3D打印具有數(shù)字化可再編程形狀的拉脹超材料

供稿人：周艷麗、田小永 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

拉脹超材料是一類具有負(fù)泊松比的材料。拉伸誘導(dǎo)膨脹的異常行為，使得拉脹超材料具有優(yōu)異的性能，比如超大體積收縮、壓痕載荷下能量吸收大幅增加、負(fù)膨脹行為、負(fù)熱膨脹等。來(lái)自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Ming Lei等人設(shè)計(jì)了一種新穎的拉脹超材料，其基本單元和網(wǎng)格設(shè)計(jì)如圖1所示，利用組成材料的形狀記憶性，實(shí)現(xiàn)了超材料剛度和泊松比的連續(xù)可調(diào)。

圖1. 二維網(wǎng)格單元設(shè)計(jì)圖。（a）具有不同中心角的單元。（b）θ=180° 的網(wǎng)格設(shè)計(jì)。（c）幾何參數(shù)定義，h：半邊跨度，t：梁厚，R：曲率半徑，θ：中心角。（d） θ=180°的網(wǎng)格在25℃、壓縮應(yīng)變0.2時(shí)仿真的應(yīng)力等值線圖。

Ming Lei等人首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究了具有不同中心角的網(wǎng)格的力學(xué)性能，隨著中心角的增加，網(wǎng)格由拉伸變形過(guò)渡到彎曲變形，剛度逐漸減小。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析發(fā)現(xiàn)，由彎曲域到拉伸域的臨界應(yīng)變隨中心角θ的增加而增大。同時(shí)，泊松比隨中心角的變化呈現(xiàn)有規(guī)律的改變，表明該結(jié)構(gòu)泊松比有較大范圍的可調(diào)節(jié)區(qū)域。

隨后，該研究團(tuán)隊(duì)引入可編程性的概念，使用具有形狀記憶性的PLA材料，通過(guò)改變編程過(guò)程中的拉伸應(yīng)變，使網(wǎng)格具有不同的幾何形狀。再將不同曲率的單元任意組合形成網(wǎng)格，稱之為數(shù)字圖案，這種圖案會(huì)產(chǎn)生不均勻變形進(jìn)而引起面內(nèi)圖案的轉(zhuǎn)換或者面外屈曲。通過(guò)將漸變數(shù)字圖案和旋轉(zhuǎn)對(duì)稱數(shù)字圖案的拉伸現(xiàn)象與形狀記憶性相結(jié)合，任何期望得到的變形圖案，都可以進(jìn)行編程、擦除和重新編程。 最后，基于曲率的連續(xù)變化，作者設(shè)計(jì)了兩個(gè)數(shù)字圓柱殼。一種是圖2中（a）所示的兩段圓柱殼，由于不同的θ具有不同拉脹行為，因此在壓縮條件下圓柱殼逐漸變?yōu)橹窆?jié)形，并且圓柱殼沿y軸遵循旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，使得在變形過(guò)程中橫截面保持圓形；另一種是圖2中（c）所示的數(shù)字圓柱殼，在壓縮條件下圓柱變?yōu)闄E圓柱，橫截面變?yōu)闄E圓形。

圖2. 數(shù)字超材料制成的圓柱殼。(a) 兩段圓柱殼的設(shè)計(jì)，θ=180°和 θ=0°，在壓縮條件下由圓柱殼到竹節(jié)形的仿真變形。(b) 180°段中間截面直徑變化。(c) 數(shù)字圓柱殼的設(shè)計(jì)及在壓縮條件下由圓柱殼到橢圓柱的仿真變形。(d) 中間截面形狀由圓形變?yōu)闄E圓形。(e) 由數(shù)字超材料打印的圓柱殼。

本文提出的新型二維負(fù)泊松比超材料，其具有的形狀可編程性使得制造后的超材料的力學(xué)性能可調(diào)。Ming Lei等人提出的二維網(wǎng)格和三維圓柱殼具有重新定形的能力，利用這種能力可以將一個(gè)簡(jiǎn)單的幾何圖形編輯成形狀不規(guī)則的產(chǎn)品，該技術(shù)有望簡(jiǎn)化心血管支架、可展開結(jié)構(gòu)等的制造過(guò)程。

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