负泊松比内凹多孔骨微结构设计与力学性能分析

摘要

针对人体骨结构的弹性模量与金属材料相差悬殊、调控困难等问题,以减低或消除广跨度下的“应力屏蔽”效应为目标,引入具有非常规变形机制的负泊松比超材料,开展广跨度低弹性模量的多孔微结构的设计与实验研究。选用负泊松比内凹单元,设计不同控制参数和孔隙率的三维胞元多孔微结构;采用选区激光熔化成型技术制备实验样件,通过压缩试验揭示强度、弹性模量等力学性能与结构参数间的影响规律,评测负泊松比微结构与人骨的匹配度。试验结果表明:内凹六边形多孔结构的可制造性较好,成型质量与内凹角、孔隙率具有相关性;六边形内凹负泊松比结构的力学性能高度依赖于胞元的几何结构和孔隙率。相较于正泊松比,负泊松比内凹结构在相同的孔隙率下具有更低的弹性模量和相近的屈服强度,能对高弹性模量的316L不锈钢骨材料进行0.47 GPa~1.75 GPa的广跨度调控。可见,负泊松比内凹微结构在人体骨结构的应用上具备潜在优势。