基于三周期极小曲面的增材制造三维拉胀超材料设计及其延展性增强研究

针对传统拉胀结构应力集中和脆性断裂问题，研究人员通过激光粉末床融合（LPBF）技术，创新性地设计出基于三周期极小曲面（TPMS）的Ti6Al4V三维拉胀管状超材料。该结构通过g值调控晶胞旋转实现17.173%的拉胀应变，比能量吸收（SEA）提升4倍以上，为航空航天和生物医学领域的能量吸收与抗断裂应用提供了突破性解决方案。

　　

在材料科学的前沿领域，机械超材料因其可编程的微观结构展现出自然界材料无法实现的特性，如负泊松比（NPR）的拉胀效应。这类材料在受到拉伸时横向膨胀，压缩时横向收缩，赋予其优异的抗剪切性和能量吸收能力，成为航空航天缓冲部件和骨科植入物的理想候选。然而，传统拉胀结构（如桁架或简单布尔运算形状）存在致命缺陷——应力集中导致脆性材料（如钛合金Ti6Al4V）过早断裂，严重制约其实际应用。

为突破这一瓶颈，重庆某高校的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表了一项开创性研究。他们巧妙利用三周期极小曲面（TPMS）的零平均曲率特性，通过激光粉末床融合（LPBF）技术，设计出具有三维拉胀效应的管状超材料。TPMS的连续曲面结构能均匀分散应力，而引入的旋转参数（g值）调控晶胞旋转行为，最终实现了延展性提升与可控拉胀效应的完美平衡。

关键技术方法
研究采用数学隐函数定义CLP型TPMS单元，通过笛卡尔与圆柱坐标转换构建三维管状结构。利用LPBF技术制备Ti6Al4V试样，结合有限元分析（FEA）和准静态压缩实验（2 mm/min速率），分析应力-应变曲线与泊松比变化。通过变形图像捕捉和断裂区域标记（红色虚线），量化结构失效模式与能量吸收效率。

研究结果

1. 机械性能与变形行为
非旋转的CLP和CLP-T结构在7%应变时即出现顶部断裂，而旋转设计的CLP-AT10展现出渐进式塌陷，50%应变下仍保持结构完整性。CLP-AT10的比能量吸收（SEA）达传统设计的4倍，有效拉胀应变达17.173%，证实g值诱导的晶胞旋转是拉胀效应的关键机制。

2. 应力分布与失效机制
有限元分析显示，旋转结构通过曲面重构将应力峰值降低63%，避免传统拉胀结构的局部应力集中。TPMS的连续网络特性延迟了裂纹扩展，使Ti6Al4V的断裂韧性提升至常规晶格结构的2.3倍。

3. 三维拉胀效应扩展
圆柱坐标转换成功将拉胀行为从二维平面延伸至三维圆周方向。CLP-AT10在径向与轴向均表现出稳定的负泊松比（-0.21至-0.35），满足血管支架等应用对多向形变的需求。

结论与意义
该研究通过TPMS拓扑优化和g值调控，解决了脆性材料拉胀结构的应力集中与低延展性难题。CLP-AT10兼具高能量吸收（38.7 J/cm³
）和抗疲劳特性，为骨科植入物（如骨钉）和航空航天缓冲组件提供了新材料范式。其三维拉胀设计突破了传统二维平面的局限，尤其适用于需多向形变的生物医学支架（如食管支架）和飞机涡轮叶片抗冲击结构。这项成果标志着超材料设计从“结构仿生”到“性能定制”的跨越，为智能材料的工业应用开辟了新路径。