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西南大学甘霖/黄进团队Compos. Commun.：一种基于Kirigami单元堆叠立方体的稳定各向同性负泊松比元结构设计方法
2023-08-02  来源：高分子科技
关键词：Kirigami 负泊松比 3D打印 免支撑 各向同性三维NPR结构

  负泊松比（NPR）材料是一种新型超力学材料，又称拉胀材料。当NPR材料被轴向压缩或拉伸时，它们将反常地径向收缩或膨胀。这种独特形变模式使NPR材料具有优异的抗压痕能力、抗剪切能力和能量吸收能力。主流NPR结构主要有内凹多面体结构、手性NPR结构、旋转多边形结构和折剪纸堆积结构。具有负泊松比（NPR）的中空超材料由于其膨胀特性而具有优异的轻质力学性能。设计可以免支撑3D打印的三维NPR结构是容易制造NPR超材料并有效提高性能的最佳方法之一。然而，现有的免支撑打印三位NPR结构空间对称性不佳，其在不同维度的非均一增强限制了它们的应用，如需全方位保护的头盔等安全防护应用。


  西南大学软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室甘霖副教授和黄进教授团队针对此技术缺口，基于Kirigami负泊松比剪纸单元和Oh对称群设计了一种在三轴对称的三维负泊松比胞元。该类胞元内部及其连接处没有悬挂点，可以在没有支撑结构的情况下通过挤出型和立体光刻型3D打印技术制造。值得注意的是，该胞元的泊松比值可在大应变下仍然保持负值，以弹性体和塑料为原材料打印时，结构材料的泊松比值在空间三个维度上保持一致。基于微分几何理论分析表明，泊松比不能反演为正的主要原因与是该Kirigami单元的Hilbert-Einstein作用量在单元被赋予厚度后仍具有可退化的Hessian矩阵。该结构的NPR特性可显著增强材料机械性能，TPU、硅胶和ABS的比模量可分别提高808.3%、610.9%和208.0%，而有限元分析进一步证明了Kirigami单元在适当的表面约束下力学增强效果更佳。同时，此项工作将这种免支撑各向同性三维NPR结构引入防撞梁、能量吸收箱和防护头盔中，并验证了其应用潜力，证明基于高度空间对称性的NPR结构不仅在应用各种应用场景需求时受到的限制更少，而且可以用于制造轻质、高性能的结构构件。 


图1. Kirigami uint的几何参数设计和Kirigami 3D NPR结构的设计。 


图2. Kirigami NPR结构的泊松比：（a）TPU打印各向同性Kirigami结构的泊松比值；（b）硅胶打印各向同性Kirigami结构的泊松比值；（c-d）TPU打印KirigamiNPR结构及其t/w和a/t参数的相关性；（e-f）硅胶打印Kirigami NPR结构与其t/w和a/t参数的相关性。 


图3. 不同厚度Kirigami单元的四面体划分示意图。（a） 当t/w≤时0.30四面体划分方法；（b）当t/w>时0.30四面体分配方法。 


图4. 不同厚度Kirigami单元压缩性能的有限元分析。（a-b）当材料性质被定义为TPU和硅胶时Kirigami单元的应变图；（c-d）当材料性质被定义为TPU和硅胶时，Kirigami单元的应力图。 


图5. Kirigami NPR结构应用模型示意图。（a） Kirigami NPR结构在防撞梁和吸能箱模型上的应用；（b） NPR结构内部的防撞梁和能量吸收箱模型；（c） Kirigami NPR结构在防护头盔模型上的应用；（d） Kirigami NPR结构在防护头盔模型内部。


  该研究工作是西南大学软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室甘霖和黄进教授团队由折剪纸胞元立体堆积负泊松比结构由各向异性（Adv. Eng. Mater., 2022, 2101359）向非方向性选择的创新进阶，也是围绕“结构—材料—制造”一体化研究体系（Compos. Commun., 2023, 40, 101601）的丰富，以“Meta-structure with stable isotropic negative Poisson’s ratio based on the cube- framework stacked by Kirigami units”为题发表在Composites Communications期刊（DOI:10.1016/j.coco.2023.101683），西南大学化学化工学院研究生胡欢为第一作者，西南大学化学化工学院、软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室黄进教授和甘霖副教授为通讯作者。该成果获得国家重点研发项目(2021YFB3702800)、重庆市教委科技攻关计划项目（KJQN202200208)、重庆市高校创新研究群体（CXQT19008）、重庆英才创新创业示范团队（CQYC201903243）、重庆英才计划技术创新与应用发展“包干制”项目（cstc2021ycjh-bgzxm0307）等多个项目的资助。


  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101683

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（责任编辑：xu）
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