负泊松比结构在家具中的研究现状与应用前景

作者：吕芳莉苗艳凤来源：《木材科学与技术》日期：2022-07-29人气：3683

随着技术的进步和市场的变化，家具产品个性化设计、柔性化生产^[1]、轻质化^[2]及循环利用^[3-4]成为必然所趋，要求家具行业探索新环保材料，改进零部件结构，增强结构力学性能。泊松比也称横向变形系数，用于表征材料在垂直于作用力方向上的横向变形特性，负泊松比材料在受到轴向拉伸（或压缩）时，其垂直方向发生膨胀（或收缩）的力学特性。具有负泊松比特殊效应的拉胀结构（Auxetic structure），具有优异的可设计性、拉胀、剪切模量、断裂韧性、抗冲击吸能、减震降噪等特性^[5-6]，在航空机翼^[7]、纺织产品^[8]、生物医疗^[9]、国防军事^[10]等领域得到广泛研究与应用。近年来，家具领域也开展负泊松比结构研究。负泊松比结构通常以橡胶、泡沫及金属作为材料载体，而在家具中多以金属和塑料为材料载体设计负泊松比效应的家具零部件，以及以纸质材料为载体设计负泊松比蜂窝板。本文从增强部件力学性能、增强连接件力学性能及增强家具整体力学性能三个方面，探讨负泊松比结构在家具中的应用前景。

1 负泊松比结构形式与应用

具有负泊松比效应的天然材料较少^[11]，更多的是探索开发的人工材料^[12]。总结负泊松比结构及其在航空、纺织等领域的应用，为其在家具中的应用提供借鉴。

1.1　基本结构

目前负泊松比结构主要包括凹角结构（re-entrant structures）、手性结构（chiral structures）、转动刚体结构（rotational rigid structures）、穿孔板结构和褶皱结构^[11-16]，如图1所示。

图1 负泊松比结构基本形式^{[13-14, 17-21]}

Fig.1 Basic form of NPR structure

凹角结构是薄肋和铰接点组成的桁架结构，与传统单元不同，铰接点位于每个薄肋的中段。当受到一个方向的拉力，整个结构由于杆件相互连接，杆件之间的角度发生变化，使得垂直方向上的尺寸随之变化。二维凹角结构根据内凹数量1、2和4，可分为双箭头凹角、内凹六边形及星形凹角结构^[13]。三维结构也可创造很多变体，如X型内凹蜂窝结构模型^[17]。

手性结构单元由圆柱中心体和连接韧带所构成。一个圆柱中心体上可以连接多个连接韧带，称为多阶结构单元^[22]。根据连接韧带的不同方向又可分为手性和反手性结构。当手性结构在一个方向受拉力或压力，韧带会随之带动圆柱中心旋转、收缩或扩张，由此得到负泊松比特性。与凹角单元不同，手性单元的泊松比不依赖于任何结构角度^[23]。由于其特殊结构，泊松比大小取决于韧带长度和厚度的比值^[15]。

转动刚体结构通过铰接点连接方正刚体，可以看作是一种理想的旋转结构。加载时，刚体在顶点即铰接处旋转，根据受力的不同类型发生扩展或收缩。根据旋转体形状不同，分为旋转正方形、矩形、三角形和六边形等^[14]。

穿孔板结构通过在板件上开出不同形状和大小的孔获得负泊松比效应。其灵活性较高，通过不同的孔形可分别模拟以上各结构的变形机理。

褶皱结构是平面结构的变体，由特殊的空间褶皱引起负泊松比现象。当在横向上对其拉伸，由于褶皱的扩展带来纵向膨胀。

1.2　应用方向

应用负泊松比可开发各种特性材料，如高剪切强度、高硬度、高韧性、较大弹性模量及低震动材料^[24]，目前相关研究可归纳为微观材料层级和宏观结构层级^[25]：微观材料层级着眼于材料本身，如织物及医疗创新材料优化舒适性及设备稳定性问题；宏观结构层级研究多以增强结构力学性能为目的。国内20世纪90年代开始探索负泊松比材料与结构，目前在织物^[8]、航天航空^[7]及汽车领域^[11]取得较大进展。应用负泊松比开发防护服装、医用纺织品及鞋底等织物，还有航天航空领域的机翼，汽车领域的安全带、弹性座椅等，主要起到抗冲击、提高舒适性及抵抗破坏等作用。国外应用研究还涉及医学用清洁器方面^[15]，传感器、制动器以及一些需要低重量的设备，以满足组件更薄更轻的需求。

