壹(yi)種剛(gang)度增(zeng)強(qiang)三(san)維(wei)內(nei)凹(ao)負泊松比結構材料(liao)

負泊松比結構材料(liao)是(shi)壹(yi)種在(zai)受壓(ya)時表現為橫向收縮，在(zai)受拉(la)時表現為橫向膨脹的有(you)序(xu)多孔介(jie)質(zhi)。獨。特(te)的(de)變形特性賦(fu)予了(le)負泊松比結構材料(liao)諸(zhu)多優異(yi)的(de)力(li)學性能，如高剪切強(qiang)度、高抗壓痕/抗(kang)沖擊(ji)性能、高抗斷裂性及(ji)能量(liang)吸收等。自從(cong)Lakes等人首(shou)。次報道(dao)負泊松比聚氨酯泡(pao)沫(mo)以(yi)來(lai)，眾(zhong)多(duo)研究(jiu)者(zhe)都致力(li)於(yu)開發(fa)新(xin)型負泊松比結構材料(liao)並尋(xun)找(zhao)其(qi)潛在(zai)應用。內(nei)凹(ao)蜂窩(wo)結構是(shi)壹(yi)種典型的二(er)維負泊松比結構材料(liao)，通過(guo)內(nei)凹(ao)機制使材料(liao)呈現負泊松比效應。然而，由於(yu)高孔隙(xi)率，其(qi)剛(gang)度遠(yuan)低(di)於(yu)組(zu)成材料(liao)的(de)剛(gang)度。通過(guo)加(jia)入(ru)加(jia)強(qiang)桿、制備(bei)負泊松比復合材料(liao)、設(she)計(ji)變梯(ti)度(du)結構、引(yin)入(ru)層(ceng)次結構等方法(fa)可以(yi)顯(xian)著提(ti)高結構材料(liao)的(de)剛(gang)度。然而，上述方法(fa)大(da)多數適用於(yu)二(er)維的(de)內(nei)凹(ao)蜂窩(wo)結構，這(zhe)就意味(wei)著其(qi)負泊松比效應只能在(zai)平面(mian)內(nei)方(fang)向出現。

相比(bi)之(zhi)下，三(san)維(wei)內(nei)凹(ao)結構材料(liao)的(de)工程(cheng)應用潛力(li)更大(da)，但其(qi)剛(gang)度和(he)負泊松比之間(jian)仍(reng)然存在(zai)此消(xiao)彼(bi)長的(de)問(wen)題(ti)且(qie)二(er)者(zhe)都與(yu)其(qi)胞元結構有著密(mi)切的關(guan)系。為(wei)滿足(zu)日(ri)益增(zeng)長(chang)的實(shi)際(ji)工(gong)程需求，需要設(she)計(ji)壹種既(ji)能保證(zheng)負泊松比效應又(you)能提(ti)升整(zheng)體剛(gang)度的(de)增(zeng)強(qiang)型負泊松比結構材料(liao)，並尋(xun)找(zhao)胞元結構與(yu)泊松比和(he)剛(gang)度的(de)關(guan)聯(lian)機(ji)制，最(zui)終(zhong)實(shi)現通過(guo)結構參數對泊松比和(he)剛(gang)度同(tong)時進(jin)行調控(kong)的目(mu)標。

近(jin)日(ri)，中(zhong)國(guo)工程(cheng)物理研究(jiu)院唐(tang)昶宇(yu)研究(jiu)員團(tuan)隊和(he)西南交(jiao)通大(da)學許(xu)陽光(guang)副(fu)教(jiao)授團(tuan)隊共(gong)同設(she)計(ji)了壹(yi)種新(xin)型的三(san)維(wei)內(nei)凹(ao)負泊松比結構材料(liao)並對(dui)其(qi)結構參數與(yu)等效彈(dan)性模(mo)量(liang)（與(yu)剛(gang)度相(xiang)關(guan)）和(he)泊松比的關聯(lian)機(ji)理開展(zhan)了(le)系(xi)統(tong)的(de)研究(jiu)。通過(guo)在(zai)典型的三(san)維(wei)內(nei)凹(ao)結構（圖(tu)1a）上添(tian)加(jia)箭(jian)頭(tou)結構來實(shi)現增強(qiang)目的(de)（圖(tu)1b和(he)圖(tu)1c），利用微尺度3D打(da)印(yin)機（nanoArch P150，摩方(fang)精密(mi)）制備(bei)了增(zeng)強(qiang)型結構樣品（圖(tu)1d）。結合實(shi)驗和(he)有(you)限(xian)元模擬(ni)發(fa)現，三(san)維(wei)增(zeng)強(qiang)型內(nei)凹(ao)結構的等效彈(dan)性模(mo)量(liang)和(he)負泊松比可以(yi)通過(guo)不同的(de)結構參數（即厚(hou)度比h、斜桿長度(du)比(bi)a、豎桿長度(du)比(bi)b和(he)重(zhong)入(ru)單(dan)元的角(jiao)度(du)q）進(jin)行調整(zheng)。例如(ru)，通過(guo)優化(hua)結構參數，增強(qiang)型內(nei)凹(ao)結構的等效彈(dan)性模(mo)量(liang)比典型內(nei)凹(ao)結構提(ti)高12.32倍，而二(er)者(zhe)的泊松比均為-0.28。

