三维金属负泊松比超材料设计及其力学性能研究

Materials with negative Poisson’s ratio have unusual mechanical performance. Under uniaxial compression (tension), these materials contract (expand) transversely. Because of their special mechanical performance, auxetic materials have huge potentials in many applications, such as vascular stents, sensors, filters, sound insulators, energy absorption, etc. However, most of existing literature is based on nonmetal auxetic materials, the studies on metallic auxetic metamaterials which possess superior mechanical performance with periodic microstructures are rare. This project aims to design 3D metallic auxetic metamaterials with better mechanical performance. The latest pattern scale factor (PSF) methodology will be implemented to design 3D metallic auxetic metamaterials with larger auxetic effect and larger effective strain range. In addition, several 3D metallic auxetic metamaterials will be manufactured by using 3D printing technology and the printed samples will be tested. The project will produce 3D metallic auxetic metamaterials with larger auxetic effect and larger effective strain range, which will significantly benefit the promotion of auxetic materials in the aspects of energy absorption, impact resistance and shock resistance.

负泊松比材料具有不同寻常的力学性能。在受到竖向压缩（拉伸）时，这些材料会横向收缩（扩张）。因其具有的特殊力学性能，负泊松比材料有广阔的应用前景，如血管支架、传感器、过滤器、隔音器、能量吸收等。然而，大多数文献是基于非金属负泊松比材料的研究，具有周期微结构同时具有优良力学性能的三维金属负泊松比超材料方面的研究还较少。本项目将针对影响负泊松比材料推广与应用所亟待解决的问题，设计出力学性能更优的三维金属负泊松比超材料。运用最新的模态比例因子法设计具有更大负泊松比效应、并能在更大应变范围内维持负泊松比的三维金属超材料。此外，本项目还将运用3D打印技术制备少量的三维金属超材料以验证有限元模型同时测试三维金属超材料的力学性能。该项目的成功实施，将设计并制备出具有更大负泊松比效应和具有更大有效应变的三维金属负泊松比超材料，从而极大地促进负泊松比材料在吸能、防冲击、抗震等领域的推广与运用。

本项目针对力学超材料，尤其是负泊松比超材料的推广与应用所亟待解决的问题，设计出力学性能更优的三维负泊松比超材料和超结构。首先，提出了一种简单的生成负泊松比超材料的方法。然后，利用所提出的方法，设计、制备并研究了一系列具有更优力学性能的超材料，包括二维超材料、管状超结构和三维超材料。其次，将聚氨酯泡沫材料嵌合到所设计的管状超结构中，泡沫材料与负泊松比管状超结构的相互作用，使得所设计的负泊松比管状超材料组合结构具有更强的能量吸收性能。此外，还研制了一种具有负泊松比穿孔核心的新型全钢屈曲约束支撑，该种抗屈曲约束支撑具有稳定的滞回性能和较好的耗能能力，在抗震减灾方面具有较好的应用前景。本项目的成功实施，有效地研发出了多种具有优良力学性能的负泊松比超材料，将极大地促进负泊松比超材料在工程中的推广与运用。