3D打印具有数字化可再编程形状的拉胀超材料

供稿人：周艳丽、田小永 供稿单位：西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室

拉胀超材料是一类具有负泊松比的材料。拉伸诱导膨胀的异常行为，使得拉胀超材料具有优异的性能，比如超大体积收缩、压痕载荷下能量吸收大幅增加、负膨胀行为、负热膨胀等。来自哈尔滨工业大学的Ming Lei等人设计了一种新颖的拉胀超材料，其基本单元和网格设计如图1所示，利用组成材料的形状记忆性，实现了超材料刚度和泊松比的连续可调。

图1. 二维网格单元设计图。（a）具有不同中心角的单元。（b）θ=180° 的网格设计。（c）几何参数定义，h：半边跨度，t：梁厚，R：曲率半径，θ：中心角。（d） θ=180°的网格在25℃、压缩应变0.2时仿真的应力等值线图。

Ming Lei等人首先通过实验探究了具有不同中心角的网格的力学性能，随着中心角的增加，网格由拉伸变形过渡到弯曲变形，刚度逐渐减小。他们通过实验和有限元分析发现，由弯曲域到拉伸域的临界应变随中心角θ的增加而增大。同时，泊松比随中心角的变化呈现有规律的改变，表明该结构泊松比有较大范围的可调节区域。

随后，该研究团队引入可编程性的概念，使用具有形状记忆性的PLA材料，通过改变编程过程中的拉伸应变，使网格具有不同的几何形状。再将不同曲率的单元任意组合形成网格，称之为数字图案，这种图案会产生不均匀变形进而引起面内图案的转换或者面外屈曲。通过将渐变数字图案和旋转对称数字图案的拉伸现象与形状记忆性相结合，任何期望得到的变形图案，都可以进行编程、擦除和重新编程。 最后，基于曲率的连续变化，作者设计了两个数字圆柱壳。一种是图2中（a）所示的两段圆柱壳，由于不同的θ具有不同拉胀行为，因此在压缩条件下圆柱壳逐渐变为竹节形，并且圆柱壳沿y轴遵循旋转对称性，使得在变形过程中横截面保持圆形；另一种是图2中（c）所示的数字圆柱壳，在压缩条件下圆柱变为椭圆柱，横截面变为椭圆形。

图2. 数字超材料制成的圆柱壳。(a) 两段圆柱壳的设计，θ=180°和 θ=0°，在压缩条件下由圆柱壳到竹节形的仿真变形。(b) 180°段中间截面直径变化。(c) 数字圆柱壳的设计及在压缩条件下由圆柱壳到椭圆柱的仿真变形。(d) 中间截面形状由圆形变为椭圆形。(e) 由数字超材料打印的圆柱壳。

本文提出的新型二维负泊松比超材料，其具有的形状可编程性使得制造后的超材料的力学性能可调。Ming Lei等人提出的二维网格和三维圆柱壳具有重新定形的能力，利用这种能力可以将一个简单的几何图形编辑成形状不规则的产品，该技术有望简化心血管支架、可展开结构等的制造过程。

参考文献：
Lei M, Hong W, Zhao Z, et al. 3D printing of auxetic metamaterials with digitally reprogrammable shape[J]. ACS applied materials & interfaces, 2019.