此(ci)外(wai)，研究(jiu)團隊(dui)還(hai)探(tan)究(jiu)了相(xiang)對密(mi)度與(yu)等效彈(dan)性模(mo)量(liang)比、泊松比的關系(xi),如(ru)圖(tu)2所(suo)示。等效彈(dan)性模(mo)量(liang)比>1，表明增強(qiang)型內(nei)凹(ao)結構在(zai)相同(tong)相(xiang)對(dui)密(mi)度下有(you)更高的剛(gang)度。此(ci)外(wai)，在(zai)相同(tong)的(de)相(xiang)對密(mi)度下，增(zeng)強(qiang)型內(nei)凹(ao)結構可以(yi)實(shi)現保持(chi)幾(ji)乎不變的(de)泊松比但顯著提(ti)高材料(liao)的(de)剛(gang)度，如(ru)圖(tu)2(b)所(suo)示。添(tian)加(jia)的(de)箭頭(tou)結構與(yu)內(nei)凹(ao)結構之間(jian)形成了(le)壹種雙箭(jian)頭(tou)結構，形成的(de)雙箭(jian)頭(tou)結構進(jin)壹步(bu)促使了(le)新(xin)結構在(zai)受壓(ya)時產(chan)生(sheng)收縮。因(yin)此(ci)該(gai)增強(qiang)型內(nei)凹(ao)結構能在(zai)幾(ji)乎不變的(de)泊松比下有更(geng)高的剛(gang)度。圖(tu)3中(zhong)的位(wei)移(yi)雲圖(tu)也(ye)表明增強(qiang)型內(nei)凹(ao)結構具有負泊松比效應。

總的來(lai)講(jiang)，該(gai)工作(zuo)通過(guo)獨。特(te)的(de)結構設(she)計(ji)，實(shi)現了在(zai)幾(ji)乎不犧牲(sheng)負泊松比效應的(de)前(qian)提(ti)下顯(xian)著提(ti)高材料(liao)的(de)剛(gang)度，為(wei)進(jin)壹步(bu)拓寬(kuan)負泊松比結構材料(liao)的(de)應用範(fan)圍提(ti)供(gong)了(le)壹種有效(xiao)的(de)解決方(fang)案，也(ye)對這(zhe)類結構超材料(liao)性能導(dao)向的結構逆向設(she)計(ji)進(jin)行了有益探(tan)索。上述研究(jiu)成果以(yi)題(ti)為(wei)“A 3D Re-entrant Structural Metamaterial with Negative Poisson’s Ratio Reinforced by Adding Arrow Structures”發表在(zai)《Smart Materials and Structures》期(qi)刊上。論(lun)文第壹作(zuo)者(zhe)為中(zhong)國(guo)工程(cheng)物理研究(jiu)院和(he)西南交(jiao)通大(da)學聯(lian)合(he)培養的(de)碩士研究(jiu)生(sheng)王(wang)傑，通訊(xun)作(zuo)者(zhe)為中(zhong)國(guo)工程(cheng)物理研究(jiu)院的(de)唐(tang)昶宇(yu)研究(jiu)員和(he)西南交(jiao)通大(da)學的(de)許陽光(guang)副(fu)教(jiao)授，中(zhong)國(guo)工程(cheng)物理研究(jiu)院總體工(gong)程研究(jiu)所(suo)的碩士研究(jiu)生(sheng)吳宗(zong)澤(ze)和(he)浙(zhe)江(jiang)大(da)學的(de)肖銳(rui)研究(jiu)員在(zai)研究(jiu)工作(zuo)的(de)開展(zhan)和(he)論(lun)文撰寫(xie)過(guo)程(cheng)中(zhong)提(ti)供(gong)了(le)重要幫助。