Soft network materials with isotropic negative Poisson's ratios over large strains

辅助 各向同性 泊松分布 泊松比 拓扑(电路) 之字形的 航程(航空) 计算机科学 材料科学 物理 数学 统计 几何学 光学 复合材料 组合数学
作者
Jianxing Liu,Yihui Zhang
出处
期刊:Soft Matter [Royal Society of Chemistry]
卷期号:14 (5): 693-703 被引量:139
标识
DOI:10.1039/c7sm02052j
摘要

Auxetic materials with negative Poisson's ratios have important applications across a broad range of engineering areas, such as biomedical devices, aerospace engineering and automotive engineering. A variety of design strategies have been developed to achieve artificial auxetic materials with controllable responses in the Poisson's ratio. The development of designs that can offer isotropic negative Poisson's ratios over large strains can open up new opportunities in emerging biomedical applications, which, however, remains a challenge. Here, we introduce deterministic routes to soft architected materials that can be tailored precisely to yield the values of Poisson's ratio in the range from -1 to 1, in an isotropic manner, with a tunable strain range from 0% to ∼90%. The designs rely on a network construction in a periodic lattice topology, which incorporates zigzag microstructures as building blocks to connect lattice nodes. Combined experimental and theoretical studies on broad classes of network topologies illustrate the wide-ranging utility of these concepts. Quantitative mechanics modeling under both infinitesimal and finite deformations allows the development of a rigorous design algorithm that determines the necessary network geometries to yield target Poisson ratios over desired strain ranges. Demonstrative examples in artificial skin with both the negative Poisson's ratio and the nonlinear stress-strain curve precisely matching those of the cat's skin and in unusual cylindrical structures with engineered Poisson effect and shape memory effect suggest potential applications of these network materials.
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