力学超构材料(Mechanical metamaterials)是当下的研究热点,并在近几年发现了多种新奇的现象和物理性质。作为力学超构材料重要的一类,拉胀超构材料由于人工设计微结构的几何和变形机理,呈现出负的泊松比,并因此具备一系列独特的力学性质。拉胀超构材料的存在给人们提供了控制材料形变的手段,最近负泊松比正吸引越来越多研究者的关注,它颠覆了人们对于材料在应力作用下变形响应的认知,并带来了一系列新奇的力学效应,具有广阔的应用前景。目前拉胀超构材料可以通过引入凹角结构或旋转结构来实现。本文对拉胀超构材料的设计、制备和力学性能进行了理论和实验的研究。主要讨论了基于凹角结构、手性结构和旋转刚体结构的三维拉胀超构材料的设计,基于3D打印技术制备了一系列基于三维反手性结构的拉胀超构材料并对其可回复性、强度、弹性波传播等性能进行了实验和模拟分析。1.运用理论和有限元模拟相结合的方法系统研究了三类拉胀超构材料的设计,分别为凹角结构、手性结构和旋转刚体结构。基于凹角结构设计了一种三维改良型双箭头拉胀超构材料,模拟表明其具有各向异性负泊松比行为,泊松比最小可达-1.1;基于手性结构设计了一种三维反手性结构,模拟结果表明其微结构具有旋转变形特性,呈现各向同性拉胀行为,泊松比大小可通过改变结构参数调制,最小为-0.5;基于旋转刚体结构,设计了一种基于Ron-Resch折纸模型的三维框架结构,可呈现良好抗压、抗弯曲性能。2.系统的研究了三种主流的3D打印技术,并分别对其在拉胀超构材料制备上进行了实验研究。针对熔融沉积3D打印技术,使用ABS塑料制备了二维超构材料;针对激光选区烧结/熔化3D打印技术,使用尼龙、锡合金、纯钛制备了三维反手性拉胀超构材料;针对光固化3D打印技术,利用微纳米级3D打印系统,制备了基于光聚合树脂的三维反手性结构,精度达到20μm。3.基于理论、模拟和实验对三维反手性拉胀超构材料的性能进行了系统的研究。模拟结果表明基于旋转变形的三维反手性结构最大应力比传统凹角结构小一个数量级,对样品的力学测试结果显示基于尼龙和纯钛的样品分别具有良好回复性(7%应变下可达99%)和高强度特性(多次压缩后仍可承受12.2 MPa应力),对变形过程的分析表明其可回复性来源于旋转变形致使的三维杆单元屈曲变形,杆单元可以储存大量应变能并在应力撤走后释放出来。利用视频引伸计对其泊松比进行测量,结果表明尼龙样品具有稳定(泊松比值稳定在-0.44)的拉胀效应。针对不同结构参数三维反手性拉胀超构材料的声子能带计算结果表明,该结构可以具有宽的弹性波带隙,通过改变结构参数带隙可以完全消失,这项研究对减振结构材料的设计意义重大。