一、3D打印與負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料的制備

3D打印技術(shù)為有序負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)材料的制備提供了有力支持。其原理是通過CAD軟件設(shè)計三維模型，經(jīng)切片軟件實(shí)現(xiàn)層間離散化，最終材料逐層堆積完成模型制造。歷經(jīng)發(fā)展，3D打印技術(shù)已衍生出光固化立體成型（SLA）、分層實(shí)體制造（LOM）、選擇性激光燒結(jié)（SLS）、熔融沉積成型（FDM）等十多種成型工藝，能滿足不同材料和結(jié)構(gòu)需求的負(fù)泊松比超構(gòu)材料制備。其中，F(xiàn)DM 3D打印技術(shù)因結(jié)構(gòu)簡單、操作便捷、成型速度快、材料成本低等優(yōu)勢，在航空航天、汽車工業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、工業(yè)設(shè)計等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。它極大解放了成型與加工方式對結(jié)構(gòu)設(shè)計的束縛，推動了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)和性能研究的發(fā)展。

二、負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的性能優(yōu)勢

負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的多樣化發(fā)展，為性能研究奠定了基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)正泊松比材料相比，負(fù)泊松比超構(gòu)材料在切變模量、彈性模量、抗壓痕阻力、能量吸收和減振抗沖擊等方面表現(xiàn)優(yōu)異。眾多學(xué)者借助計算機(jī)仿真技術(shù)和制造技術(shù)，對其性能展開數(shù)值分析與試驗(yàn)研究。

需注意，同一泊松比材料的彈性模量并非固定，與體積變化率和密度比相關(guān)。負(fù)泊松比超構(gòu)材料受壓時，材料整體向內(nèi)聚集收縮變形，密度增大，剛度提升；而傳統(tǒng)正泊松比材料受壓時，受壓區(qū)域材料向四周發(fā)散，抗壓痕能力降低。Dirrenberger等通過數(shù)值模擬壓痕測試發(fā)現(xiàn)，特定條件下負(fù)泊松比材料壓痕阻力優(yōu)于傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)，且其特殊內(nèi)部結(jié)構(gòu)抑制微裂紋傳播，抗斷裂性能更佳。

在吸能方面，負(fù)泊松比超構(gòu)材料的多孔胞元結(jié)構(gòu)與特殊變形機(jī)理優(yōu)勢顯著。從單向壓縮應(yīng)力應(yīng)變特性可知，負(fù)泊松比多胞結(jié)構(gòu)在應(yīng)力平臺階段平臺應(yīng)力更高，吸能效率與吸能性能更優(yōu)。Scarpa等對負(fù)泊松比熱聚氨酯泡沫拉伸試驗(yàn)表明，其吸能效果比常規(guī)泡沫材料提高20%。Yan等對不同參數(shù)負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)壓縮試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，內(nèi)凹角度、蜂窩尺寸和厚度對吸能效果影響明顯，內(nèi)凹角度影響最大。

三、減振抗沖擊性能研究

負(fù)泊松比超構(gòu)材料在減振抗沖擊等動力學(xué)性能方面表現(xiàn)良好，眾多學(xué)者聚焦于此。Lim研究負(fù)泊松比效應(yīng)矩形板固有頻率與泊松比關(guān)系；Ruzzene等建立理論模型描述負(fù)泊松比蜂窩夾層梁波傳播特性與振動；Ma等研究手性負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)隔振器相對密度對減振性能影響；Idczak等研究負(fù)泊松比蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)頻域動力學(xué)響應(yīng)并評價減振性能；朱秀芳等研究負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)夾層板振動頻率與幾何參數(shù)關(guān)系；董寶娟等研究自由振動頻率隨負(fù)泊松比蜂窩芯密度和厚度梯度變化規(guī)律；呂亦樂研究正弦曲線負(fù)泊松比超構(gòu)材料減振性能，發(fā)現(xiàn)其制作的變形鏡減振基座減振效果明顯，合理組合排列效果更佳。上海交通大學(xué)張相聞、楊德慶團(tuán)隊(duì)研究多種負(fù)泊松比超構(gòu)材料在船舶隔振基座和浮筏等方面應(yīng)用與減振機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其在輕量化和減振抗沖擊方面優(yōu)勢明顯。陳江平研究三維內(nèi)凹結(jié)構(gòu)靜動態(tài)力學(xué)性能，獲得應(yīng)變數(shù)據(jù)與動態(tài)應(yīng)力應(yīng)變曲線。Liu等對比內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)與正六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)沖擊響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)塑性變形釋放能量更多。Schultz等研究蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)高速面內(nèi)沖擊下胞元結(jié)構(gòu)參數(shù)對吸能影響，表明負(fù)泊松比效應(yīng)時能量吸收率最大。Ingrola等對比分析不同蜂窩夾芯板抗沖擊性能與失效模式。Lv等研究負(fù)泊松比夾芯板抗爆性能，發(fā)現(xiàn)泊松比越小抗爆性能越好。盧子興等分析負(fù)泊松比蜂窩材料面內(nèi)沖擊載荷下動力學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)動態(tài)沖擊與靜態(tài)加載產(chǎn)生機(jī)制一致。韓會龍等利用有限元分析方法研究中低速沖擊載荷下節(jié)點(diǎn)層級負(fù)泊松比蜂窩材料頸縮現(xiàn)象，并建立動態(tài)承載能力經(jīng)驗(yàn)公式。

