負泊松比結(jié)構(gòu)在家具中的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

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

圖1  負泊松比結(jié)構(gòu)基本形式^{[13-14, 17-21]}

Fig.1  Basic form of NPR structure

凹角結(jié)構(gòu)是薄肋和鉸接點組成的桁架結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)單元不同，鉸接點位于每個薄肋的中段。當(dāng)受到一個方向的拉力，整個結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)根據(jù)內(nèi)凹數(shù)量1、2和4，可分為雙箭頭凹角、內(nèi)凹六邊形及星形凹角結(jié)構(gòu)^[13]。三維結(jié)構(gòu)也可創(chuàng)造很多變體，如X型內(nèi)凹蜂窩結(jié)構(gòu)模型^[17]。

手性結(jié)構(gòu)單元由圓柱中心體和連接韌帶所構(gòu)成。一個圓柱中心體上可以連接多個連接韌帶，稱為多階結(jié)構(gòu)單元^[22]。根據(jù)連接韌帶的不同方向又可分為手性和反手性結(jié)構(gòu)。當(dāng)手性結(jié)構(gòu)在一個方向受拉力或壓力，韌帶會隨之帶動圓柱中心旋轉(zhuǎn)、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(jié)構(gòu)角度^[23]。由于其特殊結(jié)構(gòu)，泊松比大小取決于韌帶長度和厚度的比值^[15]。

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

穿孔板結(jié)構(gòu)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(yīng)。其靈活性較高，通過不同的孔形可分別模擬以上各結(jié)構(gòu)的變形機理。

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

應(yīng)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(guān)研究可歸納為微觀材料層級和宏觀結(jié)構(gòu)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(shè)備穩(wěn)定性問題；宏觀結(jié)構(gòu)層級研究多以增強結(jié)構(gòu)力學(xué)性能為目的。國內(nèi)20世紀(jì)90年代開始探索負泊松比材料與結(jié)構(gòu)，目前在織物^[8]、航天航空^[7]及汽車領(lǐng)域^[11]取得較大進展。應(yīng)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(lǐng)域的機翼，汽車領(lǐng)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(yīng)用研究還涉及醫(yī)學(xué)用清潔器方面^[15]，傳感器、制動器以及一些需要低重量的設(shè)備，以滿足組件更薄更輕的需求。

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(jié)構(gòu)改變家具材料及部件結(jié)構(gòu)，可達到輕質(zhì)化及提高力學(xué)性能的效果。

Donoghue^[30]等發(fā)現(xiàn)負泊松比凹角結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)紙質(zhì)蜂窩板的彈性，并且研究了木質(zhì)拉脹芯蜂窩板的彈性模量及抗彎強度，認為木質(zhì)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(yīng)用對凹角結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化得到的二維內(nèi)凹三角形結(jié)構(gòu)作為蜂窩板的芯材，替代傳統(tǒng)六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)，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。

負泊松比在家具連接件中可提高結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的應(yīng)用直接改變連接件的結(jié)構(gòu)，使釘結(jié)構(gòu)具有負泊松比效應(yīng)，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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)中獲取靈感，有學(xué)者開始探究將穿孔板形式應(yīng)用于銷釘及釘類圓柱形結(jié)構(gòu)中，提高釘連接性能。KUSKUN、KASAL等^[28, 34]在銷釘內(nèi)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(yīng)，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(dāng)?shù)目障堵?，有助于增強?jié)點性能。

相關(guān)研究集中于座椅類家具。拉脹結(jié)構(gòu)具有緩沖特性，與家具中沙發(fā)及軟包的設(shè)計需求相適應(yīng)，有學(xué)者提出利用負泊松比結(jié)構(gòu)使家具產(chǎn)品符合人體工程學(xué)，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(biāo)。SMARDZEWSKI等^[36-37]以接觸壓力分布為指標(biāo)，通過凹角結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計出適應(yīng)座椅的新結(jié)構(gòu)，利用該結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的特征之一是與彈性介質(zhì)接觸時接觸應(yīng)力減小，因此可優(yōu)化家具座椅設(shè)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(jié)構(gòu)為設(shè)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(jié)構(gòu)，滿足消費者的個性化需求。