一種3D打印新型拉脹結(jié)構(gòu)的實驗研究

楊耀宗 鞏華帥

（武漢理工大學， 湖北 武漢 430070）

1 研究背景及研究意義

1.1 研究意義

拉脹結(jié)構(gòu)(Auxetics) 即負泊松比材料[1]，具有受拉時其垂直方向有膨脹（拉脹性) 和(或) 受擠壓時收縮(擠縮性)的力學特性[2-4]。負泊松比材料由于具有不同于普通材料的獨特變形特點，在很多方面具備了其他材料所不能比擬的優(yōu)勢。首先，負泊松比效應(yīng)可以使材料的力學性能，包括剪切模量、斷裂韌性、熱沖擊強度[5]、壓痕阻力等得到增強。其次，由于材料的泊松比影響到應(yīng)力波的傳輸和反射、應(yīng)力的消除和在裂紋附近的應(yīng)力分布，所以負泊松比材料適合制造緊固件或安全帶[6]，在受外力時，材料的橫向膨脹可以抵消外力的作用，從而提高這些部件的抗負荷能力。進一步，如果將負泊松比材料用于醫(yī)學領(lǐng)域，比如負泊松比人造血管、負泊松比脈動擴張器，可以很大程度上緩解由于動脈硬化、血栓等疾病對人體造成的危險[7]。負泊松比泡沫還具有特殊的彈性和對聲音的吸收能力[8,9]，可以用于制造隔音材料。而在實際工程方面，由于負泊松比意味著高剪切模量，這無疑可改善柱狀和層狀結(jié)構(gòu)的抗風抗震性能；同時拉脹高聚物用作路面材料可顯著增強耐壓抗震性能，因此對拉脹結(jié)構(gòu)進行研究具有重要的意義。但是，由于拉脹結(jié)構(gòu)復雜的微結(jié)構(gòu)以及在制造上對結(jié)構(gòu)拼接的精度要求，采用傳統(tǒng)的制造方法難以實現(xiàn)，針對這一問題，我們將采用3D 打印技術(shù)來制備實驗試樣。3D 打印技術(shù)是快速成型技術(shù)的一類[10]，其基本原理是把設(shè)計軟件所設(shè)計的3D 模型通過掃描等方式按照一個平面坐標切割為無限多個剖面層，然后逐層打印堆疊還原成一個實體的3D 立體模型。相對于傳統(tǒng)制造方式，3D 打印在制造拉脹結(jié)構(gòu)方面縮短了制造實驗?zāi)Ｐ偷纳a(chǎn)時間，提高了工作效率；同時使拉脹結(jié)構(gòu)之間的連接性能與穩(wěn)定性都要遠高于拼接、焊接等傳統(tǒng)制造工藝。因此，3D 打印與拉脹結(jié)構(gòu)的創(chuàng)意結(jié)合是制造拉脹結(jié)構(gòu)的快速通道[11]。

1.2 負泊松比材料的發(fā)展

盡管負泊松比材料極其特殊，但是在很早之前，科學家根據(jù)經(jīng)典彈性理論指出，負泊松比效應(yīng)的結(jié)構(gòu)在理論上是成立的，后來確實也發(fā)現(xiàn)某些天然材料具有負泊松比效應(yīng)，如奶牛乳頭部分的皮膚。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，1987年，Lakes[12]首次通過對普通聚合物泡沫的處理得到具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的負泊松比材料，并測得其泊松比值為-0.7，在這之后負泊松比材料才得到科學家的重視。

一般而言，負泊松比材料可以分為多孔狀負泊松比材料、負泊松比復合材料以及分子負泊松比材料等。目前，多孔狀負泊松比材料主要有手型、星型、箭型、內(nèi)凹六邊形四種蜂窩結(jié)構(gòu)形式，可具有二維結(jié)構(gòu)，也可具有三維結(jié)構(gòu)。對于負泊松比復合材料， 1992年，Milton[13]首先制備了在二維方向上力學性質(zhì)各向同性的多層次結(jié)構(gòu)負泊松比復合材料，通過控制各層組分的尺寸及選擇適當?shù)倪B續(xù)相組分，獲得了泊松比值接近于-1 的負泊松比材料。對于分子負泊松比材料而言，包括一些具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的聚合物和某些晶體材料，如沸石、二氧化硅晶體和一些元素金屬等，同時對某些分子結(jié)構(gòu)進行改造同樣也能夠具有負泊松比效應(yīng)。因此，分子負泊松比材料在未來將會得到更多的關(guān)注。

