负泊松比超材料凭借“受拉膨胀”的反常识行为，成为航空航天与防护工程的利器。然而，复杂微结构的失效机制与动态吸能评价的不完善，限制了其大规模应用。近年来，精密增材制造与先进仿真技术的结合，正为揭示此类材料的力学规律开辟新路径。
来自上海交通大学王亮教授团队发表的文章 “Experimental and Numerical Analysis on Mechanical Behaviors of Negative Poisson’s Ratio Metamaterials”，该研究构建了涵盖内凹、反手性及混合结构的研发框架。通过 SLM 增材制造与 DIC 监测系统的深度融合，实现了对超材料失效全过程的高精度动态捕捉，为高性能防护结构的优化设计提供了高效方案。
1. 研究背景
作为定义材料变形特征的核心参数，泊松比在多数自然材料中为正。而负泊松比超材料通过人工微结构实现了“受压收缩”的逆向力学跨越，使其在受到冲击时物质向落点自发汇聚，显著增强了局部的抗冲击与吸能潜力。
展开剩余79%图 1：3D 打印试样的单轴拉伸试验
2. 研究方法
研究团队选取了三类具有代表性的二维负泊松比结构进行深入探索：内凹蜂窝结构（Concave honeycomb）、反手性结构（Anti-chiral）以及反手性-内凹蜂窝混合结构（Hybrid）。
增材制造：采用选择性激光熔化（SLM）技术，以316L不锈钢为基材精准复现微观结构 。多维仿真：利用Abaqus软件建立二维平面应力模型，引入Johnson-Cook本构与损伤模型，模拟从准静态到高应变率冲击的全过程 。高精度测量：实验结合了数字图像相关（DIC）应变测量系统，通过像素级关联分析实时重建全场位移与变形图谱 。图 2：数值模型的示意图：（a）边界条件和（b）局部网格细节
3. 实验过程
实验分为静态与动态两部分，旨在揭示不同工况下的失效机制：
静态测试：对三类结构进行轴向拉伸，通过DIC系统监控节点处的应变集中与失效裂纹的演萌过程 。动态冲击：设置了100 s⁻¹、1000 s⁻¹ 和3000 s⁻¹ 三种不同应变率的压缩实验，模拟不同速度的冲击载荷 。参数标定：通过拉伸试验获取基体材料的弹性模量（155.6 GPa）和屈服强度（360 MPa），确保数值仿真的准确性 。图 3：凹形蜂窝结构：（a）力-位移曲线（b）泊松比-位移曲线及测试位置
4. 结果分析
研究揭示了不同结构在力学性能上的显著分化：
强度与刚度：内凹蜂窝结构（Concave）表现出最高的初始刚度与强度，是结构承载的首选 。拉胀效应对比：反手性结构（Anti-chiral）虽强度较低，但展现出最显著且稳定的负泊松比效应 。应变率敏感性：在高应变率（3000 s⁻¹）冲击下，结构表现出明显的应力波传播特征，伴随层层坍塌现象，其单位质量能量吸收（SEA）随应变率增加而提升 。图 4：三个测试结构的等效弹性模量、极限拉伸应力和最小泊松比的直方图
5. 结论
本研究系统性论证了负泊松比超材料在航空航天、能量防护等领域的巨大潜力 。实验证明，通过调整微观几何参数，可以实现对结构刚度、强度与拉胀程度的精确“定制” 。这不仅构建了从微结构设计到工程性能评价的完整链条，更为未来研制兼具轻量化与高效吸能特征的智能化防护装备提供了关键的方法论参考 。
通讯作者简介
王亮，上海交通大学
王亮，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。主要从事复合材料多尺度力学与先进数值计算等方面的研究。主持国家自然科学基金面上项目及青年项目，参与承担了美国国防部高级研究计划局、美国波音公司等资助项目；在 PNAS、AFM、Nano Energy、CMAME、IJNME、Comput. Struct.、IJMS、Compos. Part. B. 等高水平期刊发表SCI论文三十余篇；Google scholar 总引用1400余次；入选上海市海外高层次人才计划。目前的主要研究兴趣包括：先进复合材料与结构力学；跨尺度及多物理场仿真计算；数据驱动结构优化与智能计算力学；智能软物质与3D/4D打印。
CMES期刊简介
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