拉胀材料研究的进展

在简述拉胀含义及回顾拉胀亦即负泊松比材料发展历史的基础上,综述了世界特别是我国拉胀高分子材料的研究现状和进展,并对其应用前景给予展望。

拉胀材料研究进展和应用前景

首先介绍了拉胀材料的种类、微观结构、作用机理及制备的技术关键,然后通过与普通材料的性能进行比较,指出了这种材料所具有的巨大应用前景和实用价值。

曲率杆件3D拉胀材料优化设计及有限元模拟研究

拉胀材料是一种有序多孔点阵材料,具有独特的负泊松比效应,在轻质结构、冲击防护、生物医学等领域具有广阔的应用前景。针对目前三维(3D)拉胀材料存在构型单一、变形过程中应力集中明显以及试样制备昂贵等不足,通过有限元模拟的方法开展了基于曲率杆件3D拉胀材料的设计与力学行为研究,以期提高拉胀材料的承载能力。结果表明,随着杆件直径的增加,其抗压强度明显增加,杆件曲率对其抗压强度的影响较小,在相同杆件截面积下,环形截面杆件的拉胀材料因具有更高的截面惯性矩从而具有更高的承载能力。此外,还对压缩变形过程中拉胀材料的变形特征及负泊松比效应进行了讨论。

星型拉胀蜂窝材料在压剪复合加载下的力学特性研究

拉胀蜂窝材料由于其良好的力学特性以及稳定的吸能特性,广泛地应用于各类防护结构。该文针对星型拉胀在压剪复合加载下的力学特性开展了研究工作。基于有限元技术建立星型拉胀蜂窝材料的数值模型,并基于增材制造技术和万能试验机开展验证试验,开展了星型拉胀蜂窝材料在不同压剪复合加载角度和速度下的仿真研究,对星型拉胀蜂窝材料在各个加载工况下的力学特性与变形模式开展研究,结果表明,星型拉胀蜂窝材料在准静态复合加载下依托胞元旋转发生整体变形,并产生倾斜变形带压溃,随着加载速度提升,由于惯性效应的增强,细观结构间的挤压变形更加充分,材料变形模式由整体变形向局部变形转变,形成冲击波。基于椭圆方程对星型拉胀蜂窝材料初始屈服应力进行拟合,建立星型拉胀蜂窝材料的准静态/动态屈服面,随着速度的提高,屈服面呈现出明显强化;最后通过对星型拉胀蜂窝材料的吸能特性研究表明,随着加载角度的增大,材料法向和切向总吸能分别呈现出下降和提高的趋势,且切向吸能特性对角度的改变相对法向方向更加敏感。

增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究

前期研究工作中,基于有限元分析,作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料.为了揭示微观结构-力学性能关系,并进一步指导超材料目标参数设计,本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型.增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成.“Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉-伯努利梁.因此,本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉-伯努利梁的应变能.然后,考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式.研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时,理论表达式才有简洁的形式.为了更好地利用所推导的理论表达,基于理论推导,本文开发了MATLAT图形用户界面(GUI).在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数,即可直接获取其等效泊松比和弹性模量.最后,基于理论结果,系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响,并将理论解与有限元计算结果进行了对比.结果表明,可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.

四节点手性拉胀超材料在弹塑性大变形下的等效力学性能研究

拉胀超材料(即具有负泊松比效应的材料)具有很多独特的优良性能.等效力学性能是设计拉胀超材料的重要指标,同时也是建立相应本构模型的基础.目前对拉胀超材料的等效力学性能研究大都局限在弹性小变形框架下,而在实际应用中,拉胀超材料通常会产生弹塑性大变形.为此,采用了基于周期性边界条件的数值均匀化方法,对一种经典的四节点手性拉胀超材料在弹塑性大变形下的等效力学性能开展了系统的研究.结果表明,四节点手性拉胀超材料的等效力学性能随着变形的增加而产生规律性的变化.

华北克拉通中元古界常州沟组石英岩状砂岩拉胀性能(负泊松比)的发现

人类文明的进程很大程度上就是一部人类使用材料的历史。最早人类使用石器作为生活与打猎的工具,后来人类学会使用黏土矿物烧制陶器,用这种人造材料结束了石器时代。

拉胀型结构变形特性的研究

拉胀型材料具有拉伸时,出至于拉伸方向的横截面面积变大的特性。这一独特的材料特性归结于材料中独特的结构单元体,这也意味着这种结构单元会在结构工程中产生千变万化的应用。为了使这种单元得以应用,本文对于拉胀型单元结构进行了研究。

基材塑性模量对手性拉胀结构拉胀性能的影响

针对两种经典手性拉胀结构(三节点反手性材料和六节点手性结构),系统考察了基体材料塑性模量对其拉胀性能(负泊松比行为)的影响.结果表明:塑性变形会抑制三节点反手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越差;与之相反,塑性变形会促进六节点手性结构的拉胀性能,基体材料塑性模量越小,其拉胀性能越好.此外,在初始变形时,两种结构的负泊松比响应均为各向同性,但随着变形的增加,负泊松比响应转为具有旋转对称性的各向异性.