2 新型拉脹結(jié)構(gòu)的提出

分子負泊松比材料具有非常好的應(yīng)用前景，是因為這類材料屬于微觀結(jié)構(gòu)，形狀上具有更好的可塑性，可以根據(jù)實際生活的需求進行等比例的放大，得到許多具有優(yōu)秀力學性能的物件，如運動鞋、防彈衣、安全帶等。但是，對于分子負泊松比材料的研究大部分只是停留在尋找與發(fā)現(xiàn)的層次上，這樣無疑限制了分子負泊松比材料的發(fā)展。因此，我們可以根據(jù)宏觀拉脹結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點對某些分子材料進行改造，得到具有負泊松比效應(yīng)的分子材料，進一步應(yīng)用到實際生活甚至某些工程當中去。目前的拉脹結(jié)構(gòu)主要有星型、箭型、手型和內(nèi)凹六邊形四種，本文將立足于內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，對單層硅烯等二維材料進行改造，提出一種新型的拉脹結(jié)構(gòu)。

二維材料具有許多優(yōu)良的性能，是目前研究的比較火熱的一類材料。對于二維材料并沒有嚴格的定義，但是有三個方面，是得到科學家廣泛認同的：結(jié)構(gòu)有序、在二維平面生長、在第三維度超薄。目前的二維材料主要有單層硅烯、磷烯、氮化物、二硫化物等，其中與單層硅烯相似的二維材料都有一個相同的特點，結(jié)構(gòu)當中都存在由六個原子形成的六邊形結(jié)構(gòu)[14]，與內(nèi)凹六邊形的蜂窩結(jié)構(gòu)相呼應(yīng)。雖說單層硅烯是二維材料，但實際上在第三維度存在一定的厚度，而具有負泊松比效應(yīng)的內(nèi)凹六邊形只是平面結(jié)構(gòu)，因此，這兩者的結(jié)合還是存在一定的困難。

通過查閱相關(guān)文獻，找到一種較為合適的內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，它不再是平面結(jié)構(gòu)，而是將內(nèi)凹的部分向平面外旋轉(zhuǎn)一定的角度，形成一種拉脹結(jié)構(gòu)單體，如圖所示：

圖1 三維拉脹結(jié)構(gòu)單體三視圖

借鑒這種特殊的內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，我們可以將單層硅烯分子結(jié)構(gòu)的兩條邊內(nèi)凹，得到一種新型結(jié)構(gòu)，如圖所示：

圖2 單層硅烯拉脹結(jié)構(gòu)俯視圖

圖3 單層硅烯拉脹結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

這樣的改造不僅僅適用于單層硅烯這樣的二維材料，對于一些其他的二維材料同樣受用。根據(jù)不同的分子結(jié)構(gòu)形式，我們參照現(xiàn)有的宏觀的拉脹結(jié)構(gòu)，將兩者結(jié)合起來進行改造，我相信可以得到更多形式的拉脹結(jié)構(gòu)。

3 新型拉脹結(jié)構(gòu)的實驗研究

3.1 實驗構(gòu)件制作

3D 打印技術(shù)是一項正在快速發(fā)展的前沿性新興技術(shù)，被稱作第三次工業(yè)革命的重要標志之一。其基本原理是把設(shè)計軟件所設(shè)計的3D 模型通過掃描等方式按照一個平面坐標切割為無限多個剖面層，然后逐層打印堆疊還原成一個實體的3D 立體模型。因此，3D 打印技術(shù)可以極大的縮短制作周期，簡化制作工藝，有著良好的連接性能和穩(wěn)定性，真正做到“所想即所得”。常見的3D 打印材料有：光敏樹脂、尼龍、玻纖尼龍以及鈷鉻合金等。

光敏樹脂是一種低粘度光敏聚合物。用于制造結(jié)實、精確和防水的部件。用白色光敏樹脂制造的部件是白色不透明的，性能類似工程塑料ABS 和PC。一般用于表面光潔、細節(jié)表現(xiàn)力出色、對強度以及耐溫性能要求不高的產(chǎn)品。

由于該新型拉脹結(jié)構(gòu)的細部尺寸比較小，對細節(jié)的表現(xiàn)力和局部的連接要求都比較高，再加上該結(jié)構(gòu)是三維結(jié)構(gòu)，使用拼接、焊接、制模等傳統(tǒng)機械制造工藝不能夠很好的完成實驗構(gòu)件的要求。因此，本文將采用3D 打印技術(shù)，并選擇光敏樹脂作為原材料來制作實驗構(gòu)件，進行相關(guān)的實驗測試。

