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負泊松比超構材料結構、機理與制備進展

來源：杰呈3D打印發布時間：2025-11-13 14:05:17 瀏覽次數：0次

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負泊松比超構材料的研究進展

1987年，Lakes首次將泊松比為0.4的聚氨酯泡沫放入模具中，通過三維壓縮和加熱再冷卻的方式，制備了泊松比為 -0.7 的人工負泊松比超構材料，并將該成果公開發表在《Science》雜志，掀起了負泊松比研究的熱潮。科學家們對負泊松比效應的機理進行分析、總結，陸續發展出了種類眾多的負泊松比超構材料。

負泊松比材料的命名與發展

Evans和Alderson使用與Lakes類似的方法，制備了具有負泊松比效應的聚四氟乙烯材料和超高分子量聚乙烯材料，并將這類具有負泊松比效應的材料稱為“拉脹材料”。
Grima和Mir等通過研究發現，材料的負泊松比效應與胞元的尺寸大小無關。在此基礎上，通過人為結構設計實現較大尺寸負泊松比超構材料的制造成為可能，使負泊松比材料的設計和制備方式從無序負泊松比結構進入到有序負泊松比結構，并因此衍生出了大量新型的具有負泊松比效應的結構。

典型的負泊松比結構

目前根據變形的不同，典型的負泊松比結構主要有以下三類：凹角結構、手性系結構、旋轉多邊形結構，其中凹角結構是一種典型的負泊松比結構。

凹角結構

1982年，Gibson等首次提出以內凹六邊形為胞元的蜂窩結構可以實現泊松比效應。這種內凹六邊形蜂窩結構呈現負泊松比效應的主要機理是：在拉力載荷作用下，縱向桿向兩側移動，帶動斜桿發生轉動，內凹角向外展開，使整體結構在垂直載荷方向也出現膨脹行為。
Masters和Evans根據內凹六邊形蜂窩結構的變形機制，建立了二維內凹負泊松比胞狀結構的理論模型，該模型可通過蜂窩結構的變形、拉伸和連接推導出泊松比、剪切模量和拉伸模量等參數。結果表明，在不同的變形機制下，通過改變荷載常量的相對大小，可以調整材料的性能。
Larsen等采用數值拓撲優化的方法進行負泊松比結構設計，根據結構的性能需求倒推結構的幾何參數，從而達到性能的最優化。拓撲優化方法在負泊松比結構設計領域的應用，極大地提升了內凹多邊形結構的設計自由性和設計效率。
在凹角結構的基礎上，涌現出了如內凹三角形、星形結構等不同形式的負泊松比超構材料。Evans等通過旋轉、反轉、陣列等方式，將二維凹角結構轉化為三維結構，可以通過改變內凹角度和桿的粗細調節其力學性能。
近年來，仍有大量學者根據不同的應用場景和性能需求，在常規凹角結構的基礎上優化和探索新的結構，如：
- 通過加強筋來增加結構的強度；
- 通過改變內凹多邊形中斜桿的形狀，得到泊松比效應更高、更容易進行控制的正弦曲線內凹結構；
- 使用不同熱膨脹系數材料設計制備的可隨溫度改變泊松比的內凹結構；
- 以及具有更好吸能抗沖擊性能的梯度負泊松比結構等等。

手性結構

Lakes在1991年首次設計了一種由圓形剛體及其均勻分布的柔性切向梁組成的胞元結構，將該胞元結構進行排列和與胞元相同方式的連接得到的模型具有負泊松比效應。胞元結構在鏡像之后與本體不重合，像人類的左右手一樣，因此也將其稱之為手性結構(Chiral structure)。

手性結構的負泊松比效應變形機理為：當發生橫向收縮時，圓形剛體在其切向梁的作用下發生旋轉，從而使切向梁的有效長度減小，整體發生收縮，實現負泊松比效應。
將手性胞元結構進行平移陣列或鏡像后排列連接可分別得到手性結構和反手性結構。改變切向梁的數量或形狀可得到三切向梁、四切向梁等多種手性和反手性結構。圓形剛體轉換為球體或正方體，在其側面延伸出切向梁的方式可以得到三維手性結構，或者將二維手性結構簡單地映射至立方體的六個面也可以得到三維手性結構。