负泊松比混凝土超材料的3D打印制备及其力学行为研究

Poisson's ratio metamaterial breaks the constraint of the “natural material properties” on creative activities of human from the perspective of designing material. Simultaneously, 3D-printing technology breaks the restraint of the “traditional manufacturing methods” on creative ability of human from the point of direct manufacturing. In this project, based on Poisson's ratio metamaterial and 3D-printing technology a highly elastic and high-modulus negative Poisson double-helix fiber is first designed and produced. Using Hopkinson bar, nanoindentation and atomic-force microscopy, the stress status of the double helix fiber and the response of negative Poisson's ratio at various stages are characterized. Then the change law of the interfacial shear stress, fracture strength and toughness of the strained negative Poisson's ratio double-helix fiber during debonding and pull out of in cement-based material is revealed. On this basis, multiscale analysis and finite element-simulation theory are applied to study the processes of bonding and slipping between the “core” and “wrap” of fibers as well as between the negative Poisson's ratio double-helix fibers and cement-based material. Our study reveals the mechanism about how negative Poisson ratio double-helix fiber prevents the original cracks and expanding of the newly born cracks under stress in cement-based material. We also establish the mechanical constitutive model of negative Poisson's ratio cement-based metamaterials under tension and impact loads. These results provide scientific evidence for subverting the apparent natural laws of traditional concrete materials and breaking through the limitations of brittle materials in the natural world.

负泊松比超材料从设计材料学的角度挣脱了“自然物质特性”对人类创造活动的束缚，同时3D打印技术从直接制造学的角度摆脱了“传统制造手段”对人类制造能力的约束。本项目通过两者的交叉融合首先设计和制备出一种高弹性和高模量的负泊松比双螺旋纤维；利用霍普金森杆、纳米压痕和原子力显微镜技术表征双螺旋纤维的受力状态及各阶段的负泊松比响应；揭示水泥基材料中负泊松比双螺旋纤维受力后在脱粘和拔出过程中界面剪应力及断裂强度和韧性的变化规律。在此基础上，应用多尺度分析和有限元模拟理论研究纤维“内核”与“外裹”间以及负泊松比双螺旋纤维与混凝土基体间相互粘结并滑移的过程；揭示负泊松比双螺旋纤维阻止水泥基材料中原有裂纹以及受力过程中新生裂纹扩展的作用机理；建立在拉压和冲击载荷作用下负泊松比混凝土超材料的力学本构模型。研究成果可为颠覆传统混凝土材料表观自然规律的特性和突破脆性材料自然界原有普通力学性能的限制提供科学依据。

负泊松比超材料从设计材料学的角度挣脱了“自然物质特性”对人类创造活动的束缚，同时3D打印技术从直接制造学的角度摆脱了“传统制造手段”对人类制造能力的约束。本项目通过“材料设计”与“3D打印”的交叉融合开发了负泊松比混凝土超材料构筑体系。取得以下成果：.（1）基于环锭纺纱工艺成功设计制备出了兼具均匀性和稳定性的新型负泊松比双螺旋纤维，探明了工艺参数、纤维“内核”与“外裹”的种类、尺寸、包缠角度对其泊松比的影响规律，建立了负泊松比纤维负泊松比值的数学模型，明确了纤维负泊松比值与纤维轴向应变的关系。.（2）设计了负泊松比纤维水泥基超材料，探明了纤维掺量、种类、缠绕方式对负泊松比水泥基超材料力学性能和负泊松比响应的影响规律，捕捉了负泊松比纤维与混凝土基体间相互粘结、滑移的过程，明晰了负泊松比双螺旋纤维在混凝土中通过拉胀效应而产生的增强和增韧作用机制，克服了传统混凝土易开裂、韧性低、防暴能力弱等问题。.（3）构建了3D打印相变骨料混凝土，基于分层叠加成型技术实现了光敏树脂的高强、高韧及高稳定性，提出了光敏树脂单元结构和骨架结构分层次的混凝土骨料架构设计方法，大幅提升了混凝土比强度、韧性、延性及保温性能。.（4）提出了负泊松比三维骨架混凝土的概念并成功制备，探明了三维骨架内凹角度、胞元大小及受力方向对其力学响应的影响规律及机制，捕捉了负泊松比三维骨架混凝土受压下的应力、应变发展规律，提出了负泊松比内凹结构使混凝土受压应变再分布的作用机制，实现了混凝土泊松比大幅降低。.本项目通过将负泊松比纤维、3D打印相变骨料、负泊松比三维骨架与传统水泥基材料相结合的方式有效提升了混凝土的延性、韧性及吸能性能，并提出了混凝土数字化设计的全新理念，为混凝土超材料的工程应用提供了科学支撑。