负泊松比:一种具有可编程弹性常数与高吸能特性的三叶草型负泊松比超材料

第一作者单位：华中科技大学

文章链接：

https://doi.org/10.1016/j.tws.2025.114407

手性负泊松比超材料凭借其反常的力学响应特性，在柔性器件与先进结构系统领域展现出广阔的应用前景，因此受到了学术界与工程界的广泛关注。然而，传统手性负泊松比超材料的设计方案存在诸多局限性：有效泊松比的可调范围较窄，吸能能力难以满足复杂工况需求，同时力学行为缺乏可编程调控的特性，这些短板严重制约了其在高端装备领域的工程化应用。针对上述问题，本研究设计了一种三叶草型旋转核心负泊松比超材料，通过对核心构型的创新优化，赋予材料宽域且可编程的力学性能区间，其综合性能显著优于传统二维手性超材料与缺肋型超材料。该超材料的核心优势体现在三大关键性能的突破上：其一，实现了泊松比的宽域精准调控，可调范围覆盖约 –1 至 0.94，几乎接近面内各向同性泊松比的理论极限区间（–1 < ν < 1），能够根据实际应用需求灵活切换负泊松比、零泊松比与正泊松比状态；其二，在相对密度固定的条件下，材料的弹性模量具备宽范围可调特性，突破了传统超材料力学参数与密度强耦合的设计瓶颈；其三，在准静态载荷作用下表现出优异的高吸能特性，可高效耗散外界输入的机械能，满足抗冲击防护的应用需求。这类超材料的卓越性能，源于其创新的增强型旋转核心结构与更高的内部连接度。独特的三叶草型旋转核心能够引导结构发生均匀协调的变形，避免局部应力集中现象的产生；而强化的内部连接设计则进一步优化了力的传递路径，提升了能量耗散的效率，从而实现了力学性能的跃升。此外，该超材料的应力 - 应变曲线呈现出仿生 J 型特征，这种力学响应模式与生物组织的力学特性高度匹配，赋予材料极佳的生物相容性，使其在生物医学工程领域具备显著的应用潜力。本研究为高性能、可编程负泊松比超材料的设计提供了全新范式，所提出的构型优化策略有望推动多功能力学系统的技术革新，为柔性智能器件、抗冲击防护结构、生物医用植入体等领域的发展注入新的动力。

本研究设计了一种三叶草型负泊松比超材料，并采用实验测试、有限元仿真与理论建模相结合的研究方法，对其力学性能展开系统性探究。该创新构型展现出优异的力学可编程特性，只需通过调控结构参数，即可实现对等效弹性常数与吸能特性的精细调节。值得关注的是，这款三叶草型负泊松比超材料（TAS）在 0.07–0.24 的相对密度区间内，可实现面内近似理想各向同性的泊松比调控，其可调范围覆盖约–1 至 0.94，几乎趋近于面内各向同性材料的热力学极限区间（–1 < ν < 1）。此外，在相对密度固定的条件下，该材料的归一化弹性模量可调范围远大于传统手性超材料与缺肋型超材料，充分凸显出该设计方案的多功能性与适应性，为不同工况下的性能定制提供了广阔空间。为揭示材料卓越性能的内在机理，研究团队对其变形模式展开了深入分析。在拉伸载荷作用下，该超材料的韧带转动模式会发生从弯曲主导型向拉伸主导型的转变，这一独特的变形演化过程使其应力 - 应变曲线呈现出仿生 J 型特征。这种力学响应与生物组织的变形规律高度契合，大幅提升了材料在生物医学等领域的应用潜力。在压缩载荷作用下，三叶草型负泊松比超材料表现出稳定的三阶段力学响应特征：首先是塑性铰的形成，随后发生向内旋转收缩，最终稳定为类蜂窝状网络结构，该结构能够通过有序变形高效耗散外界输入的机械能，从而实现优异的吸能效果。与传统手性超材料或缺肋型超材料仅依靠内部单元产生转动的变形机制不同，这款仿生构型的三叶草型负泊松比超材料能够实现所有韧带的协同转动。这种增强型旋转核心设计与优化的内部支撑结构，不仅显著提升了材料的负泊松比效应，还同步增强了结构整体刚度，实现了力学性能的协同优化。为进一步阐释该超材料的力学行为，研究人员基于欧拉 - 伯努利梁理论构建理论模型，实现了对材料等效弹性性能与平台应力的精准预测。参数化研究结果表明，通过调整结构的内角大小与韧带尺寸参数，即可对三叶草型负泊松比超材料的力学响应进行可编程调控。综上，本研究为可编程负泊松比超材料的研发建立了一套稳健的设计框架，为航空航天、柔性器件、生物医用等对多功能力学性能有严苛要求的领域，提供了极具价值的技术参考与应用方案。