负泊松比超材料和结构

负泊松比超材料和结构具有优异的抗剪切性能、抗冲击性能、抗断裂性能、吸能隔振、渗透率可变性能、曲面同向性等力学性能,在航空航天、航海、机械自动化、生物医疗、国防军事、纺织工业等领域具有广泛的应用前景.本文从负泊松比超材料和结构的变形机理出发,综述了内凹结构、旋转刚体结构、手性/反手性结构、纤维/节点结构、折纸结构、褶皱结构、弯曲-诱导结构、螺旋纱线结构等物理模型,这些模型具有广泛的适用性,可运用于轻质夹层板、流体输送、纱线等工程应用,有利于改善结构的使用性能.最后,本文对负泊松比超材料和结构未来的挑战和在航空航天、军事等领域的应用进行了展望,指出利用负泊松比逆转了正泊松比对单轴应力引起的体积和面积变化的补偿效应可有效改善发动机叶片、深空天线以及汽车吸能盒等关键构件的抗冲击性能等,以期为负泊松比超材料和结构的推广应用提供参考.     

复合材料负泊松比格栅结构设计及力学性能评价

对复合材料负泊松比格栅新结构的设计、制备与评价进行了研究,采用有限元方法模拟了负泊松比结构单元在轴压载荷作用下的力学行为,通过热压罐成型制备复合材料负泊松比格栅结构,并评估其成型质量、蒙皮及筋条的力学性能、结构抗轴压性能。数值模拟结果表明,负泊松比格栅结构与正交格栅结构相比,变形形式从马鞍形变为波纹形,横向膨胀量降低,应力分布均匀性提升,筋条-轴线夹角θ=30°时,负泊松比格栅结构达到最优。采用热压罐成型的MT300/603碳纤维/环氧树脂负泊松比格栅试件成型质量良好,蒙皮及筋条的力学性能优异。力学测试结果表明,筋条-轴线夹角θ=30°时,MT300/603负泊松比格栅结构轴压模量为65.92 GPa,轴压失效载荷为64.65 kN。轴压失效模式为筋条节点处的蒙皮-筋条开裂。筋条-轴线夹角θ=30°的MT300/603负泊松比格栅结构抗压强度高于正交格栅结构,且力学行为呈现明显的负泊松比特征,是一种具备优异综合力学性能的新格栅结构,在航天飞行器蒙皮结构等领域具有潜在的应用价值。      

一种刚度可调控的负泊松比管状结构

负泊松比材料具有优良的抗压痕性、抗剪切性、曲面同向性、断裂韧性和能量吸收性等特点,受到了国内外学者的广泛关注.负泊松比管状结构作为一个新兴的研究热点,在工程和医疗领域都有着广泛的应用前景.然而,在拉伸与压缩下同时具有负泊松比效应的管状结构仍鲜有报道.由于内部周期性孔洞的存在,大多数负泊松比材料和结构具有较低的比刚度.因...     

负泊松比材料的结构与性能

介绍了负泊松比材料的种类、性能、用途、微观结构、测试手段及应用前景,重点阐述了负泊松比材料的微观结构及其所具有的特殊性能。     

内凹-星型三维负泊松比结构设计及冲击吸能特性

负泊松比结构因其反常的变形机制在缓冲吸能领域具有可观的应用前景。该文设计并表征了一种参数可调的新型负泊松比结构。采用理论和数值模拟相结合的研究手段,系统地研究了结构的静/动态力学性能和吸能特性。研究结果表明：新结构具有较好的力学性能和参数可调性;在静态压缩条件下,新型蜂窝结构具有更高的刚度和更优异的吸能性能,其比吸能值是内凹型蜂窝结构的2.64倍,是星型蜂窝结构的3.89倍;在动态冲击条件下,内凹-星型结构的吸能性能在低速时优于两种传统蜂窝结构(内凹和星型),在中高速时其吸能优势有所退化,与内凹型蜂窝结构相当,但远高于星型蜂窝结构。     

