中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）團(tuán)隊(duì)造出“反常識”材料

中國教育報(bào)-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 程墨 通訊員 焦思勤）近日，中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）珠寶學(xué)院“寶石礦物材料與設(shè)計(jì)智造”研究生導(dǎo)學(xué)團(tuán)隊(duì)在國際知名期刊《材料與設(shè)計(jì)》上發(fā)表重要研究成果，并入選當(dāng)期封面。論文《具有可調(diào)機(jī)械響應(yīng)的三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理及旋轉(zhuǎn)變形力學(xué)機(jī)制研究》，展示了三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)及其在穿戴防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用。

隨著智能手表、健康手環(huán)等可穿戴設(shè)備的普及，人們對穿戴材料的輕量化、高韌性和人體貼合性提出了更高要求。負(fù)泊松比材料正是一種“反常識”材料：縱向拉伸時(shí)橫向膨脹，縱向壓縮時(shí)橫向收縮，展現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)行為，適用于復(fù)雜曲面貼合與能量吸收等場景。然而，傳統(tǒng)三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)存在制造難度大、性能調(diào)控困難等問題。

針對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)變形的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能的可控調(diào)節(jié)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，為柔性可穿戴提供了新的解決方案。本研究基于二維交錯(cuò)肋架構(gòu)，設(shè)計(jì)出三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)：交錯(cuò)肋結(jié)構(gòu)（F-NPR）、曲面優(yōu)化結(jié)構(gòu)（W-NPR）和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)（N-NPR），并采用數(shù)字光處理技術(shù)DLP（Digital Light Processing, DLP）實(shí)現(xiàn)高精度制造，打通了從數(shù)字模型到實(shí)際產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

結(jié)果表明，N-NPR結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的可成形性，尤其適用于成形精度較高的數(shù)字光處理增材制造工藝。

通過有限元模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究系統(tǒng)探討了桿徑尺寸與單元尺寸對其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)體積分?jǐn)?shù)，可精準(zhǔn)調(diào)控該結(jié)構(gòu)的壓縮/拉伸強(qiáng)度、泊松比及能量吸收能力。該結(jié)構(gòu)在壓縮與拉伸過程中均表現(xiàn)出顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)，并在壓縮載荷下呈現(xiàn)出獨(dú)特的兩段式旋轉(zhuǎn)—扭轉(zhuǎn)變形機(jī)制，極大拓展了材料設(shè)計(jì)的自由度。

研究中提出的N-NPR結(jié)構(gòu)具備可控的變形能力與優(yōu)異的能量吸收特性，因而在抗沖擊、穿戴舒適度及貼合度等方面表現(xiàn)突出。該結(jié)構(gòu)不僅適用于智能穿戴設(shè)備，也為航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域帶來新的設(shè)計(jì)思路。未來，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步引入人工智能，開發(fā)更舒適、功能更集成的柔性可穿戴設(shè)備。