力学超构材料(Mechanical Metamaterials)因为人工设计的微结构所带来的奇特性质,得到研究者广泛关注。作为力学超构材料重要的一类,拉胀超构材料(Auxetic Metamaterials)由于人工微结构的独特变形机制,呈现出负的泊松比,从而带来一系列优异的力学性质,可应用在智能纤维、传感器、保护装置、减振和生物医药领域。目前,拉胀超构材料的设计主要基于凹角结构、手性结构、旋转刚体结构和折纸结构等物理模型。本文首先讨论了拉胀超构材料的设计思路,其次基于凹角结构和手性结构设计了一些新颖的力学超构材料,利用复模法和3D打印制备了两种凹角和手性拉胀超构材料,最后对其应力、应变和弹性波传播进行了实验测量和模拟,并提出相应的理论模型。1.基于反手性结构设计了一种连杆面外弯曲的拉胀超构材料。通过有限元方法分析发现该结构压缩变形时应力与其弯曲程度正相关,改变连杆的曲率可以调节该拉胀超构材料的有效刚度。2.基于凹角结构设计了一种“拱形”单元。单轴拉、压实验结果表明该结构具有明显的拉胀现象和“J”型应力-应变曲线。利用COMSOL模拟分析发现结构的泊松比极值,泊松比极值的应变、具有负泊松比的应变范围都强烈依赖于结构的几何参数。3.运用有限元分析对三种手性结构进行系统的研究,结果表明手性结构具备稳定的泊松比和优异的力学性能。三种手性结构因为连杆和中心体的有效质量差,可以产生明显的弹性波带隙。实验上对层状结构从5Hz到10 kHz的振动透过率进行测量,结果与模拟值吻合较好。4.以具有面外振动模式的准二维手性为基础,设计了一种立方体三维手性结构,该结构具有三条明显的弹性波带隙(宽度为40%、41%、72%),第一带隙归一化起始频率为0.015。实验上测量了基于3D打印制备的样品在20Hz-7kHz范围内透过率,结果表明在禁带频率内透过率明显降低(-70dB)。以刚体-弹簧模型为指导,在中心圆盘嵌入铜块可以加大该结构的带隙宽度(63%、83%、87%)和降低第一禁带归一化起始频率(0.006)。