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负泊松比超构材料结构、机理与制备进展

来源：杰呈3D打印发布时间：2025-11-13 14:05:17 浏览次数：0次

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负泊松比超构材料的研究进展

1987年，Lakes首次将泊松比为0.4的聚氨酯泡沫放入模具中，通过三维压缩和加热再冷却的方式，制备了泊松比为 -0.7 的人工负泊松比超构材料，并将该成果公开发表在《Science》杂志，掀起了负泊松比研究的热潮。科学家们对负泊松比效应的机理进行分析、总结，陆续发展出了种类众多的负泊松比超构材料。

负泊松比材料的命名与发展

Evans和Alderson使用与Lakes类似的方法，制备了具有负泊松比效应的聚四氟乙烯材料和超高分子量聚乙烯材料，并将这类具有负泊松比效应的材料称为“拉胀材料”。
Grima和Mir等通过研究发现，材料的负泊松比效应与胞元的尺寸大小无关。在此基础上，通过人为结构设计实现较大尺寸负泊松比超构材料的制造成为可能，使负泊松比材料的设计和制备方式从无序负泊松比结构进入到有序负泊松比结构，并因此衍生出了大量新型的具有负泊松比效应的结构。

典型的负泊松比结构

目前根据变形的不同，典型的负泊松比结构主要有以下三类：凹角结构、手性系结构、旋转多边形结构，其中凹角结构是一种典型的负泊松比结构。

凹角结构

1982年，Gibson等首次提出以内凹六边形为胞元的蜂窝结构可以实现泊松比效应。这种内凹六边形蜂窝结构呈现负泊松比效应的主要机理是：在拉力载荷作用下，纵向杆向两侧移动，带动斜杆发生转动，内凹角向外展开，使整体结构在垂直载荷方向也出现膨胀行为。
Masters和Evans根据内凹六边形蜂窝结构的变形机制，建立了二维内凹负泊松比胞状结构的理论模型，该模型可通过蜂窝结构的变形、拉伸和连接推导出泊松比、剪切模量和拉伸模量等参数。结果表明，在不同的变形机制下，通过改变荷载常量的相对大小，可以调整材料的性能。
Larsen等采用数值拓扑优化的方法进行负泊松比结构设计，根据结构的性能需求倒推结构的几何参数，从而达到性能的最优化。拓扑优化方法在负泊松比结构设计领域的应用，极大地提升了内凹多边形结构的设计自由性和设计效率。
在凹角结构的基础上，涌现出了如内凹三角形、星形结构等不同形式的负泊松比超构材料。Evans等通过旋转、反转、阵列等方式，将二维凹角结构转化为三维结构，可以通过改变内凹角度和杆的粗细调节其力学性能。
近年来，仍有大量学者根据不同的应用场景和性能需求，在常规凹角结构的基础上优化和探索新的结构，如：
- 通过加强筋来增加结构的强度；
- 通过改变内凹多边形中斜杆的形状，得到泊松比效应更高、更容易进行控制的正弦曲线内凹结构；
- 使用不同热膨胀系数材料设计制备的可随温度改变泊松比的内凹结构；
- 以及具有更好吸能抗冲击性能的梯度负泊松比结构等等。

手性结构

Lakes在1991年首次设计了一种由圆形刚体及其均匀分布的柔性切向梁组成的胞元结构，将该胞元结构进行排列和与胞元相同方式的连接得到的模型具有负泊松比效应。胞元结构在镜像之后与本体不重合，像人类的左右手一样，因此也将其称之为手性结构(Chiral structure)。

手性结构的负泊松比效应变形机理为：当发生横向收缩时，圆形刚体在其切向梁的作用下发生旋转，从而使切向梁的有效长度减小，整体发生收缩，实现负泊松比效应。
将手性胞元结构进行平移阵列或镜像后排列连接可分别得到手性结构和反手性结构。改变切向梁的数量或形状可得到三切向梁、四切向梁等多种手性和反手性结构。圆形刚体转换为球体或正方体，在其侧面延伸出切向梁的方式可以得到三维手性结构，或者将二维手性结构简单地映射至立方体的六个面也可以得到三维手性结构。