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化柔为刚：拉胀超构材料新设计方法
doi: 10.1088/2631-7990/ace668
作者简介:
李响，南京理工大学理学院，副教授。博士毕业于北京航空航天大学固体力学专业，后受聘于香港城市大学深圳研究院从事博士后研究。主持国家自然科学基金青年项目，参与重点研发计划青年项目等科研项目。主要从事力学超材料的设计、制备及表征等方面的研究。发表SCI收录论文20余篇，论文被引1400余次，H因子16。任《应用力学学报》期刊青年编委。
吴文旺，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院，副教授，博士生导师。先后在中国科学技术大学、清华大学以及瑞士洛桑联邦理工大学获学士、硕士及博士学位。主持国家自然科学基金面上项目和青年项目等国家级科研项目。在《Progress in Materials Science》、《J. Mech. Phys. Solid》等国际期刊发表SCI论文100余篇。其中，第一和通讯作者发表SCI论文70余篇；SCI论文引用2000余次。
熊健，哈尔滨工业大学教授，博士生导师，国家级重点实验室副主任。主持国家自然科学基金面上基金、国际(地区)合作项目、青年基金和应急项目、教育部博士点基金和产学研合作等十余项课题。以第一作者/通讯作者在《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》、《Advanced Materials》、《Acta Materialia》、《Composites Science and Technology》《International Journal of Solids and Structures》等复合材料结构、固体力学等领域重要期刊发表学术论文80余篇。现任《南京航空航天大学学报》(英文版)，《应用力学学报》，《哈尔滨工程大学学报》等期刊青年编委。
陆洋，香港大学机械工程系教授，博士生导师。主要从事微纳米力学、原位电镜及微纳制造研究，特别是对于低维材料的力学行为及其尺度效应的探索，促进其在微机械/机电系统以及力学超材料等实际应用。以第一或通讯作者在《Science》、《Nature Nanotechnology》、《Nature Materials》、《Science Advances》、《Nature Communications》等学术刊物发表文章150余篇，并担任《Materials Today》、《Acta Mechanica Sinica》、《中国科学: 技术科学》等学术期刊的编辑。
- 刊出日期: 2023-10-16
摘要:
综述 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
拉胀材料是一类具有负泊松比效应的机械超材料，其在轴向拉伸时横向发生膨胀变形。拉胀材料具有优异的断裂韧性、高抗冲击吸能、以及弯曲变形双曲率特征等独特的力学性能和变形特性，在航空航天、生物医学、电子设备，以及生活用品等领域具有广泛的应用前景。传统的拉胀机械超材料通常表现出相对较低的轴向刚度和强度，展示出柔性材料的力学属性。近年来，研究人员开始关注新型轻质高强拉胀机械超材料的力学设计、制备方法及工业应用。近期，南京理工大学李响副教授与上海交通大学吴文旺副教授、哈尔滨工业大学熊健教授以及香港大学陆洋教授合作在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《化柔为刚：拉胀超构材料新设计方法》的综述，系统介绍了柔性以及刚性拉胀超材料的力学设计方法及其应用。柔性拉胀机械超材料可采用柔性基材、层级设计、纺织设计、以曲代直等力学设计方法；刚性拉胀机械超材料可采用刚性基材、层级设计、复合结构设计以及复合胞壁等设计方法。基于其力学特性，柔性拉胀材料可用于服饰、生物医学设备、智能脚手架、可拉伸电子产品、隔音材料和智能执行器。相比之下，刚性拉胀材料可以用于具有刚性性能的医疗植入设备、防弹、防爆材料、航空航天和军事装备中的高性能多功能复合结构中。文章分别对柔性和刚性拉胀机械超材料的多功能应用进行阐述。图1展示了柔性、刚性拉胀机械超材料的力学设计方法及其工程典型应用。
亮点：
● 分类总结了柔性和刚性拉胀机械超材料的力学设计方法。
● 分类总结了柔性和刚性拉胀机械超材料的工业应用。
● 分析了柔性和刚性拉胀机械超材料未来的研究方向，制造和应用方面面临的挑战。
