热成型辅助各向异性超弹性泡沫的加工-微观结构-性能关系及其增强能量吸收能力的研究

《ACS Applied Polymer Materials》：Processing–Microstructure–Performance Relations in Thermoformed Auxetic Hyperelastic Foams with Enhanced Energy Absorption Capacity

本研究提出了一种通过热成型工艺将非各向同性泡沫转化为各向同性结构的新方法。通过施加压缩比（如70%）和80℃热处理，成功诱导泡沫产生永久性负泊松比（达-0.6），同时提升能量吸收能力至原始泡沫的4倍。定制模具通过侧向约束减少应变局部化，结合数字图像相关分析（DIC）和有限元模拟优化工艺参数，实现了规模化生产可行性。

　　辅佐性结构材料因其独特的机械性能而受到广泛关注，这些性能包括卓越的抗冲击能量吸收能力、抗压和抗裂性能等。这种特殊的机械行为源于其微观结构设计，使材料在受到压缩力时横向收缩，而在受到拉伸力时横向扩张，从而表现出负泊松比的特性。这种特性在宏观尺度上尤为显著，为新型材料的开发提供了重要基础。本文将对这种材料的制备与性能提升方法进行深入解读。

### 辅佐性结构材料的背景与意义

辅佐性结构材料（auxetic materials）在多个工程领域展现出巨大潜力。这类材料在受到压缩时横向收缩，这种反常的机械响应与常规材料不同，因此在结构设计中具有独特优势。例如，在防护装置、柔性电子、软体机器人等领域，辅佐性材料因其优异的能量吸收能力而受到青睐。这种材料的性能源于其特殊的微观结构，通常由凹入的单元胞（re-entrant cells）构成。在传统材料中，单元胞的结构通常是凸起的，而在辅佐性材料中，单元胞则被设计成向内凹陷，使得材料在受力时能够实现更有效的能量分散和吸收。

研究辅佐性结构材料的制造方法，是提升其在实际应用中性能的关键。许多研究集中在如何通过加工工艺改变材料的微观结构，以实现负泊松比。常见的方法包括通过热成型（thermoforming）对非辅佐性泡沫材料进行处理，使其在受热过程中发生结构变形，从而转变为辅佐性材料。这种方法不仅能够实现材料的性能优化，还具有较高的可扩展性和实用性，为工业化生产提供了可能。

### 热成型方法的创新与优势

本文提出了一种全新的热成型方法，用于将具有高弹性的聚氨酯泡沫材料转化为辅佐性结构。该方法的核心在于对原始泡沫材料进行预压缩处理，然后通过热处理使其发生永久性结构变化。与传统的热成型方法相比，本文的创新之处在于其热成型工艺的设计和优化，使得材料能够在较低的温度和较短的时间内实现辅佐性转变。

热成型过程的关键在于对压缩比（compression ratio）的精确控制。通过有限元模拟，研究人员设计了一种具有侧向约束的热成型模具，以确保压缩过程中材料的应变分布更加均匀，从而促进凹入单元胞的形成。这种模具的设计不仅提高了材料的加工效率，还减少了对复杂设备的依赖，使得热成型过程更加简单和经济。

在热成型过程中，研究人员通过一系列机械测试和图像相关分析（digital image correlation, DIC）来评估材料的性能变化。这些测试包括应力-应变曲线的测量、泊松比的变化分析以及能量吸收效率的评估。通过这些测试，研究人员能够确定材料在不同压缩比下的机械行为，并验证热成型是否成功实现了辅佐性转变。

### 材料性能的提升与应用前景

热成型后的泡沫材料表现出显著的性能提升。首先，其泊松比显著降低，甚至接近于-0.6，这表明材料在受力时能够实现有效的横向收缩。其次，材料的能量吸收能力也得到了显著增强，特别是在70%压缩比的情况下，其能量吸收能力比原始材料提高了近4倍。这些性能的提升使得热成型后的泡沫材料在多种应用场景中具有更大的潜力。

在机械性能方面，热成型后的泡沫材料表现出更高的承载能力和更长的应力平台区域。这意味着材料在受到冲击时能够更有效地分散能量，减少局部应力集中，从而提高整体结构的稳定性。此外，热成型过程中的应变分布更加均匀，避免了传统加工方法中常见的应变局部化现象，这有助于材料在受到复杂载荷时保持结构完整性。

### 热成型工艺的可行性与可扩展性

本文提出的热成型方法不仅在实验室条件下得到了验证，还具有良好的可扩展性。通过调整压缩比和热处理时间，研究人员能够实现对材料性能的精确调控。这种工艺的关键在于对原始材料机械性能的深入理解，以及对热处理条件的优化。通过这种方法，材料的性能可以被系统地调整，以满足不同应用场景的需求。

此外，本文还强调了热成型方法在工业生产中的优势。传统的辅佐性材料制造方法通常需要复杂的设备和较长的处理时间，而本文的方法则更加简单和经济。通过使用侧向约束模具，研究人员能够在较低的温度和较短的时间内完成热成型过程，从而降低生产成本。这种工艺的可扩展性使得其在大规模生产中具有重要价值。

### 材料性能与工艺参数的关系

通过一系列实验和模拟分析，研究人员发现材料的性能与其热成型参数密切相关。压缩比的选择是影响材料辅佐性转变的关键因素。在较低的压缩比下，材料的泊松比会逐渐降低，但在更高的压缩比下，材料的辅佐性特征更加显著。同时，材料的能量吸收能力也会随着压缩比的增加而提高，特别是在接近材料密度极限的压缩比下，能量吸收能力达到最大值。

热处理温度和时间也是影响材料性能的重要因素。本文的实验表明，在80°C下进行约2小时的热处理可以有效地诱导辅佐性转变。这种温度和时间的选择基于对材料热稳定性和变形机制的深入研究，确保在热处理过程中材料能够保持其原有的结构特性，同时实现所需的变形。

### 应用领域与未来发展方向

辅佐性泡沫材料在多个工程领域展现出广阔的应用前景。在体育器材、汽车安全装置和军事防护装备中，这类材料能够有效吸收冲击能量，提高结构的安全性。此外，辅佐性材料在柔性电子和软体机器人领域也具有重要价值，其独特的机械响应特性使其能够适应复杂的运动和变形需求。

未来的研究方向可能包括进一步优化热成型工艺，以提高材料的性能和可扩展性。同时，研究人员还可以探索不同材料体系的辅佐性转变，以拓宽其应用范围。此外，开发更高效的热处理设备和自动化加工流程，也将有助于提高辅佐性材料的生产效率和一致性。

总之，本文提出了一种简单而有效的热成型方法，用于将非辅佐性聚氨酯泡沫材料转化为具有优异性能的辅佐性材料。通过精确控制压缩比和热处理条件，研究人员成功实现了材料的性能提升，并验证了其在多种应用场景中的可行性。这种方法的创新性和实用性为辅佐性材料的进一步研究和应用提供了新的思路和方向。