圖1 259期《材料與設(shè)計(jì)》封面
地大新聞網(wǎng)訊（記者 焦思勤）近日，我校珠寶學(xué)院“寶石礦物材料與設(shè)計(jì)智造”研究生導(dǎo)學(xué)團(tuán)隊(duì)在國(guó)際知名期刊《材料與設(shè)計(jì)》上發(fā)表重要研究成果，并入選當(dāng)期封面。論文題目為《具有可調(diào)機(jī)械響應(yīng)的三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理及旋轉(zhuǎn)變形力學(xué)機(jī)制研究》。封面展示了三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)及其在穿戴防護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用（圖1），該論文第一作者為珠寶學(xué)院博士生潘瑞琪，通訊作者為珠寶學(xué)院張榮紅教授和華中科技大學(xué)楊磊副教授。
隨著智能手表、健康手環(huán)等可穿戴設(shè)備的普及，人們對(duì)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(fù)泊松比材料正是一種“反常識(shí)”材料：縱向拉伸時(shí)橫向膨脹，縱向壓縮時(shí)橫向收縮，展現(xiàn)出獨(dú)特的力學(xué)行為，適用于復(fù)雜曲面貼合與能量吸收等場(chǎng)景。然而，傳統(tǒng)三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)存在制造難度大、性能調(diào)控困難等問(wèn)題。
圖2 研究團(tuán)隊(duì)提出的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能調(diào)控思路
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)優(yōu)化原有結(jié)構(gòu)變形的機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能的可控調(diào)節(jié)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，為柔性可穿戴提供了新的解決方案（圖2）。本研究基于二維交錯(cuò)肋架構(gòu)，設(shè)計(jì)出三維手性負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)：交錯(cuò)肋結(jié)構(gòu)（F-NPR）、曲面優(yōu)化結(jié)構(gòu)（W-NPR）和節(jié)點(diǎn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)（N-NPR），并采用數(shù)字光處理技術(shù)DLP（Digital Light Processing, DLP）實(shí)現(xiàn)高精度制造，打通了從數(shù)字模型到實(shí)際產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
圖3 三種結(jié)構(gòu)的物理缺陷對(duì)比。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-NPR結(jié)構(gòu)在懸垂處存在結(jié)構(gòu)斷裂和缺失，W-NPR結(jié)構(gòu)在懸垂處仍存在缺失，N-NPR結(jié)構(gòu)無(wú)明顯缺陷，實(shí)現(xiàn)了三者中的最佳可成形性。
結(jié)果表明，N-NPR結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的可成形性，尤其適用于成形精度較高的數(shù)字光處理增材制造工藝（圖3）。
圖4 基于有限元模擬的N-NPR結(jié)構(gòu)在壓縮載荷下的兩段式旋轉(zhuǎn)-扭轉(zhuǎn)變形
通過(guò)有限元模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，研究系統(tǒng)探討了桿徑尺寸與單元尺寸對(duì)其結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)節(jié)體積分?jǐn)?shù)，可精準(zhǔn)調(diào)控該結(jié)構(gòu)的壓縮/拉伸強(qiáng)度、泊松比及能量吸收能力。該結(jié)構(gòu)在壓縮與拉伸過(guò)程中均表現(xiàn)出顯著的負(fù)泊松比效應(yīng)，并在壓縮載荷下呈現(xiàn)出獨(dú)特的兩段式旋轉(zhuǎn)－扭轉(zhuǎn)變形機(jī)制，極大拓展了材料設(shè)計(jì)的自由度（圖4）。
圖5 N-NPR結(jié)構(gòu)在拉伸載荷下的變形效果
研究中提出的N-NPR結(jié)構(gòu)具備可控的變形能力與優(yōu)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(xiàn)突出。該結(jié)構(gòu)不僅適用于智能穿戴設(shè)備，也為航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域帶來(lái)新的設(shè)計(jì)思路，進(jìn)一步推動(dòng)了“藝術(shù)與科技融合”的學(xué)科交叉。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步引入人工智能，開(kāi)發(fā)更舒適、功能更集成的柔性可穿戴設(shè)備。
論文共同作者包括珠寶學(xué)院李妍教授、殷杰教授，以及南方科技大學(xué)郝亮教授、華中科技大學(xué)閆春澤教授等。本研究獲國(guó)家自然科學(xué)基金、湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目及“地大學(xué)者”資助項(xiàng)目等多項(xiàng)支持。
據(jù)悉，珠寶學(xué)院“寶石礦物材料與設(shè)計(jì)智造”研究生導(dǎo)學(xué)團(tuán)隊(duì)，是學(xué)院重點(diǎn)建設(shè)的多學(xué)科交叉研究團(tuán)隊(duì)。依托多個(gè)省部級(jí)科研平臺(tái)，團(tuán)隊(duì)在增材制造、智能可穿戴及礦物材料等前沿領(lǐng)域開(kāi)展創(chuàng)新研究，積極推動(dòng)材料科學(xué)、先進(jìn)制造與創(chuàng)意設(shè)計(jì)的深度融合，為學(xué)院學(xué)科發(fā)展和高層次復(fù)合型人才培養(yǎng)提供了重要支撐。本文也是近年來(lái)我校珠寶學(xué)院師生在《材料與設(shè)計(jì)》上發(fā)表的第六篇論文。
論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114784
鄂公網(wǎng)安備 42011102004169號(hào)