弧形双箭头蜂窝面内压缩性能试验与仿真

蜂窝结构作为一种仿生材料,在抗冲击吸能、轻量化等多个领域优势显著,得到了广泛研究。其中,双箭头蜂窝(Double-Arrow Honeycomb,DAH)在压缩载荷下较六边形蜂窝的平台应力更高,吸能性更好。为了进一步提升DAH的比吸能(Specific Energy Absorption,SEA),文中通过引入双弧形边代替DAH原有直边,提出一种弧形双箭头蜂窝(Circular Double-Arrow Honeycomb,CDAH),采用3D打印制备了CDAH样件并进行了准静态压缩试验;同时,基于有限元软件建立了CDAH的数值仿真模型,通过与试验结果的对比验证了模型的准确性;利用冲击波理论推导了CDAH的临界冲击速度,并结合验证后的数值模型研究了面内不同冲击速度下CDAH的动态响应。试验和仿真结果均表明:与DAH相比,CDAH的平台应力更高,比吸能也更大。其中,当应变达到0.6时,CDAH的SEA相较于DAH提升了71%,并且在中高速冲击下呈现明显的倒“V”和倒“U”形变形带,显示出良好的负泊松比特性;随着冲击速度提高,CDAH的平台应力与比吸能均显著提升,100 m/s下的平台应力是5 m/s下的3倍,这有助于CDAH在高速抗冲击防护中应用。

基于二维不同尺寸旋转刚性单元的负泊松比研究

负泊松比材料(也称拉胀材料)是一种具有特殊力学性能的新型功能材料,有着良好的应用前景.对于该类材料的变形机理研究,基于旋转刚性单元模型,提出一类新型多尺寸刚性矩形单元组合模型.该模型中不同尺寸的刚性矩形单元通过旋转铰链方式连接,在材料受单向外力作用下展现出宏观的负泊松比效应.在模型中通过对周期循环胞体的分析,得到了材料的泊松比随刚体单元之间夹角θ变化的解析表达式.结果表明,该模型的泊松比在夹角θ趋近90°时取极值,通过调整刚性单元的几何尺寸可以改变模型的泊松比的大小.这些结果对二维多胞拉胀材料的微结构设计具有参考价值.

科技动态

高度多孔粉末具有较高的碳捕获效率加拿大滑铁卢大学开发的一项颇具前景的新技术取决于一种特殊的粉末,其可用作发电厂的过滤器,从源头收集CO2分子。据称这种粉末捕获碳的效率是目前可用材料的2倍。该研究团队利用碳的天然能力来捕捉CO2分子,涉及2项技术:借用植物细胞的微小片段并将其嵌入水凝胶中以从空气中吸取碳,以及依赖由另一种天然元素阳光激活的高度多孔金属有机骨架。

基于弹性力学的超构材料

近年来以微结构为基本构造单元的人工超构材料,由于具有自然材料所不具备的可设计的奇异物性,在材料学、声学、光学、电磁学以及信息能源等领域具有巨大的发展潜力.超构材料的研究脱胎于电磁超构材料,但是近年来在声学、热学、静电、静磁学以及弹性力学领域取得了飞跃的发展,大大拓展了超构材料的研究领域.借助Milton图重点阐述了基于弹性力学的新型超构材料的超常特性及其主要类别:例如具有负的质量密度和负弹性模量的声学超构材料,具有负泊松比的拉胀超构材料,具有剪切模量G=0的反胀超构材料,以及高强度的超轻材料等新奇的人工超构材料.不仅如此,还结合变换力学着重描述了声波和弹性波在这类弹性力学超构材料中的传播特性,以及详细阐述了负弹性参数超构材料界面的声表面波的特征及其物理效应.最后结合弹性力学超构材料在我国的研究现状,对利用弹性力学超构材料和声波超构材料操纵弹性波和声波的传播以及开发设计新型弹性力学超构材料等问题作了总结与展望,希望推进此类材料在诸多研究领域的应用.