西南大學黃進教授和甘霖副教授團隊：負泊松比結(jié)構(gòu)三維堆積的“無門檻”免支撐3D打印

負泊松比材料為典型的力學超材料，其實質(zhì)是能通過結(jié)構(gòu)層面的設計賦予材料優(yōu)越的輕質(zhì)化高力學性能甚至突出的隔熱、隔音等功能特性。三維體形材料的負泊松比結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)凹形狀組建而成，傳統(tǒng)設計及制造技術（如冰晶模板犧牲致孔法、孔結(jié)構(gòu)發(fā)泡控制法、結(jié)構(gòu)原位調(diào)控法、中空結(jié)構(gòu)改造法等）雖然能制造負泊松比結(jié)構(gòu)，但對于內(nèi)部中空結(jié)構(gòu)的形態(tài)、尺寸及分布控制能力有限，更無法實現(xiàn)內(nèi)空負泊松比結(jié)構(gòu)的周期性陣列式構(gòu)建。3D打印技術的程序可控特點，能克服了傳統(tǒng)制造方法無法在三維空間中形成重復中空陣列的材料架構(gòu)的共性難題，能實現(xiàn)精細復雜的三維負泊松比結(jié)構(gòu)的設計和制造。然而，在現(xiàn)有的3D打印技術中，光固化技術雖然能夠?qū)崿F(xiàn)三維負泊松比結(jié)構(gòu)的快速制造，但其成形產(chǎn)品的力學性能不能滿足武器、防護裝備等應用的高強度需求，且適用材料嚴重受限。而熔融擠出成形等常規(guī)技術需要在負泊松比結(jié)構(gòu)的向下凹點部分添加額外的支撐，無法簡單實現(xiàn)具重復內(nèi)凹特征的三維負泊松比結(jié)構(gòu)的一次成形加工。

針對上述問題，西南大學化學化工學院、軟物質(zhì)材料化學與功能制造重慶市重點實驗室黃進教授和甘霖副教授團隊提出了“無門檻”免支撐3D打印重復中空三維負泊松比結(jié)構(gòu)的策略。通過二維折紙單元的三維堆積匹配構(gòu)建重復四面體框架的構(gòu)想實現(xiàn)零向下凹點的負泊松比結(jié)構(gòu)設計，建立了通用打印裝備和成型方式適用的 “無門檻”以及中空負泊松比結(jié)構(gòu)無需二次加工去支撐的“免支撐”打印技術，突破了負泊松比結(jié)構(gòu)3D打印的材料類型、成型方式、過程裝備等多條件的約束，使強韌如ABS塑料、柔韌如硅橡膠等材料都能被賦予負泊松比特性。

研究表明，結(jié)構(gòu)的泊松比在−0.8~0.4范圍內(nèi)實現(xiàn)定量調(diào)控，調(diào)控機理通過微分幾何計算和有限元分析進行了證明。并且，賦予不同材料負泊松比結(jié)構(gòu)能夠有效增強其力學性能，以熱塑性聚氨酯（TPU）、ABS塑料和硅橡膠免支撐3D打印的負泊松比結(jié)構(gòu)其比模量分別提升了79.6%、22.6%和201.4%。基于“結(jié)構(gòu)設計”、“制造技術”、“材料適配”、“仿真評價”等的系統(tǒng)研究及相互協(xié)調(diào)技術的探索，與人體工程理念方法相結(jié)合，以個性化定制鞋底為典型研究對象進行了應用示范。并且，技術應用對象可以進一步地從民用裝備拓展到軍用武器裝備，針對輕質(zhì)高性能鞋靴適形底、防彈衣用防彈插板夾層或底層、坦克等兵器的防彈防爆裝甲、無人機機翼等結(jié)構(gòu)件皆具有可靠的技術移植性和拓展性。

上述研究工作針對負泊松比結(jié)構(gòu)三維堆積體型材料的制造，成功地實現(xiàn)了周期性陣列結(jié)構(gòu)的程序控制制造、復雜中空結(jié)構(gòu)免支撐技術、降低甚至免受設備和材料限制“無門檻”的創(chuàng)新進階，可望發(fā)展成為三維負泊松比結(jié)構(gòu)控制制造的普適性策略和便捷方法，以題為“Facile and Universal Method to Obtain Negative Poisson's Ratio via Support-Free 3D Printing Tetrahedron-Framework”發(fā)表于ADVANCED ENGINEERING MATERIALS期刊（DOI：10.1002/adem.202101359），西南大學化學化工學院研究生胡歡為第一作者，西南大學化學化工學院、軟物質(zhì)材料化學與功能制造重慶市重點實驗室甘霖副教授和黃進教授為通訊作者。該成果獲得國家重點研發(fā)計劃青年科學家項目（2021YFB3702800）、重慶市高校創(chuàng)新研究群體項目（CXQT19008）、重慶英才計劃（CQYC201903243）等多個項目的資助。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202101359