負(fù)泊松比超構(gòu)材料的研究進(jìn)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(fù)泊松比超構(gòu)材料，并將該成果公開發(fā)表在《Science》雜志，掀起了負(fù)泊松比研究的熱潮?？茖W(xué)家們對負(fù)泊松比效應(yīng)的機理進(jìn)行分析、總結(jié)，陸續(xù)發(fā)展出了種類眾多的負(fù)泊松比超構(gòu)材料。

負(fù)泊松比材料的命名與發(fā)展

• Evans和Alderson使用與Lakes類似的方法，制備了具有負(fù)泊松比效應(yīng)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(fù)泊松比效應(yīng)的材料稱為“拉脹材料”。
• Grima和Mir等通過研究發(fā)現(xiàn)，材料的負(fù)泊松比效應(yīng)與胞元的尺寸大小無關(guān)。在此基礎(chǔ)上，通過人為結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)較大尺寸負(fù)泊松比超構(gòu)材料的制造成為可能，使負(fù)泊松比材料的設(shè)計和制備方式從無序負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)進(jìn)入到有序負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，并因此衍生出了大量新型的具有負(fù)泊松比效應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

典型的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)

目前根據(jù)變形的不同，典型的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)主要有以下三類：凹角結(jié)構(gòu)、手性系結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)，其中凹角結(jié)構(gòu)是一種典型的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)。

凹角結(jié)構(gòu)

• 1982年，Gibson等首次提出以內(nèi)凹六邊形為胞元的蜂窩結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)泊松比效應(yīng)。這種內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的主要機理是：在拉力載荷作用下，縱向桿向兩側(cè)移動，帶動斜桿發(fā)生轉(zhuǎn)動，內(nèi)凹角向外展開，使整體結(jié)構(gòu)在垂直載荷方向也出現(xiàn)膨脹行為。
• Masters和Evans根據(jù)內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的變形機制，建立了二維內(nèi)凹負(fù)泊松比胞狀結(jié)構(gòu)的理論模型，該模型可通過蜂窩結(jié)構(gòu)的變形、拉伸和連接推導(dǎo)出泊松比、剪切模量和拉伸模量等參數(shù)。結(jié)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(diào)整材料的性能。
• Larsen等采用數(shù)值拓?fù)鋬?yōu)化的方法進(jìn)行負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)結(jié)構(gòu)的性能需求倒推結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，從而達(dá)到性能的最優(yōu)化。拓?fù)鋬?yōu)化方法在負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用，極大地提升了內(nèi)凹多邊形結(jié)構(gòu)的設(shè)計自由性和設(shè)計效率。
• 在凹角結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，涌現(xiàn)出了如內(nèi)凹三角形、星形結(jié)構(gòu)等不同形式的負(fù)泊松比超構(gòu)材料。Evans等通過旋轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、陣列等方式，將二維凹角結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為三維結(jié)構(gòu)，可以通過改變內(nèi)凹角度和桿的粗細(xì)調(diào)節(jié)其力學(xué)性能。
• 近年來，仍有大量學(xué)者根據(jù)不同的應(yīng)用場景和性能需求，在常規(guī)凹角結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上優(yōu)化和探索新的結(jié)構(gòu)，如：
  • 通過加強筋來增加結(jié)構(gòu)的強度；
  • 通過改變內(nèi)凹多邊形中斜桿的形狀，得到泊松比效應(yīng)更高、更容易進(jìn)行控制的正弦曲線內(nèi)凹結(jié)構(gòu)；
  • 使用不同熱膨脹系數(shù)材料設(shè)計制備的可隨溫度改變泊松比的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)；
  • 以及具有更好吸能抗沖擊性能的梯度負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)等等。

手性結(jié)構(gòu)

Lakes在1991年首次設(shè)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(jié)構(gòu)，將該胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行排列和與胞元相同方式的連接得到的模型具有負(fù)泊松比效應(yīng)。胞元結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)(Chiral structure)。

• 手性結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比效應(yīng)變形機理為：當(dāng)發(fā)生橫向收縮時，圓形剛體在其切向梁的作用下發(fā)生旋轉(zhuǎn)，從而使切向梁的有效長度減小，整體發(fā)生收縮，實現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。
• 將手性胞元結(jié)構(gòu)進(jìn)行平移陣列或鏡像后排列連接可分別得到手性結(jié)構(gòu)和反手性結(jié)構(gòu)。改變切向梁的數(shù)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(jié)構(gòu)。圓形剛體轉(zhuǎn)換為球體或正方體，在其側(cè)面延伸出切向梁的方式可以得到三維手性結(jié)構(gòu)，或者將二維手性結(jié)構(gòu)簡單地映射至立方體的六個面也可以得到三維手性結(jié)構(gòu)。

旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)最早用于解釋無機晶體材料中的負(fù)泊松比效應(yīng)，其變形機理為：當(dāng)晶體材料橫向收縮時，晶格間彼此連接的鉸鏈發(fā)生旋轉(zhuǎn)，使內(nèi)部空隙趨向閉合，在縱向?qū)崿F(xiàn)收縮。

• Grima等在此基礎(chǔ)上，將剛性正方形在其頂點上通過鉸鏈連接在一起，得到了旋轉(zhuǎn)正方形結(jié)構(gòu)，這可以看作是正方形的二維排列，或者是三維結(jié)構(gòu)在一個特定平面的投影。
• 將剛性正方形改為矩形、平行四邊形和三角形或?qū)⒉煌叽绲亩噙呅位旌吓帕羞B接，可以得到具有不同負(fù)泊松比特性的旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)。

負(fù)泊松比超構(gòu)材料的制備工藝

試樣的制備是進(jìn)行試驗研究的基礎(chǔ)，負(fù)泊松比超構(gòu)材料特殊又復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形狀，對它的加工和制備工藝提出了較高的要求。傳統(tǒng)的減材加工方式難以滿足負(fù)泊松比的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求，同時負(fù)泊松比超構(gòu)材料多為鏤空結(jié)構(gòu)，減材制造會造成大量的材料浪費。

在負(fù)泊松比人工材料出現(xiàn)的初期階段，其制備工藝主要實現(xiàn)無序結(jié)構(gòu)負(fù)泊松比材料的制備。

• 1987年，Lakes等使用將普通泡沫從三個互相垂直方向進(jìn)行壓縮裝入模具，再對模具進(jìn)行加熱和冷卻的方式，得到了具有負(fù)泊松比的泡沫。
• 1992年，Alderson和Evans采用對聚乙烯材料壓模、升溫?zé)Y(jié)和熱擠出處理的方法，制備了負(fù)泊松比材料。
• 2003年，陽霞、楊鳴波等使用共混法制備了具有負(fù)泊松比的聚烯烴共混物。

近年來制造業(yè)領(lǐng)域興起的3D打?。?D printing）增材制造技術(shù)，由于其成型自由度高、快速成型、成型成本低等特點，在復(fù)雜鏤空結(jié)構(gòu)的制備方面具有獨特的優(yōu)勢。

上一篇：3D打印仿生集水結(jié)構(gòu)研究從蜘蛛網(wǎng)到甲蟲背
下一篇：熔融沉積成型讓高分子材料性能得到提升