图1 柔性、刚性拉胀机械超材料的力学设计方法及工程应用。
2. 研究背景
近年来，拉胀机械超材料逐渐成为机械超材料领域的研究热点。经过众多学者近几十年的努力，拉胀机械超材料的结构设计、理论分析以及实验制备技术和工艺等都取得极大进步。拉胀机械超材料亦凭借其优异的力学性能，在航空航天、生物医学、电子设备，以及日常生活等领域有着广阔的应用前景。天然的拉胀材料既有柔性大变形皮肤生物材料，也有高刚性α-方石英矿物晶体材料。人工设计的拉胀材料的刚度和变形能力，亦可以在更大的值范围内分布，进而突破刚度和变形能力之间的典型性能矛盾。据此，南京理工大学李响副教授等人分别对柔性和刚性拉胀机械超材料的力学设计方法和典型工业应用进行归纳总结，比较了几种常用的力学设计方法的优点和物理原理，并分析了拉胀机械超材料未来研究方向和发展趋势，为柔性以及刚性拉胀机械超材料的力学设计和工业应用提供了理论支撑。
3.最新进展
拉胀机械超材料的力学性能很大程度上取决于其拓扑结构特征和变形机制。常见的拉胀机械超材料的拓扑构型主要分为内凹、刚性（半刚性）旋转及其手性三种典型构型，并展示出不同的拉胀变形机制。
（1）柔性拉胀机械超材料力学设计方法 可以分别采用柔性母材、层级设计、纺织设计以及非直线异型结构组元4种简单高效的柔性拉胀机械超材料力学设计方法。
橡胶、PDMS等软材料本身具有较大的柔性，利用这些柔性母材制备的拉胀机械超材料通常可以实现可定制、可编程的柔性变形力学性能（图2a）。层级设计可以扩展超材料的力学性能调控范围，拉胀结构通过层级设计不仅可以实现倍增的变形能力，还可以提升超材料的负泊松比特性调控范围，甚至可以通过结构相变等机制实现正泊松比和负泊松比特征的定制化切换（图2b）。大多数柔性层级拉胀机械超材料是基于刚性（半刚性）旋转结构组元构建的，显著提升了基本拉胀机械超材料的结构变形能力。人们穿的衣物大都是利用放置技术制备的，且具有较高的柔性变形行为。图2c展示的是基于横机编织工艺制造的二维柔性拉胀织物，可见纺织设计也是制造柔性拉胀材料的有效方法之一。另一种较为有效的柔性拉胀机械超材料设计方法为以曲代直，将经典直线型结构组元替换为弯曲结构组元可提升其变形能力和力学性能可设计性（图2d）。
图2 柔性拉胀机械超材料的典型力学设计方法。
（2）刚性拉胀机械超材料力学设计方法 可以分别采用刚性母材、层级设计、复合结构设计以及复合胞壁等四种典型的刚性拉胀机械超材料力学设计方法。
使用刚性母材构建的拉胀机械超材料将产生更高的刚度和强度。图3a展示了由AlSi10Mg制备的拉胀机械超材料，其杨氏模量高达2 GPa。拉胀机械超材料的层级设计也可以显著提升原有结构的比模量和比强度。通常，具有刚性行为的多级拉胀机械超材料是基于内凹胞元构型实现的（图3b）。一方面，这种内凹负泊松比结构的层级设计增加了结构中的连接节点，降低了自由度；另一方面，子级结构改变了拉胀超材料整体结构的应力分布状态，使整体拉胀超材料表现出更高的刚度。通常情况下，拉胀复合机械超材料的增强相和基体相中至少有一种是负泊松比超材料，另一种是普通正泊松比超材料或者也是负泊松比超材料。两者结合后两种性能互补的机械超材料的变形机制相互协同促进，使得机械超材料整体内部应力重新分配，从而提高其刚度、强度、能量吸收等力学性能（图3c）。研究人员通过在拉胀机械超材料中构筑复合胞壁，设计出系列新型刚性拉胀机械超材料（图3d）。通过在拉胀机械超材料中添加额外杆件结构组元，不仅能够提高拉胀机械超材料的比刚度和比强度，还增强其能量吸收能力，并保持原有的多孔和轻质特性。
图3 刚性拉胀超材料设计方法。
（3）柔性和刚性拉胀机械超材料的工业应用 柔性拉胀材料表现的低模量、大变形等力学性能使其在服装、生物医疗、电子设备等领域均有较好的应用前景，例如，图4a基于柔性拉胀材料的鞋子可与脚部更加贴合，穿起来更加舒适。由曲杆组成的柔性拉胀材料可表现出非线性力学性能，在拉伸载荷条件下可产生J形应力-应变曲线。其泊松比和应力-应变曲线可与人类皮肤完全吻合，可用于皮肤电生理传感器（图4b）。
刚性拉胀材料具有较高的刚度和强度性能，且可保持多孔、轻质等多功能特性，为工程实际中高性能多功能轻质多孔材料的需求提供了可选材料。例如，图4c所示的拉胀接骨螺钉，与传统螺钉相比其钉入后更加难以拔出，具有更好的链接效果。图4d所示的拉胀材料与传统材料相结合的植入物，在保持良好的力学性能的同时兼顾变形特性，可更好的贴合变形和承载的需求。除此之外，刚性拉胀材料还可用于航空航天以及军事等方面，比如拉胀子弹可在射出时减少子弹与管壁的摩擦，且击中目标后更容易穿透目标等特性。
