泡沫填充拉胀力学超材料：泡沫性能对强度与能量吸收的影响

《COMPOSITE STRUCTURES》：Foam-filled auxetic mechanical metamaterials: effects of foam properties on strength and energy absorption

　　

将超弹性晶格结构进行泡沫填充已成为提升机械强度与能量吸收能力的潜在策略。在拉胀晶格中，泡沫填充还可抑制过早屈曲等不利变形机制。研究人员通过实验—建模相结合的方法研究泡沫填充拉胀超材料的力学行为，重点揭示加工—性能关系。以3D打印超弹性晶格为基体，填充具有不同密度与力学性能的聚氨酯（polyurethane，PU）泡沫制备拉胀结构；对未填充与泡沫填充晶格进行单轴压缩，评估其承载响应、结构泊松比（Poisson’s ratio）与能量吸收特征。将低密度泡沫填入超弹性拉胀结构，可显著提升结构性能：刚度增加、平台应力（plateau stress）升高、能量吸收增强，而拉胀性仅轻度下降。研究人员借助全场测量，并结合所建立模型，分析泡沫—固体界面效应以及受限在晶格孔隙内填充泡沫的体积压实机制。结果表明，泡沫填充的增益高度依赖于填充泡沫的平台应力，以及晶格—泡沫组件的制备工艺。

研究背景方面，蜂窝与晶格等多孔固体可通过壁厚、密度和几何设计调控强度与比能量吸收，但存在强度—能量吸收权衡，且六边形蜂窝减薄壁会削弱承载与抗屈曲能力。拉胀结构具有负泊松比，压缩时快速密化而增强强度与吸能，但内凹铰链易发生局部失稳、侧向屈曲，限制承载应用。已有研究证明泡沫填充可同时提升强度、能量吸收并抑制屈曲，但填充泡沫多选得较随意，晶格基材与泡沫性能关系、泡沫密度与强度的系统规律、以及面向设计的简易预测模型仍存在知识空白。因此，研究人员以熟知的旋转单元拉胀结构为对象，用超弹性热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）打印旋转正方形（rotating-square）晶格，采用原位浇注填充两种性能差异明显的聚氨酯泡沫，结合实验与低阶模型揭示泡沫性能对强度与吸能的调控机制，论文发表于《COMPOSITE STRUCTURES》。

主要关键技术方法方面，研究人员采用增材制造制备TPU旋转正方形拉胀晶格；选用两种力学性能不同的聚氨酯泡沫作为填充体；以原位发泡浇注将泡沫充入晶格孔隙，使泡沫—晶格界面具备应变传递条件；通过单轴压缩实验获取承载、结构泊松比与能量吸收数据；并发展应变无关模型与考虑可压密化的应变相关模型，用全场测量辅助解释泡沫—固体界面与孔隙内泡沫体积压实行为。

研究结果部分保留小标题如下。

1. 2.
   应变无关模型（strain-independent model）：研究人员将未填充旋转正方形结构的单元转动与铰链弯曲关联，得到虚拟弯曲力P=4Eb t³ω/(3d²)，并由转角ω与全局应变ε关系描述变形。对插入式泡沫塞，因界面黏附弱仅凸侧提供阻力，载荷传递系数κ=1；对原位浇注泡沫，界面黏结好且拉压均可传载，κ=2。由此建立泡沫填充结构弯曲力P=(4Eb t³/(3d²))f(ε)+κσ_fbd，再化为宏观压缩强度σ=N P/(bW)。该模型可估平台应力起点，但假设泡沫平台应力不随压缩变化，仅适用于无应变硬化泡沫。

后续小节中，研究人员通过应变相关模型纳入填充泡沫可压缩性与密化：泡沫被铰链转动限制于孔隙内，随全局应变进入平台后发生体积压实与应变硬化；模型用泡沫本构与几何约束修正应力—应变曲线，比应变无关模型更贴近实验前密化段。

研究人员通过单轴压缩实验比较未填充、低密度泡沫填充、高密度泡沫填充旋转正方形结构：低密度PU泡沫可提升刚度、平台应力与能量吸收，结构负泊松比仅小幅减弱；高密度或高模量泡沫若与TPU刚度匹配差，会带来界面脱粘、局部拉伸分离，大应变下增益下降。全场形变显示，原位浇注泡沫限制铰链内凹转动、推迟侧向屈曲，泡沫—晶格协同承载；插入式泡沫塞在凹侧形成间隙，主要提供单侧抗压阻力。

讨论部分指出，泡沫填充收益不是单纯“越硬越好”：填充泡沫的平台应力决定平台段抬升幅度，晶格基材超弹性使结构在大变形下仍可与泡沫协同；原位铸造因界面连续、双向传载，优于切块插入。若基材为硬脆聚合物而泡沫刚度高，则比能量吸收可能不增反降，说明基材—泡沫刚度匹配是关键。研究人员给出选型原则：以增强平台应力与协同变形为目标的防护吸能结构，宜选低密度、有一定平台应力且能与超弹性晶格共变形的聚氨酯泡沫；模型中的κ可表征界面传载程度，未来需纳入拉压不对称、滑移与脱粘修正。

研究结论部分译为：将低密度聚氨酯泡沫填充进超弹性拉胀晶格，可在仅轻微损失拉胀性的同时提高刚度、平台应力与能量吸收。泡沫填充杂交系统的性能由填充泡沫平台应力与晶格—泡沫制备方式共同控制；原位浇注较插入式泡沫塞具有更高载荷传递系数与更优稳定性。旋转正方形结构的力学可用低阶应变无关与应变相关模型刻画，前者给出平台应力起点，后者捕捉孔隙内泡沫可压密化与应力—应变演化。该工作弥补了填充泡沫选择随意的问题，为面向承载与能量吸收的泡沫填充拉胀超材料提供了泡沫性能定制原则与预测框架，对个人防护、汽车耐撞与声学阻尼等应用具有意义。