近日，我校珠宝学院“宝石矿物材料与设计智造”研究生导学团队在三维手性负泊松比结构设计与变形机理研究中取得重要进展，相关成果发表于国际知名期刊《Materials & Design》(JCR Q1，创新设计领域TOP期刊)，并入选该刊当期(Volume 259)封面。论文题目为“Towards understanding the design principle and rotation deformation mechanics of 3D chiral NPR structure with tunable mechanical responses”。

  本期封面展示了三维手性负泊松比结构及其在穿戴防护领域的应用(图1)，这也是珠宝学院在《Materials & Design》上发表的封面论文。该论文第一作者为珠宝学院博士生潘瑞琪，其研究工作在学院张荣红教授、李妍教授、殷杰教授等，南方科技大学创新创意设计学院郝亮教授，以及华中科技大学材料科学与工程学院闫春泽教授、杨磊副教授的共同指导下完成。该成果在数字化设计与智能制造背景下，推动了“艺术与科技融合”的学科交叉，促进了学院设计学与材料科学的交叉融合。

  图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. (设计类T1)

  随着可穿戴技术的发展，对材料轻量化、高韧性和人体贴合性提出了更高要求。负泊松比材料具有在纵向拉伸时横向膨胀、压缩时横向收缩，展现出独特的力学行为，尤其适用于复杂曲面贴合与能量吸收等场景。然而，传统三维负泊松比结构存在制造难度大、性能调控困难等问题。为此，作者提出一种新型三维负泊松比结构设计策略，弥合了数字模型与实际制造之间的差距，通过创新设计三维手性负泊松比结构，实现了机械性能的可控调节，为柔性可穿戴提供了新的解决方案。

  本研究基于二维交错肋架构，设计出三种三维手性负泊松比结构(F-NPR、W-NPR、N-NPR)，并采用数字光处理技术DLP(Digital Light Processing, DLP)实现高精度制造，揭示了结构设计与制造精度之间的内在联系。结果表明，节点增强型N-NPR结构展现出优异的可成形性，尤其适用于DLP增材制造工艺(图2、图3)。

  图2 主要研究思路

  图3 DLP制造的F-NPR、W-NPR和N-NPR三种结构的物理缺陷对比

  图4 基于有限元模拟的N-NPR结构在压缩载荷下的两段式旋转-扭转变形

  通过有限元模拟与实验验证，研究系统探讨了杆径尺寸与单元尺寸对N-NPR结构力学性能的影响。结果表明，通过调节体积分数，可精准调控N-NPR结构的压缩/拉伸强度、泊松比及能量吸收能力。该结构在压缩与拉伸过程中均表现出显著的负泊松比效应，并在压缩载荷下呈现出独特的两段式旋转-扭转变形机制，提升了材料的设计自由度(图4)。

  该研究为智能可穿戴设备、航空航天和生物医学工程等领域提供了创新思路与解决方案。未来，团队将进一步融合人工智能技术，开发多功能集成的柔性可穿戴材料与结构。

  本研究受国家自然科学基金(No.U2341270、52235008)、湖北省重点研发计划(No.2023BAA023)、广东省基础与应用基础研究自然科学基金面上项目(No.2024A1515010772)及“地大学者”资助项目(No.2022185)等多项项目支持。

论文链接： https://doi.org/10.1016/j.matdes.2025.114784

  《Materials & Design》(《材料与设计》，IF = 7.9)是由ELSEVIER出版的知名学术期刊，致力于发表材料设计领域的创新与前瞻性研究，探索材料结构、性能与加工之间的内在联系。该期刊致力于发表高水平、高影响力的研究成果，推动材料科学、工程、生物学以及人工智能等新兴领域的发展。该期刊被中国地质大学(武汉)珠宝学院认定为T1类期刊。本文也是近年来珠宝学院硕士/博士研究生在《Materials & Design》上持续发表的第六篇论文。