《M&D》3D打印復(fù)合材料的負(fù)泊松比效應(yīng)與宏觀力學(xué)性能

來源：靜悟天機(jī)入窅冥

3D打印復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)復(fù)合材料具有更強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，這為創(chuàng)造更多的新結(jié)構(gòu)提供了技術(shù)條件。負(fù)泊松比材料，是一種新型的力學(xué)超材料，當(dāng)它們軸向壓縮時（拉伸）時，將橫向地收縮（膨脹）。并且，已有研究表明，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有協(xié)同加強(qiáng)多種力學(xué)性能的潛力。

為了結(jié)合3D打印技術(shù)的優(yōu)勢與負(fù)泊松比材料的力學(xué)性能加強(qiáng)效果，斯托尼布魯克大學(xué)機(jī)械工程系的Tiantian Li（第一作者），Lifeng Wang（通訊作者）在《Materials & design》雜志上發(fā)表題為“Exploiting negative Poisson's ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties”的文章，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一類新的負(fù)泊松比復(fù)合材料，將其通過合理設(shè)計(jì)及與3D打印技術(shù)結(jié)合，并通過試驗(yàn)和數(shù)值分析來系統(tǒng)性地研究負(fù)泊松比晶格增強(qiáng)復(fù)合材料的宏觀力學(xué)響應(yīng)。

此文章自2018年發(fā)表以來，已獲得105次引用，年均被引超過34次。（數(shù)據(jù)來源：谷歌學(xué)術(shù)）

該文章研究了四種結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示，并使用Objet Connex260 multimaterial 3D 打印機(jī)進(jìn)行制造 (Stratasys, Ltd), 結(jié)構(gòu)共含有4*4單元，長和寬為40mm×40mm。為避免面外變形，厚度設(shè)計(jì)為20毫米。

圖1 文中四種結(jié)構(gòu)

此研究參考了ASTM D695標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)。其中，楊氏模量由標(biāo)稱應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線的初始線性區(qū)域計(jì)算。使用了DIC來跟蹤樣品的變形和位移輪廓。還使用了圖像處理軟件（ImageJ 1.49 Q）用于確定樣本的中心區(qū)域的位移，以便計(jì)算每個級別的施加壓縮的泊松比。

圖2 四種結(jié)構(gòu)的宏觀力學(xué)響應(yīng)

圖3 單軸壓縮試驗(yàn)過程

為進(jìn)一步研究泊松比效應(yīng)的影響，采用ABAQUS/Standard (Simulia, Providence, RI)建立有限元模型進(jìn)行變參分析。模型中采用各向同性材料模型，并使用彈性粘塑料模型捕獲玻璃狀聚合物的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為。邊界條件為在頂表面上施加單向分布載荷，而底部沿垂直方向固定。

圖4 有限元分析

圖5 泊松比效應(yīng)對模量和比吸能的影響

小結(jié)

與非輔助晶格增強(qiáng)復(fù)合材料相比，輔助晶格增強(qiáng)復(fù)合材料具有增強(qiáng)的力學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)了剛度和比吸能的雙層增強(qiáng)。并且，通過利用晶格增強(qiáng)物中的負(fù)泊松的比效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)體和基體之間的通過相互約束可以從基體獲得額外的支持來實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的增強(qiáng)。

原始文獻(xiàn)：Li T, Chen Y, Hu X, et al. Exploiting negative Poisson's ratio to design 3D-printed composites with enhanced mechanical properties[J]. Materials & design, 2018, 142: 247-258.