通过模拟分析独特的毛弹性超材料

超材料是具有依赖特定结构设计而不是化学的特性的人造材料。它们的结构通常很复杂，使这些材料具有挑战性。在这里，我们提出了研究一种此类材料的数值研究 - 一种具有静水压力下膨胀的毛弹性超材料（由单个材料制成）。

结合超材料和3D打印

Comsol博客经常弹出两个主题：乐动体育赛事播报3D打印和超材料。它们的潜在应用，例如生成定制的医疗植入物，印刷房屋以及用于掩盖技术的应用，可能会改变我们周围的世界。

3D打印机。乔纳森·胡萨玛（Jonathan Juursema）的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 3.0， 通过Wikimedia Commons。

通过将这两种技术结合起来，我们也许可以使用直接激光编写（DLW）打印来制造复杂的超材料，这一过程对于其他制造技术可能具有挑战性或不可能。以这个想法为灵感，卡尔斯鲁厄技术学院（德国）和伯戈尼·弗朗西·科米特大学（France-Comté）（法国）的一个团队研究了一种超材料，该材料在稳定和静态条件下显示出负面有效压缩性的独特机械性能。

研究具有负有效可压缩性的毛弹性超材料

研究人员的毛弹性超材料是一种3D人造复合材料，当周围环境产生的静水压力增加时，会体验各向同性的膨胀。大多数天然弹性材料的反应方式相反，在固定温度下暴露于静水压力时会减少其体积。

海绵是受毛弹性现象影响的材料。

那么，为什么这种超材料会扩展呢？为了回答这个问题，让我们看一下超材料的内部，该材料由单个普通组成固体组成。材料内的是空心的3D杂交，其内部体积含有恒定压力。每个十字架还附着在其末端的圆形膜。

当周围压力与十字架内的压力不同时，这些膜向内或向外弯曲。与膜的不对称连接的条将这种翘曲转化为交叉旋转。如果外部的静水压力大于内部压力，则单个旋转转化为结构的各向同性膨胀，从而导致负有效的可压缩性。

一个零压力（左）和升高压力（右）的单元电池，描绘了负压的原理。图片由Jingyuan Qu和Muamer Kadic提供。

尽管这种负压可能违反了物理定律，但有效体积增加与材料中看不见的体积减少相对应。这样可以确保结构稳定。

用COMSOLMultiphysics®分析创新的毛弹性超材料

为了检查创新超材料的详细结构，研究人员转向了ComsolMultiphysics®软件。当被问及这种方法的好处时，研究团队的成员Jingyuan Qu指出，实施的实施非常容易。

超材料的模型是单个单元。要查看材料内部和外部压力之间存在差异时会发生什么，将压力增加作为模型所有外表面的正常力实现。此外，该模型在周期性的边界条件下进行了模拟，从而使研究人员能够成功找到有效的材料参数。

请注意，内置的周期性边界条件在结构力学和MEMS模块中可用。

对于他们的研究，团队进行了两个主要的数值实验：

1. 有限大小的研究（一个单位单元），末端具有自然边界条件（自由）
2. （假设）使用周期性条件（无限扩展的情况）

在他们的实验中，团队使用方程来实现标准线性弹性：

现在，让我们看一下第二个数值实验。

使用周期性边界条件

为了模仿无限的材料案例，实施了周期性条件，以便单位单元格的每一侧都必须收缩或膨胀。首先，根据方向创建和命名结构的每一侧的选择X+，，X- ，，y+，，y- ，，z+，和z- 。然后，创建了探针变量，给出了“负”侧的平均位移（dispx，，，，分散，，，，分配），在下面的第二个屏幕截图中显示。

示例X方向案例，显示选择连接到下一个单元单元的边界的过程，该过程显示为六个平面之一（顶部）和边界探针设置（底部）。图像由Jingyuan Qu和Muamer Kadic提供。

接下来，将探针变量用作两侧的边界条件（规定位移）。也就是说，在X- ‘边界，X方向位移设置为dispx，在'X+’边界，设置为 -dispx。然后将类似的边界条件设置在其他周期性切割上。想法是流离失所dispx，仍然未知，成为解决方案的一部分。由于对规定位移的共轭反作用力必须为零，因此结构将以没有净力的方式扩展或收缩。

规定探测的位移。图片由Jingyuan Qu和Muamer Kadic提供。

继续前进，还施加了外压力。在选择几何形状的外边界并使用高角度公差后，该模型表明未选择隐藏体积中的内边界，如下所示。

外边界设置。图片由Jingyuan Qu和Muamer Kadic提供。

然后，将静静力负荷作为带压力的边界负荷施加（p）。

静液压是作为作用于所有外边界的正常力实现的。图片由Jingyuan Qu和Muamer Kadic提供。

毛弹性超材料的产生结构以不同的角度。图像由Jingyuan Qu提供。

作为比较的点，研究人员还检查了普通的多孔结构和连续的各向同性材料的立方体。当暴露于静水压力升高时，这两种结构的体积都会收缩。在相同的条件下，多孔的超材料扩展 - 突出了其负面有效的可压缩性。

下一步

由于他们的广泛研究，该团队能够捕获超材料的行为，改进其设计，并使用此信息进入制造阶段。尽管使用常规加工技术无法制造这种材料，但3D打印是产生负压超材料的替代选择。3D打印机可以使用在静水压力下收缩的普通材料来形成这种超材料。

Qu指出，在实现它之后，超材料可能会在高压应用中找到使用，因为它能够保持恒定的有效体积，即使受到高压环境的影响也是如此。

了解有关超材料的更多信息

• 查看研究人员的原始工作：
  • 阅读他们的完整论文，“”具有负有效静态可压缩性的孔隙弹性超材料“
  • 查看Phys.org文章在这个超材料上
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