三维拉胀超材料：具有极端可调柔性行为的创新设计与应用

为解决传统二维柔性拉胀材料在三维工程应用中的局限性，研究人员通过将弹性弹簧嵌入旋转刚性框架中的桁架晶格，设计出具有非凡柔性、可恢复性和可编程性的三维拉胀超材料（ROCT-S）。实验、数值和理论分析表明，该材料在平面拉伸下表现出极低杨氏模量（9.4×10?6基材模量）和161%平均应变，同时在平面外压缩中可承载超过自重12,800倍的载荷。这一突破为电子设备、生物医学器械和可穿戴柔性防护装备提供了广阔应用前景。

　　

在材料科学和工程领域，拉胀材料（Auxetic materials）因其独特的负泊松比（Negative Poisson's Ratio, NPR）特性而备受关注。这类材料在拉伸时会横向膨胀，在压缩时则会横向收缩，与传统材料的行为截然相反。这种反常的力学行为赋予了拉胀材料许多优异的性能，如高能量吸收、抗冲击性和形状适应性，使其在生物医学、航空航天和柔性电子等领域具有广阔的应用前景。然而，目前大多数柔性拉胀材料仅限于二维（2D）设计，严重限制了其在真实三维（3D）工程场景中的应用。此外，现有拉胀材料往往难以同时实现极端柔性、高可恢复性和可编程机械性能，这成为制约其实际应用的关键瓶颈。

针对这些挑战，国内某研究机构的研究人员创新性地提出了一种通用设计策略，通过将桁架晶格与弹性弹簧结合到旋转刚性框架中，成功开发出一类新型三维拉胀超材料——弹簧连接旋转桁架晶格（RTL-S）。相关研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上，为解决上述问题提供了全新思路。

研究人员主要采用了三种关键技术方法：首先是3D打印技术，用于制备不同几何参数的ROCT-S-2D和ROCT-S-3D样品；其次是通过MTS材料测试系统进行单轴平面内拉伸和平面外压缩实验；最后结合ABAQUS商业软件进行有限元模拟，并建立了分析模型来评估材料的弹性性能。

研究结果部分，文章通过多个小标题系统展示了创新发现：

在"ROCT-S-2D的平面内拉伸拉胀行为"部分，研究发现当R₁/L₀=0.25时，材料在小应变下的泊松比约为-0.55，在应变达到0.3时仍保持-0.45的负值。通过数字图像相关法测量，证实了材料在拉伸时的横向膨胀特性。

"ROCT-S-2D的可恢复性"部分显示，材料在经历30次拉伸循环后仍能保持94%的形变恢复能力。当R₁/L₀=0.4时，即使拉伸应变高达1.4，材料仍能完全恢复，展现了卓越的弹性性能。

关于"ROCT-S-2D的极低杨氏模量和高柔性性能"，研究发现材料的有效杨氏模量可低至基材模量的4.4×10^-6倍。在应变1.61时，工程应力仅为基材模量的9.4×10^-6倍，这一性能远超此前报道的柔性拉胀材料。

"ROCT-S-3D的拉伸行为"部分证实，这种三维结构在三个正交方向上都表现出相似的拉胀行为和极低模量（4.5×10^-3 MPa），泊松比约为-0.38。

在"RTL-S-2D的平面外压缩可编程机械性能"中，研究展示了通过改变内部桁架结构，可以在保持平面内超柔性的同时，实现平面外压缩模量从1.4 MPa到14.6 MPa的精确调控。特别值得注意的是，ROCT-S-2D结构能够承受超过自重12,800倍的压缩载荷。

研究结论部分强调，这项工作提出了一种通用策略来设计具有极端可调柔性行为的三维拉胀超材料。通过将桁架晶格与弹性弹簧结合到旋转刚性框架中，实现了材料在多个维度上的性能突破：包括前所未有的柔性（应变高达161%）、优异的可恢复性（30次循环后恢复率>94%）、极低的杨氏模量（最低达基材的10^-6量级）以及可编程的机械性能。这些特性使得该材料在柔性电子、生物医学设备和可穿戴防护装备等领域具有重要应用价值。

这项研究的创新性主要体现在三个方面：首先，突破了传统拉胀材料的维度限制，实现了真正的三维柔性拉胀；其次，通过巧妙的几何设计，解决了柔性材料通常难以兼顾高强度的问题；最后，提出的分析模型为类似结构的性能预测和优化设计提供了理论工具。这些突破为未来智能材料的设计开辟了新方向，特别是在需要同时满足柔性、弹性和承载能力的应用场景中展现出独特优势。