3D打印航空航天用双梯度负泊松比超结构，受自然启发，更为高效

2025年12月22日

D打印技术参考注意到，来自江苏科技大学&加利福尼亚大学、东南大学等的研究人员计、制造并研究了一种受自然启发的新型3D打印双梯度铝泡沫填充负泊松比超材料。优化结果表明，新型梯度超材料比普通材料具有更强的能量吸收能力。由于其独特的结构设计和优异的力学性能，所开发的超结构在交通运输保护、军事防护工程、载人航天器缓冲和吸能箱等领域具有巨大的应用潜力。

https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2024.118482

机械超材料质量轻、强度高且能量吸收能力出色，能明显提高飞机起落架稳定性和飞行安全性，在航空航天领域有广阔应用前景和重要价值。这类材料通过融合仿生设计理念与先进制造方式，可构建兼具优异综合力学性能与特定功能的轻质结构，其力学性能远超同等密度的传统结构材料，从而更好满足特殊工况下的应用需求

负泊松比（NPR）超材料作为机械超材料的一种，具有独特的拉伸膨胀力学性能和优异的剪切特性、抗凹痕性、电化学可重构性、能量吸收和振动传递等设计性。此外，泡沫金属材料填充负泊松比结构可以显著提高能量吸收效率，进一步改善结构在准静态和动态载荷下的性能。

四种受自然界启发的分级超材料：（A）受蝴蝶启发的超轻架构元结构；（B）功能梯度铝泡沫；（C）昆虫角质层；D）分级晶格机械超材料与人类肌腱及蚕丝蛋白仿生结构

目前关于NPR材料与铝泡沫材料的研究，已取得了显著进展。然而，将两者结合，特别是设计成具有双梯度特性的复合结构，并系统研究其机械性能和能量吸收特性的工作尚不多见。以往的研究多集中在二维、均质结构形式上，对三维梯度管结构的设计探索及其应用研究相对较少。

除此之外，铝泡沫多被当作均质夹层板或薄壁壳结构的填充料，而对管状梯度铝泡沫的探究也偏少。许多生物经历了几十亿年的演化，已经形成了跟特定环境相适配的高效功能结构，这类结构可能密度极低但强度却很高。

本研究创新性地研究了双梯度铝泡沫填充负泊松比超材料的机械性能和能量吸收特性，填补了该领域的空白。研究团队通过实验和数值分析的方法，系统地探讨了梯度方向、梯度指数及组合类型对双梯度铝泡沫填充NPR超结构失效模式、变形特性及耐撞性的影响。这一研究不但拓展了NPR材料和铝泡沫材料的应用领域，还对轻量化、高吸能、耐撞性工程组件的设计，提供了新的思路与方法。

典型双梯度超结构管的示意图说明：(a) 功能梯度负泊松比（NPR）管设计概念的形成；(b) 梯度铝泡沫填充的梯度NPR管设计；(c) 上升NPR超材料梯度模式的分布；(d) 下降NPR超材料梯度模式的分布；(e) 典型均匀NPR单元胞的示意图

研究人员精心设计了一种具有双梯度特性的负泊松比（NPR）管状超材料。该设计在水平方向和垂直方向上巧妙分布了不同数量的NPR单元，从而形成了独特的梯度结构。这种梯度设计不仅增强了材料的结构强度，还赋予了其更优越的机械性能。为了制造这一创新材料，研究团队采用了选择性激光熔化（SLM）3D打印技术，该技术能够精确控制材料的形状和结构，确保了设计特性的实现。

在制造过程中，研究人员首先利用EOS M290和6061铝合金粉末3D打印制备了梯度NPR管状结构，然后通过线切割技术制作出梯度泡沫铝芯。随后，将梯度泡沫铝芯填充至3D打印成型的梯度NPR管状结构中，形成完整的双梯度泡沫铝填充NPR管状结构。这种制造方式把增材制造技术与传统材料加工工艺相结合，可让材料在结构上精准适配，在性能上协同提高。最终的实验和数值分析显示，该材料在机械性能和能量吸收方面表现优异。

用于测试的分级铝泡沫制造、分级NPR管和铝泡沫填充的双级混合型元结构示意图

在轴向压缩测试过程中，观察到了填充超材料结构结构（DGAT）的一系列独特变形和失效模式。当施加轴向载荷时，DGAT结构首先表现出持续的弹性变形，随后随着载荷的增加，开始出现局部屈曲和径向收缩现象。特别值得留意的是，当NPR管与铝泡沫芯部以相反梯度方向组合时，它们之间的相互作用更加突出，从而达到了更高的能量吸收能力。

(a) 复合超结构的压缩实验；(b) 试样详细尺寸及测试前后对比；(c) 3D打印哑铃型试样的拉伸应力-应变曲线；(d) 泊松比计算检测点的前视图；(e) 检测点的俯视图

四种不同密度的铝泡沫性能测试

多种不同结构类型的变形模式

双梯度铝泡沫填充负泊松比结构实验与有限元计算变形的比较

实验结果表明，不同梯度组合和方向对DGAT结构的变形模式和能量吸收能力具有重要影响。相反梯度方向的组合能够更有效地激发NPR外壳与梯度芯部之间的相互作用，从而提高整体结构的稳定性和能量吸收能力。除此之外，实验还发现DGAT结构的能量吸收能力显著高于单独的梯度NPR管或梯度铝泡沫芯部，这证明了双梯度设计的优越性。通过多目标优化，研究人员确定了最优的设计参数，使DGAT结构的能量吸收能力显著提升。