【原】北工大：通過屈曲失穩(wěn)調控實現單向零泊松比超材料，模量提升兩個數量級

復合材料力學 2025-10-20 發(fā)布于陜西

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在超材料研究領域，對泊松比進行精確調控是一個持續(xù)的熱點。盡管科學家們已設計出各種結構來實現負泊松比甚至可切換的泊松比，但在實現高度方向性選擇性的泊松比行為方面，尤其是一種類似于“機械二極管”的、僅在特定加載方向下才呈現零泊松比的特性，仍存在顯著的設計挑戰(zhàn)。傳統材料的彈性矩陣具有對稱性，導致其拉壓模量對稱且泊松比在不同方向上通常保持一致，這限制了其在需要非對稱力學響應場景中的應用。

針對這一問題，北京工業(yè)大學的研究團隊在Acta Mechanica Sinica上發(fā)表了一篇研究成果，該研究提出了一種新穎的設計策略，通過屈曲失穩(wěn)來可控地切換超材料的變形模式。論文標題為”Buckling-induced metamaterials with one-way zero Poisson’s ratio”。

該研究團隊提出了兩種創(chuàng)新的超材料設計（設計A和設計B），其核心策略在于巧妙結合了經典蜂窩結構與重入結構的特征，并引入了經過精心設計的、對屈曲敏感的傾斜梁構件。如圖1（a）和（b）所示，兩種設計的主要區(qū)別在于彎曲梁與傾斜梁的相對位置。如表1所列，這些梁的關鍵幾何參數（如厚度t）被精確計算，以實現在特定載荷下（拉伸或壓縮）傾斜梁發(fā)生屈曲或保持穩(wěn)定，從而引發(fā)整個結構變形模式的切換。

表1 設計A和設計B的幾何參數

文章通過詳細的能量法理論分析，推導了實現零泊松比所需滿足的臨界條件，闡明了當傾斜梁處于拉伸狀態(tài)（未屈曲）時，能夠有效約束晶格的橫向變形，從而使泊松比降為零；而當其承受壓力發(fā)生屈曲時，則失去承載能力，結構表現出類似蜂窩（正泊松比）或重入（負泊松比）的變形行為。

研究結果通過有限元模擬和實驗測試得到了充分驗證。設計A在x方向受壓時泊松比接近零，而在受拉時則呈現明顯的正泊松比；設計B則表現出相反的趨勢，在x方向受拉時泊松比為零，受壓時則為負值。這種“單向零泊松比”效應歸因于傾斜梁屈曲狀態(tài)觸發(fā)變形模式轉變。更引人注目的是，由于屈曲前后傾斜梁的剛度對比極其顯著，該超材料在拉伸和壓縮下的等效彈性模量表現出高度不對稱性。如圖5所示，拉壓模量比（Ec/Et）在x方向達到了驚人的35-40倍，在y方向甚至超過50倍，遠高于文獻中報道的其他類似超材料。此外，該研究實現的等效模量高達52 MPa，其與材料本身模量E0的比值達到0.029，相較于傳統零泊松比結構通常的1.2-12.3 MPa（比值約9.6×10??至1.8×10?3），提升了兩個數量級。這種不對稱性直接違背了經典彈性理論中彈性矩陣的對稱性（即Exνyx = Eyνxy），為波導、濾波等應用開辟了新途徑。

在應用拓展方面，該研究展示了兩個富有創(chuàng)造性的案例。首先，通過將設計A和設計B的單元組合，構建出一種在y方向拉伸和壓縮下均能保持近乎零泊松比的新型超材料，同時兼具高剛度優(yōu)勢，適用于航空航天中對形狀穩(wěn)定性和剛度有苛刻要求的部件。其次，利用設計A和設計B單元在拉壓下模量的顯著差異，構建了一種具有高度不對稱彎曲剛度的超材料梁。該梁在向下彎曲（設計A受拉、設計B受壓）時的剛度是向上彎曲（設計A受壓、設計B受拉）時的42倍，這種巨大的剛度對比使其在可展開結構、軟體機器人等領域具有巨大潛力。

該研究的結論部分總結道，這項工作設計并驗證了具有單向零泊松比效應的超材料，其核心機制在于通過加載方向控制內部傾斜梁的“屈曲”與“未屈曲”狀態(tài)，進而切換整體結構的變形模式。高剛度對比導致了拉壓模量的顯著不對稱性。通過組合兩種基本單元，文章進一步展示了在雙零泊松比和高不對稱彎曲剛度方面的應用潛力。該研究不僅深化了對非對稱彈性行為的理解，也為設計具有可編程力學性能的先進超材料提供了新的思路和策略，在醫(yī)療設備、汽車制造和航空航天等領域具有廣闊的應用前景。