《M&D》3D打印復合材料的負泊松比效應與宏觀力學性能

來源：靜悟天機入窅冥

3D打印復合材料相較于傳統(tǒng)復合材料具有更強的可設計性，這為創(chuàng)造更多的新結構提供了技術條件。負泊松比材料，是一種新型的力學超材料，當它們軸向壓縮時（拉伸）時，將橫向地收縮（膨脹）。并且，已有研究表明，負泊松比結構具有協(xié)同加強多種力學性能的潛力。

為了結合3D打印技術的優(yōu)勢與負泊松比材料的力學性能加強效果，斯托尼布魯克大學機械工程系的Tiantian Li（第一作者），Lifeng Wang（通訊作者）在《Materials & design》雜志上發(fā)表題為“Exploiting negative Poisson's ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties”的文章，該團隊開發(fā)了一類新的負泊松比復合材料，將其通過合理設計及與3D打印技術結合，并通過試驗和數值分析來系統(tǒng)性地研究負泊松比晶格增強復合材料的宏觀力學響應。

此文章自2018年發(fā)表以來，已獲得105次引用，年均被引超過34次。（數據來源：谷歌學術）

該文章研究了四種結構形式，如圖1所示，并使用Objet Connex260 multimaterial 3D 打印機進行制造 (Stratasys, Ltd), 結構共含有4*4單元，長和寬為40mm×40mm。為避免面外變形，厚度設計為20毫米。

圖1 文中四種結構

此研究參考了ASTM D695標準，進行單軸壓縮試驗。其中，楊氏模量由標稱應力 - 應變曲線的初始線性區(qū)域計算。使用了DIC來跟蹤樣品的變形和位移輪廓。還使用了圖像處理軟件（ImageJ 1.49 Q）用于確定樣本的中心區(qū)域的位移，以便計算每個級別的施加壓縮的泊松比。

圖2 四種結構的宏觀力學響應

圖3 單軸壓縮試驗過程

為進一步研究泊松比效應的影響，采用ABAQUS/Standard (Simulia, Providence, RI)建立有限元模型進行變參分析。模型中采用各向同性材料模型，并使用彈性粘塑料模型捕獲玻璃狀聚合物的應力 - 應變行為。邊界條件為在頂表面上施加單向分布載荷，而底部沿垂直方向固定。

圖4 有限元分析

圖5 泊松比效應對模量和比吸能的影響

小結

與非輔助晶格增強復合材料相比，輔助晶格增強復合材料具有增強的力學性能，實現了剛度和比吸能的雙層增強。并且，通過利用晶格增強物中的負泊松的比效應，發(fā)現增強體和基體之間的通過相互約束可以從基體獲得額外的支持來實現力學性能的增強。

原始文獻：Li T, Chen Y, Hu X, et al. Exploiting negative Poisson's ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties[J]. Materials & design, 2018, 142: 247-258.