图4 柔性及刚性拉胀超材料应用。
4. 未来展望
拉胀材料的优异力学性能和可设计性，使其可以满足未来工程苛刻的、多功能的要求，因此，对拉胀材料仍需进行更多的研究工作。首先是柔性或刚性拉胀材料的实际应用方面。许多具备优秀力学性能的拉胀材料未能够应用于实际工程。而且，断裂韧性和疲劳是实际应用中重要的力学性能，未来的研究应更多集中在拉胀材料的断裂韧性和疲劳上。其次是设计具有极端或多功能性的2D和3D拉胀材料。研究具备多功能（如声学、热学、电子等特性）的拉胀材料，能够更好的满足未来工程材料性能的需求。最后，对制造技术的研究也应该得到更多的重视，例如，开发高精度和低成本的多尺度快速3D技术可为复杂超材料的制备提供坚实有力的技术支撑。
English Abstract
化柔为刚：拉胀超构材料新设计方法
- Publish Date: 2023-10-16
Abstract:
综述 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
拉胀材料是一类具有负泊松比效应的机械超材料，其在轴向拉伸时横向发生膨胀变形。拉胀材料具有优异的断裂韧性、高抗冲击吸能、以及弯曲变形双曲率特征等独特的力学性能和变形特性，在航空航天、生物医学、电子设备，以及生活用品等领域具有广泛的应用前景。传统的拉胀机械超材料通常表现出相对较低的轴向刚度和强度，展示出柔性材料的力学属性。近年来，研究人员开始关注新型轻质高强拉胀机械超材料的力学设计、制备方法及工业应用。近期，南京理工大学李响副教授与上海交通大学吴文旺副教授、哈尔滨工业大学熊健教授以及香港大学陆洋教授合作在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《化柔为刚：拉胀超构材料新设计方法》的综述，系统介绍了柔性以及刚性拉胀超材料的力学设计方法及其应用。柔性拉胀机械超材料可采用柔性基材、层级设计、纺织设计、以曲代直等力学设计方法；刚性拉胀机械超材料可采用刚性基材、层级设计、复合结构设计以及复合胞壁等设计方法。基于其力学特性，柔性拉胀材料可用于服饰、生物医学设备、智能脚手架、可拉伸电子产品、隔音材料和智能执行器。相比之下，刚性拉胀材料可以用于具有刚性性能的医疗植入设备、防弹、防爆材料、航空航天和军事装备中的高性能多功能复合结构中。文章分别对柔性和刚性拉胀机械超材料的多功能应用进行阐述。图1展示了柔性、刚性拉胀机械超材料的力学设计方法及其工程典型应用。
亮点：
● 分类总结了柔性和刚性拉胀机械超材料的力学设计方法。
● 分类总结了柔性和刚性拉胀机械超材料的工业应用。
● 分析了柔性和刚性拉胀机械超材料未来的研究方向，制造和应用方面面临的挑战。
图1 柔性、刚性拉胀机械超材料的力学设计方法及工程应用。
2. 研究背景
近年来，拉胀机械超材料逐渐成为机械超材料领域的研究热点。经过众多学者近几十年的努力，拉胀机械超材料的结构设计、理论分析以及实验制备技术和工艺等都取得极大进步。拉胀机械超材料亦凭借其优异的力学性能，在航空航天、生物医学、电子设备，以及日常生活等领域有着广阔的应用前景。天然的拉胀材料既有柔性大变形皮肤生物材料，也有高刚性α-方石英矿物晶体材料。人工设计的拉胀材料的刚度和变形能力，亦可以在更大的值范围内分布，进而突破刚度和变形能力之间的典型性能矛盾。据此，南京理工大学李响副教授等人分别对柔性和刚性拉胀机械超材料的力学设计方法和典型工业应用进行归纳总结，比较了几种常用的力学设计方法的优点和物理原理，并分析了拉胀机械超材料未来研究方向和发展趋势，为柔性以及刚性拉胀机械超材料的力学设计和工业应用提供了理论支撑。
3.最新进展
拉胀机械超材料的力学性能很大程度上取决于其拓扑结构特征和变形机制。常见的拉胀机械超材料的拓扑构型主要分为内凹、刚性（半刚性）旋转及其手性三种典型构型，并展示出不同的拉胀变形机制。
（1）柔性拉胀机械超材料力学设计方法 可以分别采用柔性母材、层级设计、纺织设计以及非直线异型结构组元4种简单高效的柔性拉胀机械超材料力学设计方法。
