負泊松比結構在家具中的研究現(xiàn)狀與應用前景

作者：呂芳莉苗艷鳳來源：《木材科學與技術》日期：2022-07-29人氣：4869

隨著技術的進步和市場的變化，家具產品個性化設計、柔性化生產^[1]、輕質化^[2]及循環(huán)利用^[3-4]成為必然所趨，要求家具行業(yè)探索新環(huán)保材料，改進零部件結構，增強結構力學性能。泊松比也稱橫向變形系數(shù)，用于表征材料在垂直于作用力方向上的橫向變形特性，負泊松比材料在受到軸向拉伸（或壓縮）時，其垂直方向發(fā)生膨脹（或收縮）的力學特性。具有負泊松比特殊效應的拉脹結構（Auxetic structure），具有優(yōu)異的可設計性、拉脹、剪切模量、斷裂韌性、抗沖擊吸能、減震降噪等特性^[5-6]，在航空機翼^[7]、紡織產品^[8]、生物醫(yī)療^[9]、國防軍事^[10]等領域得到廣泛研究與應用。近年來，家具領域也開展負泊松比結構研究。負泊松比結構通常以橡膠、泡沫及金屬作為材料載體，而在家具中多以金屬和塑料為材料載體設計負泊松比效應的家具零部件，以及以紙質材料為載體設計負泊松比蜂窩板。本文從增強部件力學性能、增強連接件力學性能及增強家具整體力學性能三個方面，探討負泊松比結構在家具中的應用前景。

1 負泊松比結構形式與應用

具有負泊松比效應的天然材料較少^[11]，更多的是探索開發(fā)的人工材料^[12]。總結負泊松比結構及其在航空、紡織等領域的應用，為其在家具中的應用提供借鑒。

1.1　基本結構

目前負泊松比結構主要包括凹角結構（re-entrant structures）、手性結構（chiral structures）、轉動剛體結構（rotational rigid structures）、穿孔板結構和褶皺結構^[11-16]，如圖1所示。

圖1 負泊松比結構基本形式^{[13-14, 17-21]}

Fig.1 Basic form of NPR structure

凹角結構是薄肋和鉸接點組成的桁架結構，與傳統(tǒng)單元不同，鉸接點位于每個薄肋的中段。當受到一個方向的拉力，整個結構由于桿件相互連接，桿件之間的角度發(fā)生變化，使得垂直方向上的尺寸隨之變化。二維凹角結構根據內凹數(shù)量1、2和4，可分為雙箭頭凹角、內凹六邊形及星形凹角結構^[13]。三維結構也可創(chuàng)造很多變體，如X型內凹蜂窩結構模型^[17]。

手性結構單元由圓柱中心體和連接韌帶所構成。一個圓柱中心體上可以連接多個連接韌帶，稱為多階結構單元^[22]。根據連接韌帶的不同方向又可分為手性和反手性結構。當手性結構在一個方向受拉力或壓力，韌帶會隨之帶動圓柱中心旋轉、收縮或擴張，由此得到負泊松比特性。與凹角單元不同，手性單元的泊松比不依賴于任何結構角度^[23]。由于其特殊結構，泊松比大小取決于韌帶長度和厚度的比值^[15]。

轉動剛體結構通過鉸接點連接方正剛體，可以看作是一種理想的旋轉結構。加載時，剛體在頂點即鉸接處旋轉，根據受力的不同類型發(fā)生擴展或收縮。根據旋轉體形狀不同，分為旋轉正方形、矩形、三角形和六邊形等^[14]。

穿孔板結構通過在板件上開出不同形狀和大小的孔獲得負泊松比效應。其靈活性較高，通過不同的孔形可分別模擬以上各結構的變形機理。

褶皺結構是平面結構的變體，由特殊的空間褶皺引起負泊松比現(xiàn)象。當在橫向上對其拉伸，由于褶皺的擴展帶來縱向膨脹。

1.2　應用方向

應用負泊松比可開發(fā)各種特性材料，如高剪切強度、高硬度、高韌性、較大彈性模量及低震動材料^[24]，目前相關研究可歸納為微觀材料層級和宏觀結構層級^[25]：微觀材料層級著眼于材料本身，如織物及醫(yī)療創(chuàng)新材料優(yōu)化舒適性及設備穩(wěn)定性問題；宏觀結構層級研究多以增強結構力學性能為目的。國內20世紀90年代開始探索負泊松比材料與結構，目前在織物^[8]、航天航空^[7]及汽車領域^[11]取得較大進展。應用負泊松比開發(fā)防護服裝、醫(yī)用紡織品及鞋底等織物，還有航天航空領域的機翼，汽車領域的安全帶、彈性座椅等，主要起到抗沖擊、提高舒適性及抵抗破壞等作用。國外應用研究還涉及醫(yī)學用清潔器方面^[15]，傳感器、制動器以及一些需要低重量的設備，以滿足組件更薄更輕的需求。

