一种新型三维膨胀晶格增强冰基复合材料的压缩性能：实验与建模

正弦波 auxetic 晶格通过降低应力集中和可调泊松比改善冰基复合材料力学性能，实验与有限元模型验证显示4×4×4单元模型压缩模量提升58.16%，峰值应力增加250.48%，吸能能力提升689.17%，其增强机制涉及 auxetic 效应、界面桥接和亲水表面效应。

　　

刘瑞鹏|雷永鹏|刘 Zhu|郝天辉|王慧|郭浩天

海南大学土木与建筑工程学院，中国海南570228

摘要

由于在服役环境中的强度不足和脆性，基于冰的结构容易发生瞬时破坏。在本研究中，采用了正弦辅助晶格来降低应力集中并调节泊松比，从而改善纯冰的力学性能。通过压缩实验和经过验证的有限元模型，系统地研究了正弦曲线增强型基于冰的复合材料的力学响应。随后进行了参数分析，以量化几何参数（包括振幅、扭转角、截面直径和单元格数量）的影响。研究发现，与新鲜水冰相比，4×4×4单元格模型的力学性能显著提高：压缩模量增加了58.16%，峰值应力增加了250.48%，比能量吸收增加了689.17%。PA12辅助晶格的增强机制可以归结为辅助效应、桥接连接和亲水界面。

引言

冰结构因其丰富的资源和低成本特性，在寒冷地区有广泛的应用，如冰跑道（White和McCallum，2018年）、冰穹顶（Vasiliev等人，2015年）和冰路（Lang等人，1997年）等。然而，由于在服役环境中的强度不足和脆性，基于冰的结构容易发生瞬时破坏（Petrovic，2003年），这严重限制了冰作为建筑材料的使用。因此，需要从材料和结构两个方面对冰进行增强。

提高纯冰力学性能的传统方法主要包括添加分散颗粒（Hani和Evirgen，2023年；Li等人，2015年；Zheng等人，2024年）和短纤维（Masterson，2009年；Liu等人，2020年；Buznik等人，2022年）。常用的颗粒增强材料有淤泥和锯末，这些材料可以使冰的压缩强度提高约2倍（Nuzhnyi等人，2020年）。Ohashi等人（Ohashi等人，2018年）发现，用纸浆纤维增强的基于冰的复合材料（IBC）在压缩强度和延展性方面比玻璃纤维具有更多优势。Wu等人（Wu等人，2019年；Wu等人，2020a；Lou和Wu，2021年；Lou和Wu，2022年）通过劈裂拉伸试验、压缩试验和弯曲试验进一步系统研究了纸浆纤维增强IBC的力学性能，定量分析了环境温度和纤维含量对强度和模量的影响，并揭示了相应的失效机制。然而，当纤维含量超过临界值时，纤维会发生团聚，可能导致整体力学性能下降。由于纤维增强方法在提高力学性能方面的局限性，高性能IBC需要在结构设计上寻求突破。

最近，具有负泊松比的机械超材料因其轻质和优异的力学性能而受到广泛关注（Wu等人，2023年）。在单轴压缩下，这些结构表现出横向收缩，而在拉伸作用下则表现出横向膨胀。由于它们独特的力学性能（Luo等人，2021年），如抗剪切性、改善的断裂韧性和优越的能量吸收能力，机械超材料在建筑工程领域具有广泛的应用前景。大量文献报道了辅助超材料，这些材料可以分为蜂窝结构（Wang等人，2023年；Yu等人，2018年）和复合材料结构（Rosewitz等人，2019年）。辅助超材料可以通过排列蜂窝结构来制造，例如凹陷蜂窝（Menon等人，2022年）、花生形孔洞（Wang等人，2020年）和手性结构（Tabacu等人，2020年）。Wang等人（Wang等人，2020年）提出了具有花生形孔洞的2D辅助超材料，其辅助效应比椭圆形孔洞结构更为明显，应力水平也更低。在此基础上，通过创新的自相似分层设计，在花生形穿孔结构中实现了辅助效应的显著增强（Qu等人，2024年）。Xu等人（Xu等人，2020年；Xu等人，2021年）通过实验和数值方法研究了具有椭圆形结构的水泥蜂窝复合试样的压缩行为，并揭示了力学性能的影响因素和辅助机制。尽管穿孔结构具有明显的辅助效应，但由于蜂窝结构的特点，其整体承载能力相对较低。因此，越来越多的文献关注混合辅助结构以进一步提高力学性能。通过对泡沫填充的凹陷蜂窝和混凝土填充的凹陷蜂窝的分析，Ren等人（Luo，2022年；Xu等人，2023年；Zhong等人，2022年）验证了辅助复合结构在初始峰值应力、平台应力和整体稳定性方面的优势。数字图像相关（DIC）和声发射（AE）技术用于监测平面应变场和内部损伤，Tang等人（Zhao等人，2024年）通过实验研究了不同结构（蜂窝、凹陷和混合结构）增强的水泥复合材料的压缩性能。此外，还提出了具有椭圆形单元格的铝泡沫填充辅助管状结构和具有花生形单元格的混凝土填充辅助管状结构（Ren等人，2023年；Solak和Orhan，2023年），以提高压缩性能和抗冲击性。

