负泊松比结构力学特性及应用研究

随着新结构/材料的不断进步发展，具有特殊力学性能的负泊松比结构/材料应运而生。如图1所示，负泊松比结构/材料在轴向受压时侧向收缩，轴向受拉时侧向膨胀，在能量吸收、多孔渗透性、抗剪性和抗断裂性等方面均具有较好的性能，从而被广泛应用于汽车、船舶、航空航天和医疗等领域。

图1  正、负泊松比结构/材料拉伸变形示意图

如图2所示，美国密歇根大学马正东团队针对乘用车开创性地将负泊松比结构应用于汽车吸能盒、缓冲块以及非充气轮胎，相比传统的结构具有更优越的力学性能；TM cross等将其应用于鞋底，从而更好地保护运动员；Karnessis等提出的负泊松比心血管支架，更有利于支架的植入及支撑；Gabriele Imbalzano等将负泊松比结构应用于防火、防雷和防爆结构。

图2  负泊松比结构变形图及应用

常见的负泊松比结构形式如图3所示。同等质量下，双箭头形负泊松比结构具有更高的结构强度，且不易发生屈曲，从而受到广泛的关注。

图3  常见负泊松比结构形式

美国密歇根大学马正东团队，南京理工大学王良模团队，香港中文大学廖维新团队密切合作，对双箭头形负泊松比结构的力学性能和应用进行了大量的理论研究和试验验证，为工程实际应用奠定了基础，并取得了多项学术成果。其团队高强等在《中国科学：技术科学》发表封面文章："圆柱形负泊松比结构的力学特性研究"。

如图4所示，圆柱形负泊松比结构由二维结构演化而来。作者通过数值分析方法分析了结构参数对负泊松比结构在冲击工况下的变形模式，阐述了变形模式对能量吸收的影响机理。通过合理的设计，可使结构具有较低的碰撞峰值力和较高的比吸能，从而使其能够应用于汽车的吸能盒装置。研究表明，相比传统的吸能装置，圆柱形负泊松比结构具有更优越的能量吸收特性，是一种具有广阔应用前景的新结构。

图4  圆柱形负泊松比结构变形图及应用