Page 9 - 机械工程材料2024年第十一期

2024 年 11 月 第 48 卷 第 11 期 Vol. 48 No. 11 Nov. 2024

DOI：10. 11973/jxgccl240247

工程领域负刚度超材料的研究进展

姜丽云，刘 峰
（中国民用航空飞行学院航空工程学院，广汉 618307）

摘 要： 负刚度超材料具有负刚度和多稳态特性，在缓冲吸能、微机构驱动、减振降噪和带隙调控
等领域展现出巨大的应用潜力。从单胞结构形式和几何参数、单胞排列方式与数量、结构变形模式
以及基材种类与制备工艺四个方面阐述了负刚度超材料的设计要点。总结了负刚度超材料在声学、
汽车、航空航天、船舶工程、抗震减灾、微电子器件、工业机器人等领域的应用，并展望了负刚度超材
料的发展趋势。
关键词： 负刚度；超材料；增材制造；微结构
中图分类号：O342 文献标志码：A 文章编号：1000-3738（2024）11-0001-09

0 引 言 基于拉菲点阵理论提出了几种多维多向负刚度胞元
构型。ZHU等 ［4］ 重新定义了负刚度的概念，并基于
1968 年，前苏联理论物理学家VESELAGO首
［1］ 负转动刚度单元在理论层面上论证了全向负刚度的
次提出了超材料概念，当时称作“左手材料” 。 ［5］
可行性，提出了准全向负刚度的概念。GUO等 研
20世纪90年代后，超材料因具有特殊电磁性能、负
究发现，三维负刚度超材料可在3个主要方向上表现
刚度、负泊松比、负折射率等超常性能吸引了众多学
出双向负刚度效应，具有六向弹性突跳行为，适用于
者的关注。机械超材料是超材料的重要分支，按照
多向缓冲和吸能的工程场景。根据变形模态，负刚
基本弹性常数特性可分为：具有负弹性模量的折纸
度超材料还可分为单稳态型、双稳态型和多稳态型。
超材料、手性或反手性超材料、多孔板等；具有负剪
单稳态负刚度超材料在外部载荷卸载后可恢复到初
切模量和负体积模量的五模超材料、负压缩性超材
始形态，满足可重用结构的需求；双稳态和多稳态负
料；具有零泊松比或负泊松比的生长超材料、压电超
刚度超材料则在不持续施加外部载荷的情况下也能
材料等。负刚度超材料通常由细观尺度的负刚度单
保持变形后的形态，满足锁能结构的需求。典型双
胞组成，具有负的弹性常数，即在负刚度区域内应变
稳态结构的力-位移曲线的峰值载荷点和谷值载荷
增大时应力反而减小。负刚度力学行为发生时通常 点的刚度为0，说明结构处于临界状态。当谷值载荷
［2］
伴随着“弹性突跳”现象 ，这是材料或结构的稳态
小于0时，结构既表现出负刚度特性又存在第二稳
转换导致的。稳态转换过程中存在微结构失稳屈曲，
态。多稳态超材料的应用是双稳态超材料的进一步
这种传统认知中的结构失效是实现材料负刚度特性
发展和应用。
和刚度调控的基本路径。负刚度超材料可分为单向
负刚度超材料的多稳态和可重复使用性能能够
负刚度、双向负刚度和多向负刚度超材料。由于大
防止结构回跳、抑制加速度响应幅值、有效吸收和耗
多数负刚度超材料具有明显的各向异性，无方向依
散能量，其非线性力学响应可以有效隔离振动，稳
赖性的全向负刚度在实际应用中难以实现，但仍有
态转换可以实现带隙调控。此外，利用负刚度结构
少数学者对多向或全向负刚度进行了研究。任晨辉 ［3］
设计的驱动器能够克服传统驱动器质量大和功耗高
等问题。因此，负刚度超材料在缓冲吸能、减振降
噪、微机构驱动和带隙调控等领域具有广阔的应用
收稿日期：2024-05-16；修订日期：2024-09-15 前景。目前，负刚度超材料的研究主要集中在结构
基金项目：中央高校教育教学改革专项项目（E2024010） ；四川省高 设计优化、多稳态机制研究以及实际应用探索方面。

校仪器及力学教指委重点项目（2023JG-4） ；中央高校基
为了给相关人员提供参考，作者综述了工程领域负
本科研业务费基金资助项目（24CAFUC03024）
刚度超材料的设计要点和应用情况，展望了其未来
作者简介： 姜丽云（2000—），女，山东烟台人，硕士研究生
导师：刘峰教授 的发展趋势。
1