负泊松比凹面柱壳/Gyroid-TPMS芯层复合结构的压缩响应与能量吸收协同增强机制

本研究针对传统凹面柱壳结构在压缩下易失稳破坏、能量吸收能力有限的问题，创新性地将三种泊松比特性的凹面柱壳与基于Gyroid的三周期极小曲面（TPMS）芯层复合，构建了具有分级拓扑的壳-芯协同能量吸收结构。通过实验揭示了复合结构的变形机制与性能提升：NPR（负泊松比）基复合材料峰值载荷和比吸能（SEA）均提高47%，NAP（正负交替泊松比）结构SEA提升63%。该研究为航空航天、汽车工程等领域轻量化抗冲击防护超材料设计提供了新思路。

　　

在工程防护领域，轻量化结构与能量吸收能力往往难以兼得。传统凹面圆柱壳虽具有轻质优势，却在压缩载荷下易发生失稳破坏，导致其能量吸收潜力受限。这成为航空航天缓冲部件、汽车防撞结构和人体防护装备等领域亟待解决的关键问题。随着机械超材料的兴起，通过结构设计实现材料性能的程式化调控成为可能，其中负泊松比（NPR）结构因其独特的“越压越缩”力学行为，展现出优异的剪切抗力、能量耗散和可定制性，然而单一NPR结构在压缩下易产生局部化变形和应力集中。

为突破这一局限，扬州大学龚杰、马志浩、魏媛媛、宋国强和郝文凤团队在《Materials 》上发表研究，创新性地将具有不同泊松比特性的凹面柱壳与基于Gyroid的三周期极小曲面（TPMS）芯层进行复合，构建了一种分级壳-芯协同能量吸收结构。研究通过实验力学测试与全场变形分析，系统揭示了复合结构的压缩响应、失效机理和能量吸收增强机制。

研究者主要采用了以下关键技术方法：通过SolidWorks软件设计了正泊松比（PPR）、负泊松比（NPR）及正负交替（NAP）三种凹面圆柱壳结构；利用MSLattice软件生成Gyroid型TPMS隐函数曲面模型；采用熔融沉积成型（FFF）3D打印技术制备聚乳酸（PLA）试样；利用万能试验机进行准静态压缩实验（2 mm/min）；结合数字图像相关（DIC）技术进行全场应变分析；基于ASTM D638标准进行材料力学性能测试。

3.1. 载荷-位移曲线

结果表明，所有结构的压缩过程均呈现典型的弹性阶段、屈服平台阶段和致密化阶段三阶段特征。在单一柱壳中，NAP结构展现出最高的峰值载荷（2.65 kN）和初始刚度，但其平台载荷稳定性不足，导致其平均载荷最低。比吸能（SEA）分析表明，PPR结构因稳定的平台阶段而具有最佳的能量吸收性能（1.20 J/g），NAP和NPR结构分别为0.88 J/g和0.82 J/g。

3.2. 能量吸收性能分析

复合化带来了显著的协同增强效应。NPR基复合材料的峰值载荷比其壳体和芯体单独峰值载荷之和高出约47%，其SEA也比单一NPR柱壳提高了47%。NAP基复合材料的SEA提升最为显著，达到63%。这种增强源于壳与芯之间相反的变形行为所产生的相互作用力，提高了整体载荷传递效率和抗屈曲能力。

3.3. 变形失效形式

通过变形观测和DIC应变场分析，揭示了不同的失效模式：PPR复合材料因壳与芯同时向外膨胀产生界面剥离；NPR复合材料因整体向内收缩导致界面脱粘和整体失稳；而NAP复合材料则表现出最复杂的变形耦合，其中部NPR层收缩而上下PPR层及TPMS芯部膨胀，这种“内缩-外胀”的耦合效应产生了强烈的剪切带，导致中部出现45°方向的剪切裂纹，但也使其在压缩后期仍能维持较高的载荷。

该研究得出结论：通过巧妙的壳-芯协同设计，成功地将负泊松比凹面柱壳与Gyroid-TPMS芯层复合，显著提升了结构的压缩稳定性和能量吸收效率。其中，NPR基复合材料在峰值载荷和能量吸收间取得了最佳平衡，而NAP基复合材料则通过正负泊松比单元的耦合变形实现了最高的比吸能提升。研究阐明了通过调控组成单元的泊松比特性与变形耦合机制，可以主动设计结构的力学响应和失效模式。这项工作不仅为理解多级复合超材料的协同力学机制提供了新见解，也为设计下一代轻量化、抗冲击、可编程的防护材料与结构开辟了新途径，在航空航天、汽车工程和个人防护装备等领域具有重要的应用前景。