2 负泊松比结构在家具中的应用

基于负泊松比的拉胀特性，其在家具领域的应用多为宏观结构层面，通过转移凹角结构、穿孔板结构及手性结构等，对家具结构进行设计和改进，满足高强度和轻质化等需求。图2为部分家具拉胀结构案例，其中2a及2b为凹角结构形式，图2c及2d为穿孔板形式^[26-29]。

图2 家具负泊松比结构案例^[26-29]

Fig.2 Case study of NPR structure in furniture

2.1　负泊松比结构在家具部件中的应用

通常采取增大板材密度的途径增强家具部件的性能，带来板材重量增大及制造成本增加等问题，而利用负泊松比结构改变家具材料及部件结构，可达到轻质化及提高力学性能的效果。

Donoghue^[30]等发现负泊松比凹角结构层压板比传统层压板具有更强的抗变形能力。SMARDZEWSKI^[31]对比了传统六边形和负泊松比结构纸质蜂窝板的弹性，并且研究了木质拉胀芯蜂窝板的弹性模量及抗弯强度，认为木质拉胀芯蜂窝板在某些场合可替代中密度纤维板和刨花板^[32]。MAJEWSKI等^[26]应用对凹角结构拓扑优化得到的二维内凹三角形结构作为蜂窝板的芯材，替代传统六边形蜂窝结构，发现新材料比传统蜂窝板更薄，但其制成的L形节点的刚度和强度更大。以何种连接形式来满足这些特殊部件的装配问题有待于研究。

2.2　负泊松比结构在家具连接件中的应用

负泊松比在家具连接件中可提高结构连接强度，目前研究主要涉及负泊松比钉接合。以往增强家具节点性能的研究，集中于板材及连接件种类、连接方式等，而负泊松比结构的应用直接改变连接件的结构，使钉结构具有负泊松比效应，在连接部件时易推入家具部件而更难拔出。

REN等^[33]以钢管或橡胶为基材，将穿孔板形式的平面载体转换为管状三维载体，通过在管上开出不同形状的孔获得拉胀性。从拉胀管状结构中获取灵感，有学者开始探究将穿孔板形式应用于销钉及钉类圆柱形结构中，提高钉连接性能。KUSKUN、KASAL等^[28, 34]在销钉内部开不同大小的孔，实验验证了三角形孔及矩形孔的拉胀性能。REN、SHEN等^[29]研究了圆形和椭圆形孔为不同金属钉带来的负泊松比效应，但受金属材料变形的限制及表面粗糙度的影响，与传统钉连接差别不大。寻找一定刚度的材料载体以及适当的空隙率，有助于增强节点性能。

2.3　负泊松比结构在家具整体中的应用

相关研究集中于座椅类家具。拉胀结构具有缓冲特性，与家具中沙发及软包的设计需求相适应，有学者提出利用负泊松比结构使家具产品符合人体工程学，更具舒适性。

Ebe和Griffin^[35]在研究中证明：坐骨处的接触压力值可以作为座椅硬度和舒适度的主要衡量指标。SMARDZEWSKI等^[36-37]以接触压力分布为指标，通过凹角结构优化设计出适应座椅的新结构，利用该结构开发办公室和家居座椅的拉胀压缩弹簧，提高座椅舒适度。SMARDZEWSKI^[27, 38]提出拉胀结构的特征之一是与弹性介质接触时接触应力减小，因此可优化家具座椅设计。

弹簧特性影响沙发舒适度^[39]，坐垫太硬或太软都不舒适，拉胀结构为设计舒适健康座椅提供思路^[40]。针对拆装式沙发^[41]考虑凹角及手性等负泊松比结构，满足消费者的个性化需求。

3 结语

本文总结了负泊松比的结构形式与应用方向，在家具中应用负泊松比结构可增强部件、连接件以及整体的力学性能，目前主要难题及今后研究思路如下。

1）将负泊松比结构应用于家具零部件，必须解决部件连接问题，寻找适合的连接方式。2）目前研究负泊松比结构需要材料载体，通常是先制出样品，再通过试验验证拉胀性；而负泊松比结构形式和尺寸尚无具体标准，缺乏结构参数依据。3）由于制造成本高、不确定性等问题，负泊松比结构在家具中缺乏实际应用，需要寻求适合的应用方式。

针对以上连接方式、结构参数等问题，深入研究家具负泊松比材料与结构，一是与3D打印结合。3D打印技术存在个性化、模块化、多元化的趋势^[42]，不同材料和结构形态的产品都可以通过3D打印技术完成^[43-44]。负泊松比结构存在特殊性，3D打印技术为家具零部件及整体力学性能的研究提供技术支撑。二是借助有限元方法。目前结构研究普遍采用有限元分析，在设计阶段即可对家具结构强度进行预测及优化，增加科学合理性，减少打样测试次数^[45]。目前负泊松比结构应用具有不确定性，可结合该方法进行探索。