橡胶、PDMS等软材料本身具有较大的柔性，利用这些柔性母材制备的拉胀机械超材料通常可以实现可定制、可编程的柔性变形力学性能（图2a）。层级设计可以扩展超材料的力学性能调控范围，拉胀结构通过层级设计不仅可以实现倍增的变形能力，还可以提升超材料的负泊松比特性调控范围，甚至可以通过结构相变等机制实现正泊松比和负泊松比特征的定制化切换（图2b）。大多数柔性层级拉胀机械超材料是基于刚性（半刚性）旋转结构组元构建的，显著提升了基本拉胀机械超材料的结构变形能力。人们穿的衣物大都是利用放置技术制备的，且具有较高的柔性变形行为。图2c展示的是基于横机编织工艺制造的二维柔性拉胀织物，可见纺织设计也是制造柔性拉胀材料的有效方法之一。另一种较为有效的柔性拉胀机械超材料设计方法为以曲代直，将经典直线型结构组元替换为弯曲结构组元可提升其变形能力和力学性能可设计性（图2d）。
图2 柔性拉胀机械超材料的典型力学设计方法。
（2）刚性拉胀机械超材料力学设计方法 可以分别采用刚性母材、层级设计、复合结构设计以及复合胞壁等四种典型的刚性拉胀机械超材料力学设计方法。
使用刚性母材构建的拉胀机械超材料将产生更高的刚度和强度。图3a展示了由AlSi10Mg制备的拉胀机械超材料，其杨氏模量高达2 GPa。拉胀机械超材料的层级设计也可以显著提升原有结构的比模量和比强度。通常，具有刚性行为的多级拉胀机械超材料是基于内凹胞元构型实现的（图3b）。一方面，这种内凹负泊松比结构的层级设计增加了结构中的连接节点，降低了自由度；另一方面，子级结构改变了拉胀超材料整体结构的应力分布状态，使整体拉胀超材料表现出更高的刚度。通常情况下，拉胀复合机械超材料的增强相和基体相中至少有一种是负泊松比超材料，另一种是普通正泊松比超材料或者也是负泊松比超材料。两者结合后两种性能互补的机械超材料的变形机制相互协同促进，使得机械超材料整体内部应力重新分配，从而提高其刚度、强度、能量吸收等力学性能（图3c）。研究人员通过在拉胀机械超材料中构筑复合胞壁，设计出系列新型刚性拉胀机械超材料（图3d）。通过在拉胀机械超材料中添加额外杆件结构组元，不仅能够提高拉胀机械超材料的比刚度和比强度，还增强其能量吸收能力，并保持原有的多孔和轻质特性。
图3 刚性拉胀超材料设计方法。
（3）柔性和刚性拉胀机械超材料的工业应用 柔性拉胀材料表现的低模量、大变形等力学性能使其在服装、生物医疗、电子设备等领域均有较好的应用前景，例如，图4a基于柔性拉胀材料的鞋子可与脚部更加贴合，穿起来更加舒适。由曲杆组成的柔性拉胀材料可表现出非线性力学性能，在拉伸载荷条件下可产生J形应力-应变曲线。其泊松比和应力-应变曲线可与人类皮肤完全吻合，可用于皮肤电生理传感器（图4b）。
刚性拉胀材料具有较高的刚度和强度性能，且可保持多孔、轻质等多功能特性，为工程实际中高性能多功能轻质多孔材料的需求提供了可选材料。例如，图4c所示的拉胀接骨螺钉，与传统螺钉相比其钉入后更加难以拔出，具有更好的链接效果。图4d所示的拉胀材料与传统材料相结合的植入物，在保持良好的力学性能的同时兼顾变形特性，可更好的贴合变形和承载的需求。除此之外，刚性拉胀材料还可用于航空航天以及军事等方面，比如拉胀子弹可在射出时减少子弹与管壁的摩擦，且击中目标后更容易穿透目标等特性。
图4 柔性及刚性拉胀超材料应用。
4. 未来展望
拉胀材料的优异力学性能和可设计性，使其可以满足未来工程苛刻的、多功能的要求，因此，对拉胀材料仍需进行更多的研究工作。首先是柔性或刚性拉胀材料的实际应用方面。许多具备优秀力学性能的拉胀材料未能够应用于实际工程。而且，断裂韧性和疲劳是实际应用中重要的力学性能，未来的研究应更多集中在拉胀材料的断裂韧性和疲劳上。其次是设计具有极端或多功能性的2D和3D拉胀材料。研究具备多功能（如声学、热学、电子等特性）的拉胀材料，能够更好的满足未来工程材料性能的需求。最后，对制造技术的研究也应该得到更多的重视，例如，开发高精度和低成本的多尺度快速3D技术可为复杂超材料的制备提供坚实有力的技术支撑。
| 引用本文: |
Li X, Peng W T, Wu W W, Xiong J, Lu Y. 2023. Auxetic mechanical metamaterials: from soft to stiff. Int. J. Extrem. Manuf. 5 042003.
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| Citation: |
Li X, Peng W T, Wu W W, Xiong J, Lu Y. 2023. Auxetic mechanical metamaterials: from soft to stiff. Int. J. Extrem. Manuf. 5 042003.
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