Engineering Structures：一種新型拉脹結(jié)構(gòu)的可調(diào)面內(nèi)力學(xué)性能研究

拉脹超材料是20世紀(jì)90年代起迅速發(fā)展起來(lái)的一類功能和結(jié)構(gòu)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(shí)，在與載荷垂直的方向發(fā)生膨脹(收縮)而表現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)。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(shù)、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(xiàn)出曲面同向性的獨(dú)。特物理性能。手性拉脹結(jié)構(gòu)是一種典型的二維拉脹蜂窩結(jié)構(gòu)，其元胞結(jié)構(gòu)由中心圓環(huán)和與之相切的肋桿組成，根據(jù)切點(diǎn)數(shù)目的不同，手性拉脹材料可分為三節(jié)點(diǎn)、四節(jié)點(diǎn)和六節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。手性拉脹結(jié)構(gòu)在變形時(shí)其形狀可以平穩(wěn)改變，且具有優(yōu)異的面外力學(xué)性能，在制備柔性器件和吸能裝置領(lǐng)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(jié)構(gòu)極難實(shí)現(xiàn)其他泊松比值，通常其拉脹性能也會(huì)迅速衰減。

有研究發(fā)現(xiàn)，將手性拉脹結(jié)構(gòu)中心圓環(huán)替換成桁架(即missing rib type auxetics)結(jié)構(gòu)可在大形變下保持更加穩(wěn)定的負(fù)泊松比效應(yīng)，且有望用于更多的工程應(yīng)用中。但目前多數(shù)的研究都是聚焦在靜態(tài)力學(xué)性能的變化及機(jī)理探索，而實(shí)際應(yīng)用中，拉脹材料既要承受靜態(tài)載荷也要承受動(dòng)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(bào)道。

圖1.(a)標(biāo)準(zhǔn)型ATMr拉脹結(jié)構(gòu)；(b)增強(qiáng)型ATMr拉脹結(jié)構(gòu)

近日西南石油大學(xué)朱一林和江松輝、廣西大學(xué)盧福聰以及南京工業(yè)大學(xué)任鑫提出了一種新型的拉脹結(jié)構(gòu)并對(duì)其在靜態(tài)載荷以及動(dòng)態(tài)載荷下可調(diào)節(jié)的負(fù)泊松比及剛度進(jìn)行了研究并分析。這種增強(qiáng)型ATMr（anti-tera-missing rib）拉脹結(jié)構(gòu)，由4個(gè)最小重復(fù)單元構(gòu)成，重復(fù)單元?jiǎng)t是由2個(gè)曲折紐帶包圍著作為加固元素的中心1個(gè)正方形組成，如圖1（b）。為了確定可調(diào)的力學(xué)性能并為實(shí)際應(yīng)用提供指導(dǎo)，研究團(tuán)隊(duì)基于卡氏定理建立了小變形機(jī)制下的力學(xué)模型。模擬結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)的幾何形狀，可以得到在?1到0范圍內(nèi)的泊松比值。通過(guò)分析泊松比和相對(duì)密度隨幾何參數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)這種增強(qiáng)型ATMr結(jié)構(gòu)比非拉脹結(jié)構(gòu)具有更高的剛度和更低的相對(duì)密度。有限元分析結(jié)果與理論推導(dǎo)結(jié)果吻合度很高。另外， 針對(duì)大應(yīng)變范圍下負(fù)泊松比的變化進(jìn)行了研究并揭示了該結(jié)構(gòu)的拉脹變形機(jī)制。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，其拉脹性能主要來(lái)自于中心的旋轉(zhuǎn)和外圍紐帶的彎曲，其可調(diào)的負(fù)泊松比可通過(guò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整獲得，且不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生不同的旋轉(zhuǎn)有效性。 

圖2 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)（q=1.5/2.5/3.5）下有效泊松比與應(yīng)變的關(guān)系

圖3 數(shù)值計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)分析的等效泊松比范圍. 左:標(biāo)準(zhǔn)型ATMr拉脹結(jié)構(gòu);右: 增強(qiáng)型ATMr拉脹結(jié)構(gòu)

此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬驗(yàn)證了所提出的結(jié)構(gòu)應(yīng)用于非線性基材實(shí)現(xiàn)可控拉脹的可行性：利用微尺度3D打印機(jī)(nanoArch®P150，摩方精密)制備了具有增強(qiáng)型ATMr結(jié)構(gòu)單元的啞鈴狀樣條，樣條最薄處截面尺寸為0.15mm×1.0mm。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(shí)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(duì)新型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負(fù)載實(shí)驗(yàn)分析，這些都將在實(shí)際工程應(yīng)用中具有理論指導(dǎo)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。