新型3D打印负泊松比超材料，能量吸收能力是固体PLA的三倍
时间：2025-11-06 09:29 来源：南极熊 作者：admin 阅读：次
2025年11月5日，来自伊朗科技大学的研究人员利用聚乳酸（PLA）开发了四种混合拉胀超材料结构，在压缩条件下实现了高达6024 J/kg的比能量吸收（SEA）。
相关研究以题为“Study of novel 3D-Printed auxeticmetamaterial structures under compressive loading: design, simulation, andexperiment”的论文发表在《科学报告》（Scientific Reports）上，结合了蜂窝状、立方状和四手性单元结构，以增强能量吸收，适用于碰撞保护和生物医学设备等轻量化应用。
△使用 Creality K1 FDM 3D 打印机制造的 3D 打印混合超材料样品（从左到右：HTC、HC、TC、HT）。图片来自 Scientific Reports / Shahmorad 等人 (2025)。
结合成熟设计，实现更高性能
超材料作为人工设计的多孔结构，其特性与天然材料截然不同。它们由重复单元构成，超材料的整体性能显著受这些单元排列方式的影响。研究团队根据之前的研究选择了三种晶胞，这些晶胞显示出很强的压缩性能和负泊松比特性。他们没有发明新的晶胞几何形状，而是将性能最佳的现有晶胞组合成四种混合结构：蜂窝-立方（HC）、蜂窝-四手性（HT）、四手性-立方（TC）和蜂窝-四手性-立方（HTC）。
每个设计均使用 CATIA 建模，并在Creality K1 3D 打印机上进行制造。零件采用 PLA 材料，在 180 °C 下打印，层厚 0.2 mm，填充率 100%，打印速度 20 mm/s。压缩试验按照 ASTM D695 标准在 Santam STM-400 试验机上进行，而有限元模拟则在 Abaqus/Explicit 2018 中进行。
△力-位移曲线表明，与其他混合设计和实心PLA相比，HT结构具有更优异的能量吸收性能。图片来自Scientific Reports /Shahmorad等人（2025）。
HT结构使固态PLA的能量吸收能力提高了三倍
蜂窝状四手性（HT）结构实现了最高的能量吸收率，达到6024 J/kg，约为固体PLA（1810J/kg）的三倍。性能次之的是HTC，能量吸收率为4756 J/kg，HC为3374 J/kg，TC为2101 J/kg。尽管所有混合结构比固体对照组轻约50%，但它们吸收的能量却显著更高，这凸显了结合负泊松比和手性几何结构的有效性。
为什么拉胀晶格在压缩下表现出色
由于HT构型在压缩曲线中具有更长的平台区，因此性能优于其他构型，使其能够在更大的变形范围内持续吸收能量。相比之下，TC样品虽然峰值应力更高，但平台区却短得多，这限制了整体比能量吸收能力。
所有结构的泊松比均为负值，介于-1.0和-1.7之间，证实了它们的负泊松比特性。HC结构的泊松比最低，为-1.7，而HTC结构则在适中的负泊松比特性和更均匀的层间形变之间取得了平衡。
模拟和现实世界的失效模式
数值模拟结果高精度地重现了实验压缩行为。研究报告了几种不同的失效机制，包括单元坍塌、蜂窝角部开裂和层间滑动，这些在TC结构中尤为明显。未发生分层现象，表明打印质量优异。作者指出，模拟结果与实验结果之间的微小差异主要是由于模型中使用了完全约束的边界条件，而这种条件无法模拟实际应用中的轻微运动。
△HT、HC、TC 和 HTC 在压缩下的变形和 von Mises 应力分布。图片来自 Scientific Reports / Shahmorad 等人 (2025)。
迈向轻质吸能超材料
研究人员表示，这些混合PLA超材料表明，精心选择单元结构和成分可以优于更复杂的多材料或拓扑优化设计。该方法为使用标准FDM设备生产轻质、吸能或抗冲击部件提供了一种实用且低成本的途径。
这项研究表明，此类结构也可应用于生物医学植入物、防护装置以及其他对机械响应和轻量化要求较高的部件。未来的研究将探讨3D打印PLA的尺度效应、尺寸优化和各向异性，以进一步提升性能。
本研究建立在不断增长的研究成果之上，这些研究探索了3D打印结构如何控制形变和能量耗散。今年早些时候，韩国研究人员利用拉胀超材料开发了一种触觉传感器，以增强柔性电子器件的柔韧性和应变灵敏度；与此同时，皇家墨尔本理工大学（RMIT）的科学家们推出了一种超刚性、吸能晶格，旨在提高建筑应用中的安全性和耐久性。最近，格拉斯哥大学与意大利研究人员合作开发了一种扭转吸收型超材料：通过可控扭转来耗散冲击能量，凸显了结构化材料在车辆和基础设施安全领域日益重要的作用。
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