为了理解具有可调机械响应的3D手性NPR结构的设计原理及其旋转变形力学特性

《Materials & Design》：Towards understanding the design principle and rotation deformation mechanics of 3D chiral NPR structure with tunable mechanical responses

本文设计了一种基于2D交错梁架构的三维负泊松比（NPR）结构，提出节点增强型N-NPR结构，通过消除水平悬空梁并引入Z型垂直支撑结构，解决了传统3D NPR结构制造困难的问题。实验和有限元分析表明，N-NPR结构具有两阶段旋转-扭转变形机制，在压缩和拉伸下均表现出各向异性力学性能，其泊松比范围达-0.254至-0.440，同时兼顾高能量吸收效率和制造精度。研究为可穿戴设备、智能传感器和航空航天自适应材料提供了新方案。

　　在当前的研究中，科学家们提出了一种创新的三维负泊松比（NPR）螺旋结构设计，旨在解决传统负泊松比材料在制造过程中的复杂性和局限性。该结构基于二维交错肋架构，结合了水平方向的螺旋交替肋与垂直方向的Z型连接配置，以实现更优的成型性和制造兼容性。研究团队还提出两种优化架构：波形优化结构（W-NPR）和节点增强结构（N-NPR），并将其与原始折叠结构（F-NPR）进行对比分析。结果表明，N-NPR结构在成型性方面表现出色，适合使用数字光处理（DLP）技术进行制造。

负泊松比材料因其独特的“负向收缩”特性，在生物医学、运动装备和传感器等领域具有广泛的应用前景。然而，传统的三维负泊松比结构在制造过程中面临诸多挑战，如支撑结构的必要性、几何复杂度带来的成型难度以及制造精度不足等问题。这些因素限制了其在实际工程中的应用潜力。因此，本研究的重点在于探索一种既具有优异负泊松比性能，又具备良好制造兼容性的三维结构设计策略。

为了提升制造性能，研究团队采用了一种称为Sub-D建模的方法，通过对结构进行优化，减少了水平方向上的悬垂肋，从而实现了自我支撑的三维成型。这种优化设计不仅提高了结构的制造精度，还增强了其在成型过程中对材料流动的控制能力，避免了因支撑结构缺失而导致的几何偏差和材料缺陷。通过这种设计策略，N-NPR结构在制造过程中表现出较高的几何保真度，与原始设计模型高度一致，这为后续的机械性能测试和实际应用奠定了坚实的基础。

在机械性能方面，研究团队通过参数研究和实验测试，系统分析了N-NPR结构在不同加载条件下的行为。结果显示，随着体积分数的增加，结构的机械性能显著提升，但同时也会导致结构刚度增加和变形能力下降。这种平衡关系表明，在设计负泊松比结构时，需要根据具体应用场景对体积分数进行合理调控。例如，在需要高韧性或柔性变形的场合，可以采用较低的体积分数设计；而在需要高强度和能量吸收能力的场合，则应提高体积分数。

此外，实验与有限元模拟相结合，揭示了N-NPR结构在压缩过程中的独特两阶段旋转-扭转变形机制。这种机制允许结构在不同加载条件下表现出更高的变形自由度和机械适应性。通过这种两阶段变形过程，结构能够在保持稳定性的同时实现更复杂的机械响应，从而满足多种工程需求。相比之下，F-NPR和W-NPR结构虽然在某些方面表现出良好的机械性能，但由于制造过程中的悬垂肋问题，其成型精度和稳定性存在一定的不足。

在实际制造中，DLP技术以其高精度和高分辨率的优势，成为制造复杂三维结构的优选方案。然而，传统的结构设计往往难以完全适配DLP的层叠成型工艺，导致结构中出现如阶梯效应、材料堆积不均和几何偏差等问题。为此，研究团队在设计中特别关注了这些制造缺陷的来源，并通过优化节点厚度、调整结构曲率和改进肋的分布方式，有效减少了制造过程中产生的几何误差。这种优化不仅提升了结构的成型质量，还显著增强了其在实际应用中的可靠性。

本研究通过一系列实验和模拟分析，全面评估了N-NPR结构在不同方向上的机械性能。结果表明，该结构在XY平面和Z轴方向上均表现出显著的负泊松比效应，并且其变形行为具有明显的各向异性。在XY方向上，结构的横向应变与纵向应变之间的关系更紧密，表现出更强烈的负泊松比效应；而在Z轴方向上，由于结构的垂直连接方式，其变形行为相对稳定。这种各向异性为材料在不同应用场景下的定制化设计提供了可能性，例如在需要增强横向柔韧性的可穿戴设备或需要提升纵向刚度的航天结构中，均可根据具体需求对N-NPR结构进行参数调整。

研究还发现，N-NPR结构在压缩过程中表现出更优的应力分布和能量吸收能力。在相同的应变条件下，其应力集中程度较低，且具有更长的平台应力阶段，这意味着其在实际应用中能够更有效地吸收能量，减少材料损坏的风险。此外，通过调整杆直径和单元尺寸，研究团队还实现了对结构刚度和延展性的精细控制，使得N-NPR结构能够在不同性能需求之间进行优化。

在制造兼容性方面，N-NPR结构的优化设计使其能够完全兼容DLP技术，无需额外的支撑结构即可实现稳定成型。这种自我支撑的结构特性不仅降低了制造成本，还提高了成品的几何精度和结构完整性。相比之下，F-NPR和W-NPR结构由于存在悬垂肋问题，其成型过程需要依赖支撑结构，这不仅增加了制造复杂度，还可能导致表面粗糙和几何偏差，影响最终产品的性能表现。

从更广泛的角度来看，本研究的意义在于为三维负泊松比结构的工程应用提供了新的设计思路。传统的二维或准三维结构虽然在某些方面表现出色，但其应用范围受到结构复杂性和制造限制的制约。而N-NPR结构通过巧妙的几何设计和制造优化，实现了在三维空间中的高效变形和稳定性能，为未来的可穿戴技术、生物医学设备和智能传感系统等应用提供了强有力的支持。

此外，研究还指出，负泊松比结构在制造过程中面临的挑战不仅仅是几何设计的问题，还涉及到材料特性和制造工艺的协调。例如，尽管DLP技术能够提供高精度的制造能力，但在实际操作中，某些结构特征可能仍然存在制造上的局限性，如细长的肋结构可能在成型过程中出现断裂或变形不均的问题。因此，研究团队通过参数调整和结构优化，有效解决了这些问题，使得N-NPR结构能够在保持优异性能的同时，实现高精度制造。

总的来说，本研究不仅在理论层面探讨了负泊松比结构的机械变形机制，还在实际制造过程中验证了其可行性。通过引入自我支撑的几何设计、优化结构参数以及采用先进的制造技术，研究团队成功开发出一种新型的三维负泊松比结构，为未来在多个工程领域中的应用奠定了基础。这一成果有望推动负泊松比材料从实验室研究向实际工程应用的转变，为开发高性能、高适应性的新型材料提供了新的方向。