材料形变 - 具有不连续和张力/压缩依赖的正/负泊松比的机械超材料

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。