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西南大學(xué)甘霖/黃進團隊《Compos. Commun.》：一種改善折剪紙負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，它們將反常地徑向收縮或膨脹。這種獨特形變模式使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，NPR結(jié)構(gòu)獨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實驗室甘霖副教授和黃進教授課題組針對彈性體材料幾何約束作用較弱的事實，設(shè)計在熱塑性聚氨酯(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標(biāo)。同時，引入少量CB并不會過分提高TPU的模量，進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。最終，該結(jié)構(gòu)的泊松比值高達-1.3且宏觀比模量提高了269%。值得一提的是，懸橋理論計算和實驗都表明，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，可強化其增材制造的形狀精度。本工作進一步驗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實驗室黃進教授和甘霖副教授為通訊作者。該成果獲得國家重點研發(fā)項目(2021YFB3702800)、國家自然科學(xué)基金項目(51973175)、重慶市教委科技攻關(guān)計劃項目（KJQN202200208)、重慶市教委研究生教育改革項目(yjg223031)等多個項目的資助。


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

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