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西南大學(xué)甘霖/黃進(jìn)團(tuán)隊(duì)Compos. Commun.：一種基于Kirigami單元堆疊立方體的穩(wěn)定各向同性負(fù)泊松比元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

2023-08-02 來源：高分子科技

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

負(fù)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(shí)，它們將反常地徑向收縮或膨脹。這種獨(dú)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(fù)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(jì)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(duì)稱性不佳，其在不同維度的非均一增強(qiáng)限制了它們的應(yīng)用，如需全方位保護(hù)的頭盔等安全防護(hù)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘霖副教授和黃進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)此技術(shù)缺口，基于Kirigami負(fù)泊松比剪紙單元和O_h對(duì)稱群設(shè)計(jì)了一種在三軸對(duì)稱的三維負(fù)泊松比胞元。該類胞元內(nèi)部及其連接處沒有懸掛點(diǎn)，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(fù)值，以彈性體和塑料為原材料打印時(shí)，結(jié)構(gòu)材料的泊松比值在空間三個(gè)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(qiáng)材料機(jī)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(jìn)一步證明了Kirigami單元在適當(dāng)?shù)谋砻婕s束下力學(xué)增強(qiáng)效果更佳。同時(shí)，此項(xiàng)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(hù)頭盔中，并驗(yàn)證了其應(yīng)用潛力，證明基于高度空間對(duì)稱性的NPR結(jié)構(gòu)不僅在應(yīng)用各種應(yīng)用場(chǎng)景需求時(shí)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(jì)和Kirigami 3D NPR結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

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(shí)0.30四面體劃分方法；（b）當(dāng)t/w>時(shí)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(shí)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(shí)，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(hù)頭盔模型上的應(yīng)用；（d） Kirigami NPR結(jié)構(gòu)在防護(hù)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘霖和黃進(jìn)教授團(tuán)隊(duì)由折剪紙胞元立體堆積負(fù)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(jìn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃進(jìn)教授和甘霖副教授為通訊作者。該成果獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2021YFB3702800)、重慶市教委科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)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(tuán)隊(duì)（CQYC201903243）、重慶英才計(jì)劃技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用發(fā)展“包干制”項(xiàng)目（cstc2021ycjh-bgzxm0307）等多個(gè)項(xiàng)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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