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《Advanced Functional Materials》刊登我院软物质与柔性微纳材料实验室智能复合超材料研究方向最新进展

作者: 发布: 2024-03-13

近年来,随着3D打印技术和超材料设计理论的迅速发展,超材料的设计和制备已成为当今多学科交叉领域的研究热点之一。负泊松比超材料因其在受力时呈现出轴向拉伸(压缩)横向膨胀(收缩)的反常规变形行为,能够赋予材料优异的力学性能,如抗剪切、抗压痕阻力和同曲率变形等。随着可穿戴电子器件、生物组织工程和航空航天等领域对智能功能材料和结构的需求不断增加,负泊松比超材料作为最具潜力的功能性力学超材料之一备受瞩目。然而,传统的负泊松比材料通常采用多孔单胞结构设计,如内凹结构和手性结构等,这不可避免地导致了材料的不连续和刚度降低等问题,大大限制了其应用范围。

近日,我院徐晔教授、张秋婷副教授团队与北航化学学院刘明杰教授课题组合作,提出了一种简单、有效的智能复合超材料的设计思路:基于负泊松比结构单元构筑两相拉胀复合超材料,实现对超材料力学性能的定制化设计和调控。研究团队通过在手性负泊松比框架中填充刚度可调的水凝胶软填充物,实现了强界面一体化的两相拉胀复合超材料的制备(图1)。通过调控两相材料的杨氏模量比,实现了复合超材料在正-负泊松比之间的切换(图2)。


图1:制备强界面结合的两相拉胀复合超材料



2:两相拉胀复合超材料通过杨氏模量比调控实现正/负泊松比切换

通过在负泊松比框架相内引入智能温敏响应材料,进一步实现了不同温度状态下力学性能(泊松比)的自适应性及可编程性(图3)。此外,利用有限元模拟分析证实了该复合超材料在可变带隙声学材料中的潜在应用。这一研究工作为负泊松比结构智能功能材料的设计、制备和应用提供了新思路,有望在可变带隙声学材料、智能传感器中得到应用。


3:温度响应复合超材料的自驱动正/负泊松比切换行为

上述研究成果题为“Mechanically programmable composite metamaterials with switchable positive/negative Poisson's ratio”,发表于Advanced Functional Materials(IF = 19)期刊上。我院博士研究生杜腊梅与化学学院博士研究生史未为本文的共同第一作者,徐晔教授、刘明杰教授和张秋婷副教授为本文的共同通讯作者。该研究得到国家自然科学基金及北航理工融合“十大科学问题”项目的支持。

 

论文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202314123