哈工大冷勁松教授團隊：力學性能可調節、可編程的拉脹超材料

2020-10-11 科轉雲

拉脹力學超材料（即負泊松比材料）在受到軸向拉伸時會產生橫向擴張，並表現出優異的力學性能，如抗剪切、耐壓縮和抗衝擊等性能，在航空航天、生物醫療等領域有著廣闊的應用前景。超材料的宏觀力學屬性受控於組成微結構的拓撲結構，這意味超材料在製備後力學性能固定，缺乏自適應能力。


針對以上問題，哈爾濱工業大學冷勁松教授課題組近日在《Adv. Funct. Mater.》上發表題為「4D Printing AuxeticMetamaterials with Tunable, Programmable, and Reconfigurable MechanicalProperties」的文章。


受生物組織捲曲、纏繞狀的膠原纖維啟發，將波浪狀韌帶引入手性結構中並結合4D列印技術，設計製備了具有力學性能（非線性應力-應變行為、泊松比）可調節、可編程和可重構的拉脹力學超材料。超材料的微結構由波浪狀韌帶和圓環節點組成，具備旋轉對稱特性。根據圍繞在每個節點的韌帶數量可以分為六韌帶（圖1a,b）和四韌帶（圖1c,d）結構。微結構的幾何參數（ω/l1, l2/l1,R0/l1, t2/l1, t1/l1和2θ (2α)）決定了超材料的宏觀力學屬性。此外，幾何參數的多樣性為調節、定製超材料的宏觀力學行為創造了機會。建立了幾何參數與宏觀力學屬性之間的關係，揭示了超材料的變形機理，實現了對非線性應力-應變關係和泊松比的調控。力學性能和變形之間的定量關係實現了超材料的可編程性和可重構性，提高了力學超材料的設計自由度和自適應能力。

圖1 設計的具有波浪狀韌帶的拉脹超材料


超材料的非線性力學行為具備匹配多種生物組織/器官的能力，並實現了具有一種幾何參數的超材料的非線性力學行為在兩種生物材料之間進行相互轉換（圖2）。文中還演示了該材料在柔性電子及力學/構型均可個性化定製的醫療器械中的應用前景（圖3）。

圖2 超材料的仿生特性。組織/器官的σ-λ曲線

圖3 超材料在醫療器械和柔性電子中的應用

論文的第一作者為哈爾濱工業大學博士生辛曉洲，哈爾濱工業大學冷勁松教授和劉立武教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學基金的大力支持。

冷勁松教授團隊長期從事於智能結構力學及其應用研究，其中包括形狀記憶聚合物等（Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1906569；Compos. Sci. Technol. 2019, 107866; Mech. Mater.,2020, 148, 103518; Mech. Mater.,2019, 103263; Mech. Mater., 2014, 72, 46-60；Sci. China Technol. Sc.,2020，63(8), 1436–1451；Compos. Part B-Eng.,2020,193,108056; Compos. Part B-Eng.,2020, 194, 108034; Smart Mater. Strnct.,2019,28, 075023;）

論文連結：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202004226

參考文獻

[1]S. S. Sheiko, A. V. Dobrynin, Macromolecules2019, 52, 7531

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