2 負泊松比結構在家具中的應用

基于負泊松比的拉脹特性，其在家具領域的應用多為宏觀結構層面，通過轉移凹角結構、穿孔板結構及手性結構等，對家具結構進行設計和改進，滿足高強度和輕質化等需求。圖2為部分家具拉脹結構案例，其中2a及2b為凹角結構形式，圖2c及2d為穿孔板形式^[26-29]。

圖2 家具負泊松比結構案例^[26-29]

Fig.2 Case study of NPR structure in furniture

2.1　負泊松比結構在家具部件中的應用

通常采取增大板材密度的途徑增強家具部件的性能，帶來板材重量增大及制造成本增加等問題，而利用負泊松比結構改變家具材料及部件結構，可達到輕質化及提高力學性能的效果。

Donoghue^[30]等發(fā)現(xiàn)負泊松比凹角結構層壓板比傳統(tǒng)層壓板具有更強的抗變形能力。SMARDZEWSKI^[31]對比了傳統(tǒng)六邊形和負泊松比結構紙質蜂窩板的彈性，并且研究了木質拉脹芯蜂窩板的彈性模量及抗彎強度，認為木質拉脹芯蜂窩板在某些場合可替代中密度纖維板和刨花板^[32]。MAJEWSKI等^[26]應用對凹角結構拓撲優(yōu)化得到的二維內凹三角形結構作為蜂窩板的芯材，替代傳統(tǒng)六邊形蜂窩結構，發(fā)現(xiàn)新材料比傳統(tǒng)蜂窩板更薄，但其制成的L形節(jié)點的剛度和強度更大。以何種連接形式來滿足這些特殊部件的裝配問題有待于研究。

2.2　負泊松比結構在家具連接件中的應用

負泊松比在家具連接件中可提高結構連接強度，目前研究主要涉及負泊松比釘接合。以往增強家具節(jié)點性能的研究，集中于板材及連接件種類、連接方式等，而負泊松比結構的應用直接改變連接件的結構，使釘結構具有負泊松比效應，在連接部件時易推入家具部件而更難拔出。

REN等^[33]以鋼管或橡膠為基材，將穿孔板形式的平面載體轉換為管狀三維載體，通過在管上開出不同形狀的孔獲得拉脹性。從拉脹管狀結構中獲取靈感，有學者開始探究將穿孔板形式應用于銷釘及釘類圓柱形結構中，提高釘連接性能。KUSKUN、KASAL等^[28, 34]在銷釘內部開不同大小的孔，實驗驗證了三角形孔及矩形孔的拉脹性能。REN、SHEN等^[29]研究了圓形和橢圓形孔為不同金屬釘帶來的負泊松比效應，但受金屬材料變形的限制及表面粗糙度的影響，與傳統(tǒng)釘連接差別不大。尋找一定剛度的材料載體以及適當?shù)目障堵?，有助于增強?jié)點性能。

2.3　負泊松比結構在家具整體中的應用

相關研究集中于座椅類家具。拉脹結構具有緩沖特性，與家具中沙發(fā)及軟包的設計需求相適應，有學者提出利用負泊松比結構使家具產品符合人體工程學，更具舒適性。

Ebe和Griffin^[35]在研究中證明：坐骨處的接觸壓力值可以作為座椅硬度和舒適度的主要衡量指標。SMARDZEWSKI等^[36-37]以接觸壓力分布為指標，通過凹角結構優(yōu)化設計出適應座椅的新結構，利用該結構開發(fā)辦公室和家居座椅的拉脹壓縮彈簧，提高座椅舒適度。SMARDZEWSKI^[27, 38]提出拉脹結構的特征之一是與彈性介質接觸時接觸應力減小，因此可優(yōu)化家具座椅設計。

彈簧特性影響沙發(fā)舒適度^[39]，坐墊太硬或太軟都不舒適，拉脹結構為設計舒適健康座椅提供思路^[40]。針對拆裝式沙發(fā)^[41]考慮凹角及手性等負泊松比結構，滿足消費者的個性化需求。

3 結語

本文總結了負泊松比的結構形式與應用方向，在家具中應用負泊松比結構可增強部件、連接件以及整體的力學性能，目前主要難題及今后研究思路如下。

1）將負泊松比結構應用于家具零部件，必須解決部件連接問題，尋找適合的連接方式。2）目前研究負泊松比結構需要材料載體，通常是先制出樣品，再通過試驗驗證拉脹性；而負泊松比結構形式和尺寸尚無具體標準，缺乏結構參數(shù)依據。3）由于制造成本高、不確定性等問題，負泊松比結構在家具中缺乏實際應用，需要尋求適合的應用方式。

針對以上連接方式、結構參數(shù)等問題，深入研究家具負泊松比材料與結構，一是與3D打印結合。3D打印技術存在個性化、模塊化、多元化的趨勢^[42]，不同材料和結構形態(tài)的產品都可以通過3D打印技術完成^[43-44]。負泊松比結構存在特殊性，3D打印技術為家具零部件及整體力學性能的研究提供技術支撐。二是借助有限元方法。目前結構研究普遍采用有限元分析，在設計階段即可對家具結構強度進行預測及優(yōu)化，增加科學合理性，減少打樣測試次數(shù)^[45]。目前負泊松比結構應用具有不確定性，可結合該方法進行探索。