西南大学甘霖/黄进团队《Compos. Commun.》：一种改善折剪纸负泊松比超材料几何约束效应和形状精度的方法

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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。由于 这类结构通常形状复杂且连接方式特殊的，传统的制备方法难以精确赋形。同时，NPR结构独特的形变模式需要原材料具有足够高的几何约束性，以保障形变过程中应力传递的稳定性。

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甘霖副教授和黄进教授课题组针对弹性体材料几何约束作用较弱的事实，设计在热塑性聚氨酯(TPU)基折剪纸型NPR结构中中引入纳米炭黑(CB)颗粒，以强化材料中的折叠铰约束能力并保障面约束能力，为NPR材料核心中空内凹结构易发生不规则变形这一关键难题提供解决思路。结果表明，引入少量CB就可令TPU的屈服强度高于NPR结构的von Mises应力，即该折剪纸基结构的折叠铰处几何约束性达标。同时，引入少量CB并不会过分提高TPU的模量，进而保障了材料在折剪纸面上的柔性材料几何约束性优势。最终，该结构的泊松比值高达-1.3且宏观比模量提高了269%。值得一提的是，悬桥理论计算和实验都表明，在TPU中引入CB还有助于优化该材料在3D打印过程中的流变性能，可强化其增材制造的形状精度。本工作进一步验证了该材料作为外骨骼形式的人体外形适应性和轻质化力学增强效果，探索该NPR材料在人体工程应用中的可行性。

Figure1. (a) The process of 3D printing non-supporting bridge; (b) The theoretical calculation of the angle between the theoretical printing path and the actual printing path and the viscosity of TPU/CB composites; Process of printing NPR structure using TPU/CB composites with 9 wt% CB (c) and 15 wt% CB (d).

Figure2. (a–d) The difference in Poisson’s ratio value when the TWR of the NPR structure is respectively 0.2–0.5; (e) Poisson’s ratio value of NPR structure of different TWR (0.2–0.5) printed by TPU/CB composites when compression strain is 1.25%.

Figure3. (a–f) Compression simulation of von mises distribution when the printed material is TPU and TPU/CB composites; (g) Yield strength and Von mises of TPU and TPU/CB composites; (h)The application of a protective exoskeleton.

该研究工作以“A strategy for improving negative-Poisson’s-ratio constraint effect and shape accuracy of metamaterials by regulating mechanical properties of elastomer with facile filler incorporation”发表在Composites Communications期刊（DOI: 10.1016/j.coco.2023.101601），西南大学化学化工学院研究生李亚楠为第一作者，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)、国家自然科学基金项目(51973175)、重庆市教委科技攻关计划项目（KJQN202200208)、重庆市教委研究生教育改革项目(yjg223031)等多个项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101601

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