Page 11 - 机械工程材料2024年第十一期
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姜丽云，等：工程领域负刚度超材料的研究进展
构，这种梯度结构设计可以实现多级模式转换，有效 负刚度效应。胡玲玲等 ［26］ 设计了具有压扭耦合效
改善负刚度超材料性能，同时不同层串联结构因几 应的轻质高强蜂窝结构超材料，为负刚度超材料的
何参数不同而具有不同的屈曲强度，在加载时可按 设计提供了新思路。ZHANG等 ［27］ 提出了一种圆形
设计顺序逐层失稳。SHAFIPOUR等 ［24］ 通过数值 Halbach扭转负刚度隔振器，该隔振器能够提高扭转
模拟与试验分析了功能梯度负刚度蜂窝超材料的能 磁负刚度并实现低频隔振。谭小俊 ［7］ 基于磁体间作
量吸收性能，发现梯度结构比均匀结构具有更高的 用力与位置的关系设计了基于多磁体系统的新型剪
能量吸收率。TAN等 ［25］ 设计了一种气动实时调控 切负刚度超材料，在单向剪切致负刚度超材料研究
三向负刚度超材料，其单胞结构由负刚度锥形壳单 的基础上设计了双向剪切致负刚度超材料，实现了
元和立方支撑结构组成，并研究了其内部压力、串联 可调节自身力学响应的功能。
单胞数量和壳单元参数对模态转换、能量吸收性能 负刚度超材料的变形方式主要取决于其结构设
和隔振性能的影响，发现：单胞数量主要影响吸能能 计和加载条件：具有复杂几何形状的负刚度超材料
力，单个单胞加载与卸载的响应曲线完全重合，说明 可适应压弯扭多种变形模式共同作用，从而提高材
此过程无能量耗散，3个单胞串联时加载与卸载的响 料的稳定性和耐久性；层状结构或交错排列的结构
应曲线不完全重合，说明实现了耗能；在气压作用 可提高材料的抗剪强度和剪切刚度；具有复杂连接
下，合理调节气压可以不依赖单胞数量来提高吸能 方式和多层次结构的负刚度超材料能够承受压剪扭
效率，并能大幅提高该超材料的承载能力。 等复杂外部载荷。
负刚度超材料单胞的排列方式主要包括串联或 1.4 基材种类设计
并联排列、梯度排列、随机排列、分层排列等4 种。 负刚度超材料的细观胞元通常由弹性材料和刚
串联排列可以增加结构的整体刚度，并联排列可以 度较高的支撑结构组成：弹性材料能够实现较大的
提高结构的能量吸收能力和稳定性，单胞通过同向 应变，但强度较低；支撑结构能够抑制结构在受载时
或镜像串联或并联排列，形成规则的负刚度超材料； 产生不必要的变形。弹性材料的性能在很大程度上
梯度排列是指单胞按照一定的梯度变化规律进行排 决定着负刚度超材料的力学性能。CHEN等 ［28］ 制
列，这种排列能够使不同区域具有不同的力学行为， 备了一种以聚酰胺和硅橡胶为基材的可重复使用负
适用于需要多功能性和渐变性的应用场景；单胞随 刚度超材料，该超材料具有较好的能量耗散能力和
机排列可形成非均匀的负刚度超材料结构，从而提 缓冲性能。CHEN等 ［29］ 使用碳纤维复合材料为基
高超材料的复杂性和多样性；分层排列是指不同类 材制备了基于弯曲梁单元的负刚度超材料，该超材
型单胞按层次排列，可形成多层结构的负刚度超材 料具有良好的可重复使用、能量吸收和抗冲击性能。
料，实现不同性能的叠加。 ZHONG等 ［30］ 设计了一种以低密度的Ti-6Al-4V合
单胞的数量影响着负刚度超材料整体结构的载 金为基材超材料，与相同密度的多孔金属材料相比，
荷峰值、吸能能力和能量耗散。随着单胞数量的增 其强度显著提高。负刚度超材料常用基材及其优缺
加，叠加具有相位差的单胞会导致峰值区域和谷值 点见表1。
区域叠加，使得材料失去多稳态功能。多稳态负刚 负刚度超材料的制备工艺应能在保证精度的前
度结构具有较高的比吸能，但随着串联的负刚度单 提下，实现各类复杂腔体和实体的成型，主要包括模
胞数量的增加，材料的吸能效率会持续提高，达到一 塑成型法 ［25，28］ 、自组装法 ［31-32］ 、切割和折叠法 ［33］ 以
定程度后，其吸能能力会趋于饱和。单胞数量较少 及增材制造技术等。模塑成型法适用于大规模生产，
时材料的比阻尼系数增长较快，超过某一阈值时比 但需要设计和制造负刚度结构的模具；自组装法在
阻尼系数的增长会趋于平缓，这可能与滞回环的形 控制温度、压力和溶剂等条件下，使材料自发形成具
状变化不再显著有关。 有负刚度效应的超材料结构，适用于制备纳米级或
1.3 变形模式 微米级的非天然生物大分子超材料；切割和折叠法
负刚度超材料受结构形式限制，变形模式单一， 是指通过激光切割或机械加工等方法，将原材料切
通常只能在特定方向上通过压缩和拉伸实现负刚度 割成特定的形状，再经折叠等方式形成超材料结构，
行为和稳态转换。压扭耦合结构的出现打破了负刚 适用于制备负刚度折纸超材料；增材制造技术具有
度超材料变形模式单一的限制，通过剪切也能产生 制造周期短、可节约材料和设计灵活等优势，特别适
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