预扭转管状超材料：多效应集成助力先进功能应用

这篇综述创新性地提出预扭转（pre-torsion）设计范式，通过将扭转变形预植入拉胀管状结构（ATS），实现了压缩/拉伸-扭转效应与负泊松比（auxetic effect）的协同耦合（MEI）。研究通过实验和有限元分析（FEM）揭示了多效应集成机制，并基于该设计开发出预扭转拉胀钉，其木材穿透能耗降低52%，初始峰值力减少27.1%，为机械超材料（metamaterials）的工程应用提供了新思路。

　　

引言

机械超材料通过精心设计的细观结构突破传统材料性能极限，但实现多功能集成（MEI）仍是关键挑战。压缩-扭转超材料（CTMs）作为新兴分支，虽能打破柯西关系限制，但现有设计（如桁架或折纸构型）存在稳定性差、功能单一等问题。本研究提出预扭转设计范式，通过非对称力传递路径实现多效应协同，为超材料的工程转化开辟新途径。

预扭转设计范式与样品制备

研究团队将预扭转角（Φ=90°）引入拉胀管状结构（ATS），通过坐标变换法构建圆形（CATS）和方形（SATS）截面变体。采用热塑性聚氨酯（TPU）3D打印技术制备样品，中间刻度盘设计实现扭转角度（θ）实时监测。有限元模型采用Ogden三阶超弹性本构，网格数超60万，验证了实验结果的可靠性。

多效应力学性能

压缩/拉伸测试表明：

1. 1.

   双向扭转效应：SATS在拉伸时最大扭转角达1.66°/%应变，CATS压缩时保持均匀结构线对齐；

2. 2.

   稳定拉胀行为：CATS最大负泊松比达-0.82，且预扭转设计未削弱原始结构性能；

3. 3.

   变形机制：预扭转使轴向力产生对角分量（F_m），驱动管壁孔隙旋转（图5），同时维持径向收缩/膨胀。

参数调控与机理

• •

  预扭转角Φ：120°时压缩-扭转效应最强（1.34°/%应变），但Φ>90°会削弱拉胀效应；

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  壁厚t：2mm薄壁结构MEI表现最优，增厚至10mm会抑制变形自由度；

• •

  孔隙轴向比：椭圆孔轴向比降低会削弱拉胀性，但压缩-扭转效应始终保持。

性能对比优势

与文献报道对比显示（图6）：

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  综合性能领先：传统CTMs在小应变（<5%）下虽扭转角达6.8°/%（桁架构型），但大应变（>20%）时预扭转ATS以3.7°/%扭转角和-0.86泊松比实现稳定MEI；

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  材料适应性：金属基ATS泊松比更低，但聚合物基预扭转设计在轻量化与能耗吸收方面优势显著。

工程验证：预扭转拉胀钉

316L不锈钢打印的预扭转钉展现：

1. 1.

   损伤抑制：木材无开裂，而普通钉边缘出现裂纹；

2. 2.

   能耗优化：推力曲线平滑，初始峰值力降低27.1%，总能耗减少52%；

3. 3.

   动态效应：钉体旋转（图7k）降低接触面积，结合径向收缩协同减小摩擦阻力。

结论与展望

该研究不仅证实预扭转设计可实现压缩/拉伸-扭转与拉胀效应的深度集成，还通过钉体应用验证了工程价值。未来可拓展至弹性波调控（57-75Hz低频带隙）等功能器件设计，为超材料在生物医学植入物、柔性机器人等领域的应用提供新范式。

（注：全文严格依据原文实验数据与结论归纳，未添加非文献支持内容）