哈工大冷劲松教授团队Adv. Funct. Mater.:力学性能可调节、可编程的拉胀超材料

拉胀力学超材料（即负泊松比材料）在受到轴向拉伸时会产生横向扩张，并表现出优异的力学性能，如抗剪切、耐压缩和抗冲击等性能，在航空航天、生物医疗等领域有着广阔的应用前景。超材料的宏观力学属性受控于组成微结构的拓扑结构，这意味超材料在制备后力学性能固定，缺乏自适应能力。

针对以上问题，哈尔滨工业大学冷劲松教授课题组近日在《Adv. Funct. Mater.》上发表题为“4D Printing Auxetic Metamaterials with Tunable, Programmable, and Reconfigurable Mechanical Properties”的文章。

受生物组织卷曲、缠绕状的胶原纤维启发，将波浪状韧带引入手性结构中并结合4D打印技术，设计制备了具有力学性能（非线性应力-应变行为、泊松比）可调节、可编程和可重构的拉胀力学超材料。超材料的微结构由波浪状韧带和圆环节点组成，具备旋转对称特性。根据围绕在每个节点的韧带数量可以分为六韧带（图1a,b）和四韧带（图1c,d）结构。微结构的几何参数（ω/l₁,l₂/l₁,R₀/l₁,t₂/l₁,t₁/l₁和2θ(2α)）决定了超材料的宏观力学属性。此外，几何参数的多样性为调节、定制超材料的宏观力学行为创造了机会。建立了几何参数与宏观力学属性之间的关系，揭示了超材料的变形机理，实现了对非线性应力-应变关系和泊松比的调控。力学性能和变形之间的定量关系实现了超材料的可编程性和可重构性，提高了力学超材料的设计自由度和自适应能力。

图1 设计的具有波浪状韧带的拉胀超材料

超材料的非线性力学行为具备匹配多种生物组织/器官的能力，并实现了具有一种几何参数的超材料的非线性力学行为在两种生物材料之间进行相互转换（图2）。文中还演示了该材料在柔性电子及力学/构型均可个性化定制的医疗器械中的应用前景（图3）。

图2 超材料的仿生特性。组织/器官的σ-λ曲线来源于参考文献[1]

图3 超材料在医疗器械和柔性电子中的应用

论文的第一作者为哈尔滨工业大学博士生辛晓洲，哈尔滨工业大学冷劲松教授和刘立武教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金的大力支持。

冷劲松教授团队长期从事于智能结构力学及其应用研究，其中包括形状记忆聚合物等（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;）

论文链接：

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

参考文献

[1] S. S. Sheiko, A. V. Dobrynin, Macromolecules 2019, 52, 7531

本文由作者团队供稿。