《M&D》3D打印復(fù)合材料的負(fù)泊松比效應(yīng)與宏觀(guān)力學(xué)性能

來(lái)源：靜悟天機(jī)入窅冥

3D打印復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)復(fù)合材料具有更強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性,，這為創(chuàng)造更多的新結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)條件,。負(fù)泊松比材料,，是一種新型的力學(xué)超材料,，當(dāng)它們軸向壓縮時(shí)（拉伸）時(shí),，將橫向地收縮（膨脹）,。并且,，已有研究表明，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有協(xié)同加強(qiáng)多種力學(xué)性能的潛力,。

為了結(jié)合3D打印技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與負(fù)泊松比材料的力學(xué)性能加強(qiáng)效果,，斯托尼布魯克大學(xué)機(jī)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一類(lèi)新的負(fù)泊松比復(fù)合材料,，將其通過(guò)合理設(shè)計(jì)及與3D打印技術(shù)結(jié)合,，并通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值分析來(lái)系統(tǒng)性地研究負(fù)泊松比晶格增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀(guān)力學(xué)響應(yīng)。

此文章自2018年發(fā)表以來(lái),，已獲得105次引用,，年均被引超過(guò)34次。（數(shù)據(jù)來(lái)源：谷歌學(xué)術(shù)）

該文章研究了四種結(jié)構(gòu)形式,，如圖1所示,，并使用Objet Connex260 multimaterial 3D 打印機(jī)進(jìn)行制造 (Stratasys, Ltd), 結(jié)構(gòu)共含有4*4單元，長(zhǎng)和寬為40mm×40mm,。為避免面外變形,，厚度設(shè)計(jì)為20毫米。

圖1 文中四種結(jié)構(gòu)

此研究參考了ASTM D695標(biāo)準(zhǔn),，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn),。其中，楊氏模量由標(biāo)稱(chēng)應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線(xiàn)的初始線(xiàn)性區(qū)域計(jì)算,。使用了DIC來(lái)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(jì)算每個(gè)級(jí)別的施加壓縮的泊松比,。

圖2 四種結(jié)構(gòu)的宏觀(guān)力學(xué)響應(yīng)

圖3 單軸壓縮試驗(yàn)過(guò)程

為進(jìn)一步研究泊松比效應(yīng)的影響，采用ABAQUS/Standard (Simulia, Providence, RI)建立有限元模型進(jìn)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(yīng)力 - 應(yīng)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(yīng)對(duì)模量和比吸能的影響

小結(jié)

與非輔助晶格增強(qiáng)復(fù)合材料相比，輔助晶格增強(qiáng)復(fù)合材料具有增強(qiáng)的力學(xué)性能,，實(shí)現(xiàn)了剛度和比吸能的雙層增強(qiáng),。并且，通過(guò)利用晶格增強(qiáng)物中的負(fù)泊松的比效應(yīng),，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體和基體之間的通過(guò)相互約束可以從基體獲得額外的支持來(lái)實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的增強(qiáng),。

原始文獻(xiàn)：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.