西南大學(xué)黃進教授和甘霖副教授團隊：負泊松比結(jié)構(gòu)三維堆積的“無門檻”免支撐3D打印

負泊松比材料為典型的力學(xué)超材料，其實質(zhì)是能通過結(jié)構(gòu)層面的設(shè)計賦予材料優(yōu)越的輕質(zhì)化高力學(xué)性能甚至突出的隔熱、隔音等功能特性。三維體形材料的負泊松比結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)凹形狀組建而成，傳統(tǒng)設(shè)計及制造技術(shù)（如冰晶模板犧牲致孔法、孔結(jié)構(gòu)發(fā)泡控制法、結(jié)構(gòu)原位調(diào)控法、中空結(jié)構(gòu)改造法等）雖然能制造負泊松比結(jié)構(gòu)，但對于內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的形態(tài)、尺寸及分布控制能力有限，更無法實現(xiàn)內(nèi)空負泊松比結(jié)構(gòu)的周期性陣列式構(gòu)建。3D打印技術(shù)的程序可控特點，能克服了傳統(tǒng)制造方法無法在三維空間中形成重復(fù)中空陣列的材料架構(gòu)的共性難題，能實現(xiàn)精細復(fù)雜的三維負泊松比結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。然而，在現(xiàn)有的3D打印技術(shù)中，光固化技術(shù)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三維負泊松比結(jié)構(gòu)的快速制造，但其成形產(chǎn)品的力學(xué)性能不能滿足武器、防護裝備等應(yīng)用的高強度需求，且適用材料嚴重受限。而熔融擠出成形等常規(guī)技術(shù)需要在負泊松比結(jié)構(gòu)的向下凹點部分添加額外的支撐，無法簡單實現(xiàn)具重復(fù)內(nèi)凹特征的三維負泊松比結(jié)構(gòu)的一次成形加工。

針對上述問題，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、軟物質(zhì)材料化學(xué)與功能制造重慶市重點實驗室黃進教授和甘霖副教授團隊提出了“無門檻”免支撐3D打印重復(fù)中空三維負泊松比結(jié)構(gòu)的策略。通過二維折紙單元的三維堆積匹配構(gòu)建重復(fù)四面體框架的構(gòu)想實現(xiàn)零向下凹點的負泊松比結(jié)構(gòu)設(shè)計，建立了通用打印裝備和成型方式適用的 “無門檻”以及中空負泊松比結(jié)構(gòu)無需二次加工去支撐的“免支撐”打印技術(shù)，突破了負泊松比結(jié)構(gòu)3D打印的材料類型、成型方式、過程裝備等多條件的約束，使強韌如ABS塑料、柔韌如硅橡膠等材料都能被賦予負泊松比特性。

研究表明，結(jié)構(gòu)的泊松比在−0.8~0.4范圍內(nèi)實現(xiàn)定量調(diào)控，調(diào)控機理通過微分幾何計算和有限元分析進行了證明。并且，賦予不同材料負泊松比結(jié)構(gòu)能夠有效增強其力學(xué)性能，以熱塑性聚氨酯（TPU）、ABS塑料和硅橡膠免支撐3D打印的負泊松比結(jié)構(gòu)其比模量分別提升了79.6%、22.6%和201.4%。基于“結(jié)構(gòu)設(shè)計”、“制造技術(shù)”、“材料適配”、“仿真評價”等的系統(tǒng)研究及相互協(xié)調(diào)技術(shù)的探索，與人體工程理念方法相結(jié)合，以個性化定制鞋底為典型研究對象進行了應(yīng)用示范。并且，技術(shù)應(yīng)用對象可以進一步地從民用裝備拓展到軍用武器裝備，針對輕質(zhì)高性能鞋靴適形底、防彈衣用防彈插板夾層或底層、坦克等兵器的防彈防爆裝甲、無人機機翼等結(jié)構(gòu)件皆具有可靠的技術(shù)移植性和拓展性。

上述研究工作針對負泊松比結(jié)構(gòu)三維堆積體型材料的制造，成功地實現(xiàn)了周期性陣列結(jié)構(gòu)的程序控制制造、復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)免支撐技術(shù)、降低甚至免受設(shè)備和材料限制“無門檻”的創(chuàng)新進階，可望發(fā)展成為三維負泊松比結(jié)構(gòu)控制制造的普適性策略和便捷方法，以題為“Facile and Universal Method to Obtain Negative Poisson's Ratio via Support-Free 3D Printing Tetrahedron-Framework”發(fā)表于ADVANCED ENGINEERING MATERIALS期刊（DOI：10.1002/adem.202101359），西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院研究生胡歡為第一作者，西南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院、軟物質(zhì)材料化學(xué)與功能制造重慶市重點實驗室甘霖副教授和黃進教授為通訊作者。該成果獲得國家重點研發(fā)計劃青年科學(xué)家項目（2021YFB3702800）、重慶市高校創(chuàng)新研究群體項目（CXQT19008）、重慶英才計劃（CQYC201903243）等多個項目的資助。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202101359