泡沫混凝土的负泊松比设计与静载力学特性研究

拉胀材料因其特殊性能在材料领域备受重视.将负泊松比效应应用在泡沫混凝土中,可使其具备良好的力学性能与吸能效果.本试验利用化学发泡法制备了三种不同孔隙形态的泡沫混凝土,分别为闭孔泡沫混凝土、连通孔泡沫混凝土、内凹孔泡沫混凝土.利用图像法对泡沫混凝土的干密度和孔隙结构参数进行表征,通过万能试验机测试了泡沫混凝土的静态压缩强度、抗折强度,通过工业相机及数字散斑相关方法(DSCM)研究了泡沫混凝土的区域形变行为以及泊松比值.结果表明:泡沫混凝土的孔隙率、孔径及干密度与发泡剂的添加量有关,添加量越多,干密度越小,孔隙率和孔径增大;泡沫混凝土的抗压、抗折强度也与发泡剂的添加量有关,其强度随着添加量的增多而减小,但孔隙呈内凹状的泡沫混凝土具有较高的抗压强度和抗折强度,内凹孔泡沫混凝土的压缩断裂能为33.9×103 J/m3,相比闭孔泡沫混凝土提高44.9％.DSCM表明内凹孔泡沫混凝土在压缩过程中会出现明显的收缩效应,其收缩率为闭孔泡沫混凝土的37.5％,压缩期间负泊松比值最大可达-3.7.     

SLM成形不同孔隙结构骨支架的仿真与实验研究

目的确定多孔骨骼支架的最佳结构及孔隙率。方法建立不同孔隙率、不同结构的18个多孔支架模型,通过有限元对多孔支架分别进行应力、应变模拟分析,通过选择性激光熔化(SLM)技术制备A,B,C这3种不同结构、孔隙率范围相近(65%～90%)、支架直径相同(300μm)的多孔316L支架。通过压缩试验、微观组织分析、X射线衍射试验(XRD)对不同多孔支架进行表面微观组织分析及力学性能研究。通过有限元模拟获得适用于人体皮质骨及松质骨的不同多孔支架结构及孔隙率。结果 A类结构孔隙率为90%的多孔骨骼支架弹性模量为7.5 GPa,抗压强度为11.62 MPa,与人体松质骨相吻合;B类结构孔隙率为80%的多孔骨骼支架弹性模量为18.9 GPa,抗压强度为127.01 MPa,与皮质骨相吻合。结论通过模拟及试验,确定了适用于不同骨骼部位的最佳结构及孔隙率,并且多孔结构有利于营养物质及血液的运输,保证了骨骼替代物的生物力学性能,有助于患者的康复。     

冲击载荷下箭头型负泊松比蜂窝结构动态吸能性能研究

以箭头型负泊松比蜂窝结构为研究对象,在已有的冲击载荷下蜂窝结构平台应力理论模型的基础上,着重考虑平台区和平台应力增强区,建立了其受冲击载荷时吸收能量的理论模型,得到了其在冲击载荷下不同阶段吸收能量及对应等效应力大小与几何参数的关系.基于ANSYS仿真软件模拟了在冲击载荷作用下,箭头型负泊松比蜂窝结构的吸能和应力情况,对...     

新型十字形负泊松比蜂窝结构的抗冲击性能

负泊松比力学超材料具有高可设计性、轻量化以及抗冲击方面的优势,引起学者们的关注,对内凹六边形结构、手性结构等经典构型进行了广泛研究。提出了一种新型的十字形负泊松比蜂窝结构,基于能量法对该结构泊松比的解析式进行了推导,所得解析解与有限元结果吻合良好,证明了推导方法的有效性;针对不同冲击速度和不同杆长比例系数的十字形蜂窝结构的变形模式、冲击载荷下的名义应力应变曲线以及能量吸收特性进行了研究。结果表明:杆长比例系数越小,泊松比越小;冲击速度和杆长比例系数会影响十字形蜂窝结构的变形模式、冲击载荷下的名义应力应变曲线和平台应力;十字形蜂窝结构的体吸能在中速冲击下会随应变增大出现增长加快现象,而高速冲击下体吸能增长趋势不再随应变增大出现加快但呈现出规律的波浪形增长。     

