蜂窝结构机械超材料

news2024/12/19 12:19:35

本研究设计了两种蜂窝结构机械超材料,具有可变的、依赖于拉伸或压缩的正负泊松比,并通过NOKOV度量动作捕捉验证了超材料的形变特性。

研究人员以《Mechanical Metamaterials with Discontinuous and Tension/Compression-Dependent Positive/Negative Poisson’s Ratio》为题在Advanced Engineering Materials期刊上发表了一篇关于蜂窝状机械超材料的论文,该论文被SCI和EI收录

本文提出了两种蜂窝结构机械超材料——具有拉伸/压缩依赖的正/负泊松比和快速泊松比变化能力,并通过NOKOV度量动作捕捉验证了超材料的变形行为。本研究可以应用在能量吸收装置、软机器人和组织工程支架等领域。

引用格式

Yang N, Deng Y, Zhao S, et al. Mechanical metamaterials with discontinuous and tension/compression‐dependent positive/negative Poisson's ratio[J]. Advanced Engineering Materials, 2022, 24(3): 2100787.

研究背景:

作为新型工程材料,超材料具有自然界中未发现的材料属性。现有研究已开发出多种超材料,展现出独特的机械和电磁性能,如负泊松比等。然而,现有设计通常只能实现单一方向的变形行为,且正负泊松比的调控不够直观,限制了其在工程中的广泛应用。

本文贡献:

  1. 提出了两种蜂窝结构机械超材料——具有拉伸/压缩依赖的正/负泊松比和快速泊松比变化能力,通过改变单元的几何设计,应变下可实现泊松比的不连续变化。
  2. 实验证明超材料的变形行为不依赖于材料的具体属性,而是由结构的几何设计决定,增加了设计的普适性。
  3. 实验验证了理论模型和有限元分析的预测,证明了超材料变形行为的鲁棒性。

图1 设计方法

实验过程及结果:

1. 单元形变:

通过NOKOV度量动作捕捉系统追踪超材料的形变。实验结果与有限元分析(FEA)和纯机制模型的预测结果相似,表明变形行为与材料的力学性能无关,而是由结构的几何设计决定。

图2 在一个单元中不连续的和拉伸/压缩依赖的正/负泊松比

2. 不同硬度材料的变形行为:

即使使用不同硬度的橡胶材料也观察到了类似的变形行为,包括拉伸/压缩依赖的正/负泊松比和跳跃点。

3. 单元间相互作用:

当多个单元在压缩下沿x方向相互作用时,仍然可以观察到跳跃点,但由于相邻单元之间的冲突和相互作用,泊松比从负转正的变化所需的应变减小。尽管如此,不连续和拉伸/压缩依赖的正/负泊松比仍然存在。

4. 2D和3D蜂窝结构变形

本文设计并制造了2D和3D蜂窝结构,并通过实验和模拟测试了它们的变形行为。结果表明,这些结构也表现出拉伸/压缩依赖的正/负泊松比。

NOKOV度量动作捕捉系统记录超材料形变行为,输出高精度位置数据,助力验证超材料的泊松比特性。

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