Dual-gradient structure of natural cellular materials for the design of auxetic metamaterials

负泊松比超材料由于其优异的力学性能, 包括优异的抗剪切性能、抗冲击性能、抗断裂性能、吸能隔振等, 在个体防护和抗冲击、减振吸能等领域有着重要的应用价值, 从而引起了科学家和工程师们极大的研究兴趣. 大多数传统的负泊松比超材料通常基于单元胞体的拓扑结构设计, 这类超材料通常不可避免地面临着由其复杂拓扑结构,特别是内凹多边形结构, 所带来的设计、制备难题. 迄今为止, 尽管许多研究人员致力于开发新的负泊松比超结构和材料, 但很少有研究能明确指出负泊松比超材料的设计指南或工作流程, 更多的研究是基于研究人员的设计灵感和对特定胞元结构的计算机辅助优化. 基于此, 我们提出了一种受自然启发的负泊松比超材料设计策略, 利用天然多孔材料所具有的独特双梯度结构, 例如以松质骨和向日葵茎髓心作为生物模型, 通过在多孔结构中引入双梯度变化即可得到负泊松比效应, 从而制备负泊松比超材料. 这种受自然启发的负泊松比超材料设计思路具有一定的普适性, 可以扩展到具有常见凸多边形胞元的多孔结构中,基本胞元结构并不局限于特定的内凹多边形等常见的用来构造负泊松比超材料的结构和形状.