西南大学：负泊松比结构三维堆积的“无门槛”免支撑3D打印

颗粒在线讯：负泊松比材料为典型的力学超材料，其实质是能通过结构层面的设计赋予材料优越的轻质化高力学性能甚至突出的隔热、隔音等功能特性。三维体形材料的负泊松比结构主要由内凹形状组建而成，传统设计及制造技术（如冰晶模板牺牲致孔法、孔结构发泡控制法、结构原位调控法、中空结构改造法等）虽然能制造负泊松比结构，但对于内部中空结构的形态、尺寸及分布控制能力有限，更无法实现内空负泊松比结构的周期性阵列式构建。3D打印技术的程序可控特点，能克服了传统制造方法无法在三维空间中形成重复中空阵列的材料架构的共性难题，能实现精细复杂的三维负泊松比结构的设计和制造。然而，在现有的3D打印技术中，光固化技术虽然能够实现三维负泊松比结构的快速制造，但其成形产品的力学性能不能满足武器、防护装备等应用的高强度需求，且适用材料严重受限。而熔融挤出成形等常规技术需要在负泊松比结构的向下凹点部分添加额外的支撑，无法简单实现具重复内凹特征的三维负泊松比结构的一次成形加工。

针对上述问题，西南大学化学化工学院、软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室黄进教授和甘霖副教授团队提出了“无门槛”免支撑3D打印重复中空三维负泊松比结构的策略。通过二维折纸单元的三维堆积匹配构建重复四面体框架的构想实现零向下凹点的负泊松比结构设计，建立了通用打印装备和成型方式适用的 “无门槛”以及中空负泊松比结构无需二次加工去支撑的“免支撑”打印技术，突破了负泊松比结构3D打印的材料类型、成型方式、过程装备等多条件的约束，使强韧如ABS塑料、柔韧如硅橡胶等材料都能被赋予负泊松比特性。

研究表明，结构的泊松比在−0.8~0.4范围内实现定量调控，调控机理通过微分几何计算和有限元分析进行了证明。并且，赋予不同材料负泊松比结构能够有效增强其力学性能，以热塑性聚氨酯（TPU）、ABS塑料和硅橡胶免支撑3D打印的负泊松比结构其比模量分别提升了79.6%、22.6%和201.4%。基于“结构设计”、“制造技术”、“材料适配”、“仿真评价”等的系统研究及相互协调技术的探索，与人体工程理念方法相结合，以个性化定制鞋底为典型研究对象进行了应用示范。并且，技术应用对象可以进一步地从民用装备拓展到军用武器装备，针对轻质高性能鞋靴适形底、防弹衣用防弹插板夹层或底层、坦克等兵器的防弹防爆装甲、无人机机翼等结构件皆具有可靠的技术移植性和拓展性。

上述研究工作针对负泊松比结构三维堆积体型材料的制造，成功地实现了周期性阵列结构的程序控制制造、复杂中空结构免支撑技术、降低甚至免受设备和材料限制“无门槛”的创新进阶，可望发展成为三维负泊松比结构控制制造的普适性策略和便捷方法，以题为“Facile and Universal Method to Obtain Negative Poisson's Ratio via Support-Free 3D Printing Tetrahedron-Framework”发表于ADVANCED ENGINEERING MATERIALS期刊（DOI：10.1002/adem.202101359），西南大学化学化工学院研究生胡欢为第一作者，西南大学化学化工学院、软物质材料化学与功能制造重庆市重点实验室甘霖副教授和黄进教授为通讯作者。该成果获得国家重点研发计划青年科学家项目（2021YFB3702800）、重庆市高校创新研究群体项目（CXQT19008）、重庆英才计划（CQYC201903243）等多个项目的资助。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adem.202101359