四、應(yīng)用前景與現(xiàn)狀

負(fù)泊松比超構(gòu)材料憑借諸多優(yōu)異性能，在航天、航海、汽車、傳感器、生物醫(yī)學(xué)和運(yùn)動防護(hù)等領(lǐng)域前景廣闊，且部分領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。在航天領(lǐng)域，其緩沖和輕量化性能用于發(fā)動機(jī)葉片和飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計；航海領(lǐng)域，吳秉鴻、張相聞等設(shè)計船舶隔振基座并研究實(shí)船應(yīng)用；汽車領(lǐng)域，應(yīng)用于汽車保險杠、吸能盒、汽車懸架、安全帶和免充氣輪胎等，密歇根大學(xué)馬正東教授與北汽集團(tuán)合作研發(fā)的負(fù)泊松比免充氣輪胎已商用；傳感器領(lǐng)域，其低體積模量使制作的傳感器靈敏度提高；生物醫(yī)療領(lǐng)域，可用于血管支架、食道支架和智能繃帶開發(fā)；運(yùn)動防護(hù)領(lǐng)域，可設(shè)計更舒適的頭盔、運(yùn)動鞋底和緩沖墊等。此外，在減摩耐磨材料方面也有應(yīng)用，如免充氣輪胎與地面磨損、安全帶與人體摩擦、血管支架與血管摩擦等。但目前各國學(xué)者對其摩擦學(xué)性能關(guān)注較少。

五、摩擦學(xué)性能研究內(nèi)容

（一）成型方式對ABS塑料摩擦學(xué)性能的影響

使用FDM 3D打印技術(shù)和傳統(tǒng)模壓成型技術(shù)制備ABS實(shí)體試樣，以GCr15球配副，在SST - ST銷/球 - 盤磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。結(jié)合多種測量和表征手段分析磨損機(jī)理，探討兩種成型方式及FDM方式中不同單層層厚（0.1、0.2、0.3、0.4 mm）對試樣摩擦學(xué)性能的影響。

（二）NPR試樣與實(shí)體試樣的應(yīng)力應(yīng)變特性仿真分析

以內(nèi)凹六邊形為胞元結(jié)構(gòu)，建立蜂窩結(jié)構(gòu)和實(shí)體結(jié)構(gòu)模型，采用有限元分析方法模擬環(huán) - 塊摩擦磨損試驗(yàn)工況，研究兩種結(jié)構(gòu)模型正面和側(cè)面受不同載荷壓力（10N、30 N、50 N）時的應(yīng)力應(yīng)變特性，為摩擦學(xué)性能分析奠定基礎(chǔ)。

（三）NPR試樣與實(shí)體試樣的摩擦學(xué)性能對比研究

使用FDM方式設(shè)置較優(yōu)打印參數(shù)制備NPR試樣和實(shí)體試樣，以GCr15圓環(huán)配副，在QK - 1型環(huán) - 塊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行不同載荷（10N、30 N、50 N）工況下的摩擦磨損試驗(yàn)。運(yùn)用多種測量和表征手段，分析不同試樣的摩擦系數(shù)、磨損量、磨損形貌和磨損機(jī)理。

六、研究對象選擇與設(shè)備介紹

凹角結(jié)構(gòu)作為典型負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，研究起步早且成熟。選擇內(nèi)凹六邊形作為胞元設(shè)計負(fù)泊松比蜂窩模型，因其基本特性決定負(fù)泊松比效應(yīng)主要特性，研究其摩擦學(xué)性能對其他負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)有借鑒意義，可推進(jìn)新材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究進(jìn)展。試驗(yàn)所用的3D打印試樣，由廣州閃銳信息科技有限公司生產(chǎn)的恒溫版DK2型工業(yè)級高精度3D打印機(jī)制備成型。

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