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西南大學(xué)甘霖/黃進(jìn)團(tuán)隊(duì)《Compos. Commun.》：一種改善折剪紙負(fù)泊松比超材料幾何約束效應(yīng)和形狀精度的方法
2023-06-13  來源：高分子科技

  負(fù)泊松比(NPR)材料是一種新型超力學(xué)材料，又稱拉脹材料。當(dāng)NPR材料被軸向壓縮或拉伸時(shí)，它們將反常地徑向收縮或膨脹。這種獨(dú)特形變模式使NPR材料具有優(yōu)異的抗壓痕能力、抗剪切能力和能量吸收能力。主流NPR結(jié)構(gòu)主要有內(nèi)凹多面體結(jié)構(gòu)、手性NPR結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)多邊形結(jié)構(gòu)和折剪紙堆積結(jié)構(gòu)。由于 這類結(jié)構(gòu)通常形狀復(fù)雜且連接方式特殊的，傳統(tǒng)的制備方法難以精確賦形。同時(shí)，NPR結(jié)構(gòu)獨(dú)特的形變模式需要原材料具有足夠高的幾何約束性，以保障形變過程中應(yīng)力傳遞的穩(wěn)定性。


  西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、軟物質(zhì)材料化學(xué)與功能制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室甘霖副教授和黃進(jìn)教授課題組針對(duì)彈性體材料幾何約束作用較弱的事實(shí)，設(shè)計(jì)在熱塑性聚氨酯(TPU)基折剪紙型NPR結(jié)構(gòu)中中引入納米炭黑(CB)顆粒，以強(qiáng)化材料中的折疊鉸約束能力并保障面約束能力，為NPR材料核心中空內(nèi)凹結(jié)構(gòu)易發(fā)生不規(guī)則變形這一關(guān)鍵難題提供解決思路。結(jié)果表明，引入少量CB就可令TPU的屈服強(qiáng)度高于NPR結(jié)構(gòu)的von Mises應(yīng)力，即該折剪紙基結(jié)構(gòu)的折疊鉸處幾何約束性達(dá)標(biāo)。同時(shí)，引入少量CB并不會(huì)過分提高TPU的模量，進(jìn)而保障了材料在折剪紙面上的柔性材料幾何約束性優(yōu)勢(shì)。最終，該結(jié)構(gòu)的泊松比值高達(dá)-1.3且宏觀比模量提高了269%。值得一提的是，懸橋理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)都表明，在TPU中引入CB還有助于優(yōu)化該材料在3D打印過程中的流變性能，可強(qiáng)化其增材制造的形狀精度。本工作進(jìn)一步驗(yàn)證了該材料作為外骨骼形式的人體外形適應(yīng)性和輕質(zhì)化力學(xué)增強(qiáng)效果，探索該NPR材料在人體工程應(yīng)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.


  該研究工作以“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”發(fā)表在Composites Communications期刊（DOI: 10.1016/j.coco.2023.101601），西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生李亞楠為第一作者，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、軟物質(zhì)材料化學(xué)與功能制造重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室黃進(jìn)教授和甘霖副教授為通訊作者。該成果獲得國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2021YFB3702800)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51973175)、重慶市教委科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（KJQN202200208)、重慶市教委研究生教育改革項(xiàng)目(yjg223031)等多個(gè)項(xiàng)目的資助。


  原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2023.101601

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（責(zé)任編輯：xu）
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