一種新型拉脹結構的可調面內力學性能研究

拉脹超材料是20世紀90年代起迅速發(fā)展起來的一類功能和結構一體化的多孔材料。與常規(guī)材料不同，拉脹超材料承受單軸拉伸(壓縮)載荷時，在與載荷垂直的方向發(fā)生膨脹(收縮)而表現出負泊松比效應。由于這種特殊的變形，拉脹超材料相較于傳統(tǒng)多孔材料具有更*的性能，如超常彈性常數、抗壓痕性、抗沖擊性、抗斷裂韌性、滲透可變性以及能量吸收性能等。此外，拉脹超材料還表現出曲面同向性的*物理性能。手性拉脹結構是一種典型的二維拉脹蜂窩結構，其元胞結構由中心圓環(huán)和與之相切的肋桿組成，根據切點數目的不同，手性拉脹材料可分為三節(jié)點、四節(jié)點和六節(jié)點結構。手性拉脹結構在變形時其形狀可以平穩(wěn)改變，且具有優(yōu)異的面外力學性能，在制備柔性器件和吸能裝置領域具有很大的潛力。但是在較大形變下，這些常規(guī)的手性結構極難實現其他泊松比值，通常其拉脹性能也會迅速衰減。

有研究發(fā)現，將手性拉脹結構中心圓環(huán)替換成桁架(即missing rib type auxetics)結構可在大形變下保持更加穩(wěn)定的負泊松比效應，且有望用于更多的工程應用中。但目前多數的研究都是聚焦在靜態(tài)力學性能的變化及機理探索，而實際應用中，拉脹材料既要承受靜態(tài)載荷也要承受動態(tài)載荷，在這些條件下，手性材料的斷裂韌性、抗疲勞性、吸收能量等性能研究鮮有報道。

圖1.(a)標準型ATMr拉脹結構；(b)增強型ATMr拉脹結構

近日西南石油大學朱一林和江松輝、廣西大學盧福聰以及南京工業(yè)大學任鑫提出了一種新型的拉脹結構并對其在靜態(tài)載荷以及動態(tài)載荷下可調節(jié)的負泊松比及剛度進行了研究并分析。這種增強型ATMr（anti-tera-missing rib）拉脹結構，由4個最小重復單元構成，重復單元則是由2個曲折紐帶包圍著作為加固元素的中心1個正方形組成，如圖1（b）。為了確定可調的力學性能并為實際應用提供指導，研究團隊基于卡氏定理建立了小變形機制下的力學模型。模擬結果表明，通過調整結構的幾何形狀，可以得到在−1到0范圍內的泊松比值。通過分析泊松比和相對密度隨幾何參數的變化規(guī)律，發(fā)現這種增強型ATMr結構比非拉脹結構具有更高的剛度和更低的相對密度。有限元分析結果與理論推導結果吻合度很高。另外， 針對大應變范圍下負泊松比的變化進行了研究并揭示了該結構的拉脹變形機制。結果發(fā)現，其拉脹性能主要來自于中心的旋轉和外圍紐帶的彎曲，其可調的負泊松比可通過結構參數的調整獲得，且不同的結構參數產生不同的旋轉有效性。

圖2 不同結構參數（q=1.5/2.5/3.5）下有效泊松比與應變的關系

圖3 數值計算分析和實驗分析的等效泊松比范圍. 左:標準型ATMr拉脹結構;右: 增強型ATMr拉脹結構

此外，研究團隊通過實驗和數值模擬驗證了所提出的結構應用于非線性基材實現可控拉脹的可行性：利用微尺度3D打印機(nanoArch®P150，摩方精密)制備了具有增強型ATMr結構單元的啞鈴狀樣條，樣條最薄處截面尺寸為0.15mm×1.0mm。經過實驗分析，非線性彈性材料具有與線性彈性材料相近的拉脹性能，如圖4所示。

圖4. 線性(實線)和非線性(虛線)彈性材料的有效泊松比

值得注意的是，此研究工作中對新型結構進行了動態(tài)和靜態(tài)負載實驗分析，這些都將在實際工程應用中具有理論指導意義。研究成果以題為“A novel enhanced anti-tetra-missing rib auxetic structure with tailorable in-plane mechanical properties”發(fā)表在《Engineering Structures》期刊上。