力學(xué)超材料,，通常被定義為可以通過獨(dú)特的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計來表現(xiàn)出反常力學(xué)性能的一類人造結(jié)構(gòu)或材料,。當(dāng)下,，關(guān)于力學(xué)超材料的設(shè)計,、制造及表征的研究越來越多，它們的卓越性能也逐漸被應(yīng)用于各種領(lǐng)域,。
近日,，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)郭俊先教授團(tuán)隊在“Materials and Design”期刊上發(fā)表了題為“Design and macroscopic mechanical responses of auxetic metamaterials with tunable stiffness”的研究論文，該論文揭示了一種新型剛度可調(diào)拉脹超材料的設(shè)計與宏觀力學(xué)性能的響應(yīng),。
該工作所研究的拉脹超材料就是典型的力學(xué)超材料,，傳統(tǒng)的正泊松材料在被縱向拉伸時其本身發(fā)生橫向收縮，相反,，拉脹 (負(fù)泊松Negative Poisson’s ratio (NPR)) 超材料在被縱向拉伸時會沿橫向膨脹，這就是其有趣之處,。目前,，拉脹超材料已廣泛應(yīng)用于航空、軍事,、交通等領(lǐng)域,。該工作提出了一種新型的柔性力學(xué)超材料,，對其幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計,、制造及宏觀力學(xué)表征開展了研究并揭示了其潛在用途,。由能量法（Energy principle）及卡氏第二定理 （Castigliano's second theorem）,，解出了該結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)并進(jìn)行了驗證,。
圖1：(a)所開發(fā)的力學(xué)超材料的一個樣品,，展現(xiàn)出其高度的柔韌性,；(b)單胞,；(c)加載方式,；(d)1/4單胞受力圖,。
根據(jù)該理論對此結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能開展了完整的參數(shù)化研究,，證明了此結(jié)構(gòu)的剛度與泊松比的高度可調(diào)性。結(jié)果顯示,，該結(jié)構(gòu)的無量綱彈性模量可在1～13.6 （×10-3）范圍內(nèi)任意調(diào)控,，泊松比可在-1～1范圍內(nèi)調(diào)控。
圖2：泊松比理論結(jié)果(a)α2=15°且θ=20°的結(jié)構(gòu)的等高線圖,；(b)α2=15°且θ=20°的結(jié)構(gòu)的曲線圖,；(c) α1=30°且φ=90°的結(jié)構(gòu)的等高線圖；(d) α1=30°且φ=90°的結(jié)構(gòu)的曲線圖,。
此外,，將此結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)星形超材料的常規(guī)力學(xué)性能進(jìn)行了對比，本結(jié)構(gòu)在變形能力,、響應(yīng)能力及拉脹能力方面展示出了顯著的優(yōu)越性,。
圖3：(a)6組本結(jié)構(gòu)與星形結(jié)構(gòu)單胞；(b)楊氏模量對比結(jié)果,；(c) 泊松比對比結(jié)果,；(d) 最大彈性應(yīng)變對比結(jié)果。
用聚乳酸（Polylactic acid）作為基體材料對其完成了制造,，并進(jìn)一步通過實驗結(jié)果證明了有限元靜力計算對其力學(xué)性能表征的準(zhǔn)確性,，兩組結(jié)果共同揭示了該結(jié)構(gòu)的顯著拉脹現(xiàn)象。
圖4：(a)表征超材料系統(tǒng)同時膨脹收縮現(xiàn)象的實驗布置,；(b)實驗與有限元變形對比,。
最終，提出了一種新的方法,，可以將不同的力學(xué)超材料耦合成系統(tǒng),，對該系統(tǒng)施加應(yīng)變可誘導(dǎo)出波浪狀的變形，這一理念同時也被成功應(yīng)用于其他力學(xué)超材料,。
圖5：(a)所設(shè)計的超材料耦合系統(tǒng),；(b)各種各樣的二維拉脹超材料；(c) 混雜型超材料系統(tǒng)及拱形超材料系統(tǒng)的波浪狀變形,。
新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院碩士研究生王尚斌為第一作者,，郭俊先教授及平頂山學(xué)院馮寧副教授為通訊作者,，本研究得到新疆智慧農(nóng)業(yè)信息感知技術(shù)創(chuàng)新項目（2022TSYCTD0011），科技創(chuàng)新團(tuán)隊（天山創(chuàng)新團(tuán)隊）的支持,。
