按需拉胀行为:新设计的三个步骤方案

尽管具有出色的力学性能和许多工业应用,新型可控拉胀材料的理性与系统化设计仍很不成熟。本文建立一个统一框架来描述可用于新材料设计的二维完美拉胀材料。完美拉胀材料的特征是在有限应变范围内泊松比 $\nu=-1$,且可建模为由旋转刚性单元组成的材料。受这些旋转刚性单元与反铁磁自旋系统之间天然联系的启发,本文揭示了导致拉胀行为的非平凡零模出现的条件。此外,该模型基于三个简单步骤为设计新型拉胀材料铺就了简便途径,这些步骤设定了完美拉胀材料的充分连通性与几何约束。特别地,首次设计并构建了新型奇异晶体、Penrose准晶体以及长期渴求的各向同性拉胀材料。利用3D打印材料、有限元方法和该刚性单元模型,表明这些设计的拉胀行为在结构小扰动下是稳健的,尽管泊松比值依赖于系统细节,在接近理想情形时趋近于 $-1$。