空竹型负泊松比蜂窝结构的面内冲击性能研究

由于负泊松比蜂窝结构具备高比刚度、优良吸能特性等优点,近年来受到众多学者的关注。基于内凹六边形负泊松比结构,提出一种空竹型负泊松比蜂窝结构。运用一维冲击理论推导出结构的冲击临界速度。通过有限元ABAQUS/EXPLICIT对结构进行面内冲击响应特性分析,结果表明：与传统的内凹六边形结构相比,空竹型蜂窝结构具有更高的平台应力和比吸能,提高了结构的耐撞性和能量吸收能力;给出了不同冲击速度和结构参数对空竹型蜂窝平台应力与比吸能的影响规律。研究结果可为负泊松比蜂窝结构在实际工程中应用提供设计指导。     

Negative Poisson's Ratio in Modern Functional Materials

Materials with negative Poisson's ratio attract considerable attention due to their underlying intriguing physical properties and numerous promising applications, particularly in stringent environments such as aerospace and defense areas, because of their unconventional mechanical enhancements. Recent progress in materials with a negative Poisson's ratio are reviewed here, with the current state of research regarding both theory and experiment. The inter‐relationship between the underlying structure and a negative Poisson's ratio is discussed in functional materials, including macroscopic bulk, low‐dimensional nanoscale particles, films, sheets, or tubes. The coexistence and correlations with other negative indexes (such as negative compressibility and negative thermal expansion) are also addressed. Finally, open questions and future research opportunities are proposed for functional materials with negative Poisson's ratios.     

Mechanical Properties of a Novel Zero Poisson's Ratio Honeycomb

In this paper, a novel honeycomb is proposed by embedding a rib into every cell of the existing zero Poisson's ratio (ZPR) configuration, semi re‐entrant honeycomb (SRH). Analytical model is developed to investigate the in‐plane mechanical properties of the new honeycomb, and the resulting theoretical expressions are compared with the experimental tests and numerical results obtained from two different finite element (FE) models (3D beam model and 3D solid model), leading to a good correlation. FE analysis, analytical modeling, and experimental tests of the new honeycomb show that it can achieve ZPR effect in two principal directions. For further studies, parameters analyses are carried out to explore the dependence of the in‐plane mechanical properties versus the geometric parameters. The results show that bending is the dominated deformation model when the new honeycomb is compressed along the x‐ direction, while stretch controlled in the y‐ directional compression. It is remarkable that the new proposed honeycomb features superior specific stiffness and more flexible in mechanical properties tailoring compared to the other ZPR honeycombs in the literature. Given these benefits, the new honeycomb may be promising in some practical applications.

     

Excellent Mechanical Properties and Energy Absorption of Hexagonal-Body-Centered Lattice Structure Fabricated by Selective Laser Melting

Inspired by the crystal lattice characteristics of hexagonal-close-packed and body-centered-cubic metals, a novel hexagonal-body-centered (HBC) lattice structure is constructed for energy absorption. HBC lattice structures with three different c/a ratios are prepared by selective laser melting (SLM) using 316 L stainless steel powder. The geometric features and energy absorption performance of the fabricated HBC lattice structures with different c/a ratios are studied by scanning electron microscopy and quasistatic compression tests, respectively. The results show that the HBC lattice structure prepared by SLM not only exhibits good formability, but also demonstrates excellent mechanical properties and energy absorption capacity. The c/a ratio significantly affects the mechanical properties and energy absorption performance of HBC lattice structures. The Young's modulus, yield strength, and energy absorption increase as the c/a ratio decreases. Compared with other lattice structures, the HBC lattice structure exhibits better energy absorption at the same relative density, thus indicating the usefulness of the HBC lattice structure as a lightweight energy-absorbing structure.