负泊松比机械超材料：综述
本文是一篇发表于《Engineering Structures》期刊（2025年，第329卷，文章号119838）的综述文章，由来自中国山东大学和清华大学的研究团队撰写。主要作者包括张璐婕（山东大学）、闫森（清华大学）、刘文龙（清华大学）、刘瑶（山东大学，通讯作者）、蔡文军（山东大学）和张子栋（山东大学，通讯作者）以及周济（清华大学）。文章旨在对具有负泊松比（Negative Poisson’s Ratio）的机械超材料（Mechanical Metamaterials），即拉胀（Auxetic）超材料，进行全面回顾，总结其变形机制、分类、制备方法、力学性能、应用以及当前挑战与未来展望。
文章主题与背景 文章的核心主题是“拉胀机械超材料”。机械超材料是一类通过理性设计的结构（而非构成材料本身）来获得超越天然材料非凡力学性能的人工材料。其中，拉胀超材料因其具有负泊松比（即材料在轴向拉伸时横向膨胀，轴向压缩时横向收缩）的独特变形行为而备受关注。这种反直觉的特性赋予了它们优异的力学性能，如高剪切模量、高能量吸收、抗凹陷性和同曲（synclastic）变形行为（弯曲时形成穹顶形而非马鞍形表面），使其在生物医学、防护设备、车辆安全、传感器和致动器等领域展现出巨大应用潜力。本文旨在通过系统梳理该领域的研究进展，为未来的结构设计创新和实际应用改进提供指导和启发。
主要观点与论述 文章的主体部分围绕拉胀超材料的分类、制备、性能和应用展开，并最终讨论了挑战与前景。
第一，拉胀超材料的分类与变形机制。 文章基于拓扑-性能关系，将拉胀超材料分为三大基本类型及其衍生功能结构。 1. 内凹（Re-entrant）结构：这是最早被研究的拉胀结构之一，其变形机制依赖于内凹肋的旋转。主要包括： * 拉胀泡沫：通过对传统开孔泡沫进行热机械处理（压缩和热定型）获得，具有更高的能量吸收和更均匀的应力分布。 * 内凹蜂窝结构：通过内凹肋的旋转实现整体收缩。可通过添加加强肋或使用高强度材料来增强其结构强度。 * 双箭头结构：类似于内凹蜂窝，但通过箭头状肋的旋转实现变形，更适合大变形，因为其垂直肋更不易屈曲。 * 多边形星形结构：如三角形和正方形星形结构，能够实现各向同性的变形和力学性能。 2. 手性（Chiral）结构：具有“手性”特征（物体与其镜像不能重合），其拉胀行为源于刚性环在载荷下的旋转以及连接韧带的弯曲。包括手性、反手性和交叉手性结构。手性结构不仅具有拉胀性，还表现出可编程的变形特性（如通过刺激响应材料实现）和扭压耦合效应，可用于高级机械设计。 3. 旋转刚性单元（Rotating Rigid Unit）结构：通过铰接的刚性单元（如正方形、矩形、平行四边形）在载荷下旋转，导致单元间间隙变化，从而实现整体收缩。这类结构可以扩展到三维形式（如旋转长方体、四面体），在所有主方向上都表现出拉胀行为。 4. 衍生功能结构：为满足更复杂的工程需求而发展出的新型结构。 * 穿孔板结构：通过在板材上设计特定图案的孔洞或缝隙，利用铰接区域的旋转或弹性失稳（elastic instability）诱发拉胀行为。其泊松比可通过孔洞形状和分布密度进行调节。 * 折纸（Origami）结构：通过折叠二维片材形成三维结构，如三浦折叠（Miura-origami）及其堆叠形式。其变形依赖于折痕处的折叠，可实现面外拉胀变形。使用轻质共聚物或金属可以增强其力学性能。 * 拉胀纺织品：利用特殊设计的拉胀纱线（如螺旋拉胀纱线）或通过针织、编织等传统工艺，制造出具有高柔软性、延展性和耐磨性的柔性拉胀材料。
文章还简要介绍了其他新颖的拉胀结构（如液晶分子模型、结节-原纤维模型、蛋盒模型、皱纸模型等）和先进的设计策略，包括结构混合设计、梯度设计、层级设计、拓扑优化和机器学习。这些策略旨在开发具有增强性能（如高承载能力、可控变形序列）和多功能性的拉胀超材料。
第二，拉胀超材料的制备方法。 制造是连接设计与应用的关键桥梁。文章系统概述了当前主要的制备技术： 1. 拉胀泡沫制备：主要采用热机械工艺，结合压缩和热定型将传统泡沫转化为拉胀泡沫。挑战在于缺乏可规模化生产大尺寸样品的技术。 2. 增材制造（3D打印）：具有设计灵活、可制造复杂结构和快速原型制作的优势。常用技术包括： * 熔融沉积建模（FDM）：成本低，速度快，常用材料如ABS、PLA、TPU。 * 粉末床熔融（PBF）：包括选择性激光烧结（SLS）、选择性激光熔化（SLM）、电子束熔化（EBM）和多射流熔融（MJF），适用于制造高精度、高强度的金属或尼龙超材料。 * 光固化技术：如立体光刻（SLA）和数字光处理（DLP），提供高精度和优良的表面光洁度。 * 直接激光写入（DLW）：适用于微/纳米尺度的高精度复杂结构制造。 * 4D打印：将“可编程物质”与3D打印结合，制造能响应特定刺激（如热、水、光）自主改变力学性能的智能超材料。 3. 减材制造：通过激光切割、水射流切割、计算机数控（CNC）铣削和离子蚀刻等方法精确去除材料，适用于制造穿孔板结构。优点是表面质量高、加工精度好，但可能产生更多材料浪费。 4. 等材制造：包括铸造、锻造和焊接等，零件质量在制造过程中保持不变。铸造对于将拉胀结构嵌入基材制造传感器尤为重要；板材折叠则用于制造单层内凹结构。 5. 离散组装：通过连接结构单元来构建大规模拉胀超材料，提供了灵活性、可定制性和易于质量控制的特点，适用于防护设备等大型应用。
第三，拉胀超材料的力学性能。 独特的变形行为赋予了拉胀超材料一系列优异的力学性能： 1. 高剪切阻力：根据弹性理论，剪切模量（G）与杨氏模量（E）和泊松比（ν）的关系为 G = E / [2(1+ν)]。当ν为负且趋近于-1时，剪切模量趋近于无穷大，意味着材料难以剪切。 2. 高抗凹陷性：受压时，拉胀材料在加载方向和垂直方向都发生收缩，导致局部密度增加，从而提高了抵抗压痕的能力。拉伸时则能抵抗裂纹扩展，增加韧性。 3. 同曲行为：在面外弯矩作用下，拉胀材料弯曲时形成具有正高斯曲率的穹顶形表面，而非传统材料的马鞍形（负高斯曲率）表面。这使得它们能更好地贴合人体轮廓，适用于可穿戴设备。 4. 高能量吸收：其压缩力-位移曲线通常包含弹性阶段、平台阶段和致密化阶段。拉胀效应使材料在变形过程中向加载区域集中，增加了刚度，并在准静态和动态冲击下都能高效吸收能量，适用于抗爆、减震等领域。
第四，拉胀超材料的应用。 基于上述卓越性能，拉胀超材料在多个领域具有广泛应用前景： 1. 生物医学：用于制造血管支架（扩张时能同时轴向和径向扩展，保持管腔体积）、外科植入物（如骨板、髋关节柄，提高与骨的机械相容性和能量吸收）以及智能绷带（利用拉胀变形实现可变渗透性和均匀压力分布，促进伤口愈合）。 2. 防护工程：用于制造夹层板芯材（提高抗冲击性和比能量吸收）、阻尼器（衰减振动）和声子晶体（利用带隙特性实现振动衰减或隔离，甚至用于建筑抗震）。 3. 车辆安全：集成到安全带中（增加与身体的接触面积，使力分布更均匀）、非充气轮胎（提高抗冲击性）和保险杠系统（有效吸收碰撞能量）。 4. 传感器与致动器：作为传感器基底可提高灵敏度（如通过光学透射率变化检测应变）并实现与皮肤的共形接触；用于压电能量收集器可集中应力应变，提高效率。在致动器中可实现多种操作模式和更高效的力量传递。 5. 其他应用：包括过滤器（拉伸时孔径变大，提高过滤能力和选择性）、钉子（插入容易拔出难）、变形结构（如变形机翼）以及运动装备（如增强抗冲击性的头盔、提高舒适性的鞋类）。
第五，挑战与前景。 尽管潜力巨大，拉胀超材料在实际应用中仍面临挑战，文章从需求、设计、制造和应用四个角度提出了未来展望： 1. 需求方面：未来材料不仅需要增强特定性能，还需集成适应性、多功能性和可调性。例如，实现单件材料内可定制的泊松比，或结合高热阻、声吸收等其他功能。 2. 设计方面：传统设计方法耗时且随机性大。人工智能（尤其是机器学习）的集成可实现具有预定拉胀性能的逆向设计，显著提高效率，并促进层级和多尺度设计，实现可编程的力学性能。 3. 制造方面：微/纳米制造技术难以生产具有微米/纳米特征的大尺度样品，而模块化制造又耗时。需要进一步探索微/纳制造和模块化制造方法，以实现高精度和大规模生产的结合。 4. 应用方面：广泛应用的障碍在于耐久性（复杂载荷和极端环境下性能可能退化）和成本（先进制造技术通常昂贵）。未来研究应侧重于提高可靠性（如使用防腐材料）和降低生产成本（如简化结构设计、探索经济高效的制造方法）。
文章的意义与价值 本综述文章系统、全面地总结了拉胀机械超材料领域的最新进展，涵盖了从基础变形机制、结构分类到先进制备技术、独特力学性能和广泛应用的完整链条。它不仅为研究人员提供了该领域的详细图谱和宝贵见解，还明确指出了当前存在的局限性（如规模化制造、耐久性、成本）和未来的发展方向（如智能化设计、多功能集成、跨学科合作）。这篇文章对于推动拉胀超材料从实验室概念走向实际工程应用，激发该领域的未来创新具有重要的指导意义。通过整合不同结构类型、制造方法和应用场景，本文有助于读者建立起对拉胀超材料这一快速发展领域的整体认识，并为解决实际工程问题提供了潜在的技术路线和灵感来源。