拉伸反變寬！中國地質大學新型負泊松比材料問世

近日，中國地質大學珠寶學院“寶石礦物材料與設計智造”研究生導學團隊在《材料與設計》上發表研究成果，并入選當期封面。論文題目為《具有可調機械響應的三維手性負泊松比結構的設計原理及旋轉變形力學機制研究》。封面展示了三維手性負泊松比結構及其在穿戴防護領域的應用。

259期《材料與設計》封面。中國地質大學供圖

隨著智能手表、健康手環等可穿戴設備的普及，人們對穿戴材料的輕量化、高韌性和人體貼合性提出了更高要求。負泊松比材料正是一種“反常識”材料：縱向拉伸時橫向膨脹，縱向壓縮時橫向收縮，展現出獨特的力學行為，適用于復雜曲面貼合與能量吸收等場景。然而，傳統三維負泊松比結構存在制造難度大、性能調控困難等問題。

針對上述挑戰，該研究團隊通過優化原有結構變形的機制，實現了機械性能的可控調節，創新設計三維手性負泊松比結構，為柔性可穿戴提供了新的解決方案。該研究基于二維交錯肋架構，設計出三維手性負泊松比結構：交錯肋結構（F-NPR）、曲面優化結構（W-NPR）和節點優化結構（N-NPR），并采用數字光處理技術DLP（Digital Light Processing, DLP）實現高精度制造，打通了從數字模型到實際產品的關鍵環節。

結果表明，N-NPR結構展現出優異的可成形性，尤其適用于成形精度較高的數字光處理增材制造工藝。

通過有限元模擬與實驗驗證，研究系統探討了桿徑尺寸與單元尺寸對其結構力學性能的影響。結果表明，通過調節體積分數，可精準調控該結構的壓縮/拉伸強度、泊松比及能量吸收能力。該結構在壓縮與拉伸過程中均表現出顯著的負泊松比效應，并在壓縮載荷下呈現出獨特的兩段式旋轉－扭轉變形機制，極大拓展了材料設計的自由度。

該研究提出的N-NPR結構具備可控的變形能力與優異的能量吸收特性，因而在抗沖擊、穿戴舒適度及貼合度等方面表現突出。該結構不僅適用于智能穿戴設備，也為航空航天、生物醫療等領域帶來新的設計思路，進一步推動了“藝術與科技融合”的學科交叉。未來，該團隊將進一步引入人工智能，開發更舒適、功能更集成的柔性可穿戴設備。

相關論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114784