3.2 實驗儀器和實驗方法

為了驗證該新型拉脹結(jié)構(gòu)的負泊松比效應(yīng)，需測量實驗構(gòu)件在拉伸試驗時側(cè)向產(chǎn)生的位移變量。泊松比測試的方法很多，根據(jù)泊松比測試過程中所用的基本原理不同，可以分為機械方法、聲學方法、光學方法等。

機械方法測定材料泊松比一般是接觸性測量，常見的有使用引伸計來測量結(jié)構(gòu)在拉伸實驗中的橫向應(yīng)變和縱向應(yīng)變，但是由于引伸計存在長度的問題，測量范圍有一定的限制，不適合該構(gòu)件的測量[15]。同時，也有使用電阻應(yīng)變片進行測量，但是對于此種方法對于構(gòu)件的材料有一定的要求，存在局限性。而光學方法，測試精度較高，要求圖像捕捉及處理設(shè)備，成本較高，基于數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC) 的非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)具有全場測量、非接觸、光路簡單，適用范圍廣闊等眾多優(yōu)點。綜合考慮，本文采用采用了非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)——VIC-3D 進行測量[16]。

通過基于數(shù)字圖像相關(guān)法（DIC） 的非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)VIC-3D，可以計算出物體表面節(jié)點的位移。其基本原理是在構(gòu)件進行拉伸實驗的過程中，通過圖像采集系統(tǒng)采集構(gòu)件變形過程中的圖像，實驗結(jié)束后再對采集到的圖像進行位移的分析，最后計算得出結(jié)構(gòu)的泊松比。對圖像的分析，本文將會使用兩種方法：第一，對幾個關(guān)鍵的點進行跟蹤從而得到整個構(gòu)件的位移；第二，對整個平面進行散斑標記，追蹤若干條線來得到整個構(gòu)件的位移。第二種方法較為精確，但是僅適用于平面結(jié)構(gòu)[17]。

3.3 實驗結(jié)果與分析

1） 內(nèi)凹六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)

圖4 散斑標記圖

圖5 荷載應(yīng)變曲線圖

如圖4 所示，該構(gòu)件采用的是散斑標記分析法。依次選擇E0、E3、E4 三條線計算構(gòu)件的縱向應(yīng)變，取其平均值作為構(gòu)件的縱向應(yīng)變；選擇E6、E7 三條線計算構(gòu)件的橫向應(yīng)變，取其平均值作為構(gòu)件的橫向應(yīng)變，最后通過這兩者的比值得到構(gòu)件的泊松比。根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)求得該構(gòu)件的泊松比為-0.3625。

部分數(shù)據(jù)的計算結(jié)果見表1：

2） 單層硅烯拉脹結(jié)構(gòu)

如圖6 所示，該構(gòu)件采用的是標記點追蹤法，即對采集的圖片中的三個非線性的點跟蹤分析，分別記為X、Y、Origin。這三個點構(gòu)成一個平面坐標系，Origin 在原點，X、Y 則分別代表橫向、縱向的點。在任意一張圖片中認為Origin 這個點是不動的，根據(jù)第一張圖片計算出Lx 和Ly，然后再對發(fā)生變形的圖片中確定X、Y 兩個點相對于第一張圖片的變化量，從而計算得出構(gòu)件的縱向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，之后再通過公式計算得到泊松比。

表1 內(nèi)凹六邊形計算表格

圖6 標記點追蹤

圖7 模型立體圖

根據(jù)實驗所得數(shù)據(jù)計算得到該構(gòu)件的泊松比為-0.23044。

表2 為實驗的部分數(shù)據(jù)：

4 結(jié)語

根據(jù)最終的實驗結(jié)果可以得出，本文中提出的單層硅烯拉脹結(jié)構(gòu)具有負泊松比效應(yīng)，說明將二維材料進行改造使其具有負泊松比效應(yīng)的做法是可行的。同時與3D 打印技術(shù)的結(jié)合，進一步推進了三維拉脹結(jié)構(gòu)的發(fā)展。總而言之，負泊松比材料由于具有不同于普通材料的特殊性質(zhì)，在各個領(lǐng)域都具有巨大的潛在價值，特別是分子負泊松比材料的發(fā)展，無疑將會得到許多性能優(yōu)良的實物，滿足實際生活的需要和某些特殊工程的要求。

表2 單層硅烯拉脹結(jié)構(gòu)計算表