上述关于混合辅助结构的文献主要集中在2D板辅助结构上，与3D辅助晶格相比，它们的辅助效应尚未得到充分利用。Tang等人（Tang等人，2025a；Tang等人，2024年；Liu等人，2022年）系统研究了3D晶格增强混凝土在压缩和弯曲试验中的力学行为（强度、弹性模量、能量吸收性能、变形机制和失效模式），并采用梯度设计进一步提高了混凝土的弯曲性能（Tang等人，2025b）。

3D聚合物晶格被用来改善混凝土的力学性能，具体弯曲强度和韧性分别提高了230%和2245%（Barhemat等人，2024年）。通过互锁拼接方法制备了3D凹陷蜂窝和三角形晶格，3D辅助晶格增强的高性能混凝土的静态和动态压缩性能显著提高（Chen等人，2023年）。

目前，基于冰的材料的增强方法主要集中在填充颗粒和短纤维上。关于集成在基于冰的材料中的机械超材料的结构设计尚未有报道。此外，现有的关于混合辅助结构的文献主要集中在2D板辅助结构上，它们的辅助效应也未得到充分利用。因此，有必要提出一种具有低应力集中和显著辅助效应的新型3D辅助晶格，以制造高性能的基于冰的复合材料。

本研究提出了一种新型的3D正弦辅助晶格增强型基于冰的复合材料，并通过实验和模拟方法系统分析了其压缩行为。设计了具有低应力集中和显著辅助效应的3D正弦辅助晶格，该晶格在轴向压缩下使冰基体处于三轴压缩状态。然后进一步进行了参数分析，以量化几何参数（扭转角、振幅、单元格数量和体积分数）对压缩性能（包括强度、刚度、韧性和抗冲击性）的影响。最终，揭示了3D正弦辅助晶格的协同增强机制，以指导基于冰的复合材料的制备。

章节片段

正弦辅助晶格的建模

在这项工作中，选择了3D正弦辅助晶格来增强冰材料。如图1所示，受花生形辅助结构的启发，这种二维正弦配置不仅具有优异的辅助效应，还显著减少了材料的使用量。有关设计演变的更多细节可以参考（Li等人，2023年）。随后，基于2D单元格，可以通过空间实现尺寸为$50\times 50\times 50$ mm的3D正弦辅助晶格

模拟模型

采用ABAQUS的显式分析模块来模拟压缩过程。几何模型由正弦辅助晶格和冰基体组成。辅助晶格与纯冰之间的相互作用行为是通过嵌入方法开发的，这种方法在纤维增强混凝土结构的建模中得到了广泛应用（Xie等人，2024年）。

使用梁元素（B31）对辅助晶格进行网格划分，以提高计算效率，而纯冰则进行网格划分

参数研究

正弦辅助晶格提供了几个可调节的几何参数：振幅（A）、扭转角（θ）、截面直径（D）和单元格数量（N）。为了明确不同几何控制参数对辅助晶格增强IBC的力学性能的影响，需要进行参数分析。

结论

本研究通过实验和数值方法研究了3D正弦辅助晶格增强型基于冰的复合材料的压缩行为与参考纯冰的比较。基于参数分析结果，可以得出以下主要结论。

(1)

3D正弦辅助晶格的泊松比和应力分布受扭转角（θ）和振幅（A）的显著影响。在轴向压缩下，当${30}^{°}\le \theta \le {45}^{°}$

$1.5\le A\le 2.5$时，泊松比

CRediT作者贡献声明

刘瑞鹏：软件、研究、撰写——原始草稿。雷永鹏：监督、方法论。刘 Zhu：资源、研究。郝天辉：研究。王慧：方法论、撰写——审阅与编辑。郭浩天：研究。雷永鹏：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

感谢国家自然科学基金（编号：12302173）和海南省自然科学基金（编号：524QN227）提供的财政支持。