拉脹超材料是20世紀90年代起迅速發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)功能和結構一體化的多孔材料。與常規材料不同，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(diǎn)數目的不同，手性拉脹材料可分為三節點(diǎn)、四節點(diǎn)和六節點(diǎn)結構。手性拉脹結構在變形時(shí)其形狀可以平穩改變，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，這些常規的手性結構極難實(shí)現其他泊松比值，通常其拉脹性能也會(huì )迅速衰減。

有研究發(fā)現，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(xué)性能的變化及機理探索，而實(shí)際應用中，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(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構并對其在靜態(tài)載荷以及動(dòng)態(tài)載荷下可調節的負泊松比及剛度進(jìn)行了研究并分析。這種增強型ATMr（anti-tera-missing rib）拉脹結構，由4個(gè)最小重復單元構成，重復單元則是由2個(gè)曲折紐帶包圍著(zhù)作為加固元素的中心1個(gè)正方形組成，如圖1（b）。為了確定可調的力學(xué)性能并為實(shí)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(xué)模型。模擬結果表明，通過(guò)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(guò)分析泊松比和相對密度隨幾何參數的變化規律，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(jìn)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(lái)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(guò)結構參數的調整獲得，且不同的結構參數產(chǎn)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(guān)系

圖3 數值計算分析和實(shí)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(guò)實(shí)驗和數值模擬驗證了所提出的結構應用于非線(xiàn)性基材實(shí)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(jīng)過(guò)實(shí)驗分析，非線(xiàn)性彈性材料具有與線(xiàn)性彈性材料相近的拉脹性能，如圖4所示。

圖4. 線(xiàn)性(實(shí)線(xiàn))和非線(xiàn)性(虛線(xiàn))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(jìn)行了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)負載實(shí)驗分析，這些都將在實(shí)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。