自然界中廣泛存在的軟硬復(fù)合材料，如骨骼和貝殼，因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)性能，這為人工復(fù)合材料的設(shè)計(jì)提供了重要靈感。然而，傳統(tǒng)軟硬復(fù)合材料在實(shí)現(xiàn)大變形容許性和可控力學(xué)響應(yīng)方面仍面臨挑戰(zhàn)，特別是在大變形下保持穩(wěn)定的負(fù)泊松比或正泊松比行為。

針對(duì)以上問題，西北工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)在Composites Part B發(fā)表了研究成果，該研究通過將具有大變形下可控泊松比的硬質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)嵌入軟基體中，提出了一種新型軟硬一體化復(fù)合材料設(shè)計(jì)策略，有效利用了泊松比失配帶來的耦合效應(yīng)。論文標(biāo)題為：”Enhanced tensile properties of 3D printed soft–hard composites due to Poisson’s ratio mismatch: Experimental and numerical study”。

研究采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)了五種不同泊松比的硬晶格結(jié)構(gòu)（Hard Lattices with Controllable Poisson's Ratio；HLCPR），并通過PolyJet 3D打印技術(shù)將其與軟橡膠材料（Agilus 30）結(jié)合，制備出硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料（Hard Lattice Reinforced Soft Matrix；HLRSM）。通過有限元模擬和數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)輔助的拉伸實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)評(píng)估了材料的力學(xué)性能、斷裂行為及耦合機(jī)制。軟材料采用Yeoh本構(gòu)模型，硬材料使用韌性損傷準(zhǔn)則，有限元模型中通過單元?jiǎng)h除技術(shù)模擬漸進(jìn)破壞過程。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有具有可控泊松比的硬質(zhì)晶格結(jié)構(gòu)在20%的大應(yīng)變下仍能保持預(yù)設(shè)計(jì)的泊松比行為，為耦合效應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。軟硬材料間的泊松比失配帶來了明顯的性能提升，具體數(shù)據(jù)表現(xiàn)為：有效楊氏模量從無耦合預(yù)測(cè)值提升至實(shí)測(cè)值，泊松比為-0.8的結(jié)構(gòu)提升最為顯著；有效拉伸強(qiáng)度在硬質(zhì)晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料中較純硬晶格結(jié)構(gòu)顯著提高，ν=-0.8時(shí)強(qiáng)度提升超過30%；斷裂能方面，ν=-0.8的復(fù)合材料比無耦合模型計(jì)算結(jié)果提高了66.69%。此外，軟基體不僅延遲了硬晶格的斷裂起始，還將破壞模式從脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)闈u進(jìn)式失效，大幅提升了材料的能量吸收能力。

該研究通過將可控泊松比的硬晶格與軟基體結(jié)合，充分發(fā)揮了泊松比失配的耦合效應(yīng)，顯著提升了復(fù)合材料的剛度、強(qiáng)度和韌性。軟基體有效延緩了裂紋萌生并改變了破壞模式，實(shí)現(xiàn)了性能的協(xié)同優(yōu)化。這項(xiàng)工作不僅為高性能軟硬復(fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了新思路，也為多材料增材制造和機(jī)械超材料研究提供了重要的實(shí)驗(yàn)與理論依據(jù)。

圖1 可控泊松比硬晶格（HLCPR）與硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料（HLRSM）的設(shè)計(jì)概念與幾何細(xì)節(jié)

圖2 可控泊松比硬晶格與硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的拉伸試驗(yàn)

圖3 有限元分析與網(wǎng)格收斂性驗(yàn)證

圖5  基于DIC與有限元分析的硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料力學(xué)響應(yīng)

圖6 不同泊松比硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料的模擬與實(shí)驗(yàn)變形和斷裂形貌對(duì)比

圖7 硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料中晶格與軟基體的耦合效應(yīng)

圖8 斷裂前硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料與可控泊松比硬晶格結(jié)構(gòu)的數(shù)值結(jié)果

圖9 不同可控泊松比硬晶格的硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料斷裂過程

圖10 不可控泊松比硬晶格（HLUCPR）的數(shù)值結(jié)果

圖11  非連續(xù)與包裹式可控泊松比硬晶格增強(qiáng)軟基復(fù)合材料（BHLRSM與SHLRSM）的模型與數(shù)值結(jié)果

原始文獻(xiàn)： 

Sun, P., Yang, W., Zhang, Y., Zhang, B., Fan, Z., & Li, L. (2025). Enhanced tensile properties of 3D printed soft-hard composites due to Poisson’s ratio mismatch: Experimental and numerical study. Composites Part B: Engineering, 299, 112413.

原文鏈接：

https:///10.1016/j.compositesb.2025.112413