近日，我校珠寶學院“寶石礦物材料與設計智造”研究生導學團隊在三維手性負泊松比結構設計與變形機理研究中取得重要進展，相關成果發表于國際知名期刊《Materials & Design》(JCR Q1，創新設計領域TOP期刊)，并入選該刊當期(Volume 259)封面。論文題目為“Towards understanding the design principle and rotation deformation mechanics of 3D chiral NPR structure with tunable mechanical responses”。

  本期封面展示了三維手性負泊松比結構及其在穿戴防護領域的應用(圖1)，這也是珠寶學院在《Materials & Design》上發表的封面論文。該論文第一作者為珠寶學院博士生潘瑞琪，其研究工作在學院張榮紅教授、李妍教授、殷杰教授等，南方科技大學創新創意設計學院郝亮教授，以及華中科技大學材料科學與工程學院閆春澤教授、楊磊副教授的共同指導下完成。該成果在數字化設計與智能制造背景下，推動了“藝術與科技融合”的學科交叉，促進了學院設計學與材料科學的交叉融合。

  圖1 期刊封面 | Ruiqi Pan(第一作者), Ruiying Luo, Wei Xiong, Qiaoyu Chen, Jiafeng Wu, Chunze Yan, Liang Hao, Jie Yin, Zheng Li, Ronghong Zhang*, Lei Yang*, Yan Li. Towards understanding the design principle and rotation deformation mechanics of 3D chiral NPR structure with tunable mechanical responses. Materials and Design. 2025, 259, 114784. (設計類T1)

  隨著可穿戴技術的發展，對材料輕量化、高韌性和人體貼合性提出了更高要求。負泊松比材料具有在縱向拉伸時橫向膨脹、壓縮時橫向收縮，展現出獨特的力學行為，尤其適用于復雜曲面貼合與能量吸收等場景。然而，傳統三維負泊松比結構存在制造難度大、性能調控困難等問題。為此，作者提出一種新型三維負泊松比結構設計策略，彌合了數字模型與實際制造之間的差距，通過創新設計三維手性負泊松比結構，實現了機械性能的可控調節，為柔性可穿戴提供了新的解決方案。

  本研究基于二維交錯肋架構，設計出三種三維手性負泊松比結構(F-NPR、W-NPR、N-NPR)，并采用數字光處理技術DLP(Digital Light Processing, DLP)實現高精度制造，揭示了結構設計與制造精度之間的內在聯系。結果表明，節點增強型N-NPR結構展現出優異的可成形性，尤其適用于DLP增材制造工藝(圖2、圖3)。

  圖2 主要研究思路

  圖3 DLP制造的F-NPR、W-NPR和N-NPR三種結構的物理缺陷對比

  圖4 基于有限元模擬的N-NPR結構在壓縮載荷下的兩段式旋轉-扭轉變形

  通過有限元模擬與實驗驗證，研究系統探討了桿徑尺寸與單元尺寸對N-NPR結構力學性能的影響。結果表明，通過調節體積分數，可精準調控N-NPR結構的壓縮/拉伸強度、泊松比及能量吸收能力。該結構在壓縮與拉伸過程中均表現出顯著的負泊松比效應，并在壓縮載荷下呈現出獨特的兩段式旋轉-扭轉變形機制，提升了材料的設計自由度(圖4)。

  該研究為智能可穿戴設備、航空航天和生物醫學工程等領域提供了創新思路與解決方案。未來，團隊將進一步融合人工智能技術，開發多功能集成的柔性可穿戴材料與結構。

  本研究受國家自然科學基金(No.U2341270、52235008)、湖北省重點研發計劃(No.2023BAA023)、廣東省基礎與應用基礎研究自然科學基金面上項目(No.2024A1515010772)及“地大學者”資助項目(No.2022185)等多項項目支持。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114784

  《Materials & Design》(《材料與設計》，IF = 7.9)是由ELSEVIER出版的知名學術期刊，致力于發表材料設計領域的創新與前瞻性研究，探索材料結構、性能與加工之間的內在聯系。該期刊致力于發表高水平、高影響力的研究成果，推動材料科學、工程、生物學以及人工智能等新興領域的發展。該期刊被中國地質大學(武漢)珠寶學院認定為T1類期刊。本文也是近年來珠寶學院碩士/博士研究生在《Materials & Design》上持續發表的第六篇論文。