構(gòu)。具有負泊松比（NPR）的中空超材料由于其膨脹特性而具有優(yōu)異的輕質(zhì)力學(xué)性能。設(shè)計可以免支撐3D打印的三維NPR結(jié)構(gòu)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(xiàn)有的免支撐打印三位NPR結(jié)構(gòu)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(yīng)用，如需全方位保護的頭盔等安全防護應(yīng)用。

西南大學(xué)軟物質(zhì)材料化學(xué)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(shù)缺口，基于Kirigami負泊松比剪紙單元和O_h對稱群設(shè)計了一種在三軸對稱的三維負泊松比胞元。該類胞元內(nèi)部及其連接處沒有懸掛點，可以在沒有支撐結(jié)構(gòu)的情況下通過擠出型和立體光刻型3D打印技術(shù)制造。值得注意的是，該胞元的泊松比值可在大應(yīng)變下仍然保持負值，以彈性體和塑料為原材料打印時，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dāng)?shù)谋砻婕s束下力學(xué)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(jié)構(gòu)引入防撞梁、能量吸收箱和防護頭盔中，并驗證了其應(yīng)用潛力，證明基于高度空間對稱性的NPR結(jié)構(gòu)不僅在應(yīng)用各種應(yīng)用場景需求時受到的限制更少，而且可以用于制造輕質(zhì)、高性能的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

圖1. Kirigami uint的幾何參數(shù)設(shè)計和Kirigami 3D NPR結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖2. Kirigami NPR結(jié)構(gòu)的泊松比：（a）TPU打印各向同性Kirigami結(jié)構(gòu)的泊松比值；（b）硅膠打印各向同性Kirigami結(jié)構(gòu)的泊松比值；（c-d）TPU打印KirigamiNPR結(jié)構(gòu)及其t/w和a/t參數(shù)的相關(guān)性；（e-f）硅膠打印Kirigami NPR結(jié)構(gòu)與其t/w和a/t參數(shù)的相關(guān)性。

圖3. 不同厚度Kirigami單元的四面體劃分示意圖。（a）當(dāng)t/w≤時0.30四面體劃分方法；（b）當(dāng)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(dāng)材料性質(zhì)被定義為TPU和硅膠時Kirigami單元的應(yīng)變圖；（c-d）當(dāng)材料性質(zhì)被定義為TPU和硅膠時，Kirigami單元的應(yīng)力圖。

圖5. Kirigami NPR結(jié)構(gòu)應(yīng)用模型示意圖。（a） Kirigami NPR結(jié)構(gòu)在防撞梁和吸能箱模型上的應(yīng)用；（b） NPR結(jié)構(gòu)內(nèi)部的防撞梁和能量吸收箱模型；（c） Kirigami NPR結(jié)構(gòu)在防護頭盔模型上的應(yīng)用；（d） Kirigami NPR結(jié)構(gòu)在防護頭盔模型內(nèi)部。

該研究工作是西南大學(xué)軟物質(zhì)材料化學(xué)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(jié)構(gòu)由各向異性（Adv. Eng. Mater., 2022, 2101359）向非方向性選擇的創(chuàng)新進階，也是圍繞“結(jié)構(gòu)—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(fā)表在Composites Communications期刊（DOI:10.1016/j.coco.2023.101683），西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生胡歡為第一作者，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、軟物質(zhì)材料化學(xué)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(fā)項目(2021YFB3702800)、重慶市教委科技攻關(guān)計劃項目（KJQN202200208)、重慶市高校創(chuàng)新研究群體（CXQT19008）、重慶英才創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)示范團隊（CQYC201903243）、重慶英才計劃技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)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(zé)任編輯：xu）

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