3D打印水泥基穿孔板实现优异拉胀与吸能。文章采用3D打印工程水泥基复合材料制备椭圆与菱形孔穿孔板结构，结合准静态压缩、DIC全场应变及有限元模拟，系统揭示了孔洞几何参数对力学性能的调控规律。结果表明：椭圆孔设计在负泊松比效应和能量吸收方面显著优于菱形孔，EP‑a2/b2构型极限泊松比绝对值超过1；能量吸收效率随孔轴尺寸呈非线性先增后减趋势。3D打印椭圆孔结构的比吸能可达铸造试件的2.69倍，而菱形孔因打印路径节点纤维搭接不足导致性能下降。多胞结构屈服应力更高，但单胞结构拉胀保持能力更强。该研究为水泥基拉胀结构的性能定制与轻质吸能应用提供了理论指导。
传统水泥基材料在压缩下表现为横向膨胀（正泊松比），限制了其能量吸收与抗冲击性能。拉胀材料虽具备负泊松比带来的优异耗能能力，但旋转多边形机制需要刚性单元与柔性连接，实际制造极为困难。穿孔板结构（perforated plate structures；PPS）通过孔洞诱导局部旋转实现拉胀行为，然而现有PPS多采用金属或高分子材料，以模铸或机械加工制造，效率低、几何柔性差、材料利用率低。更关键的是，水泥基材料的脆性本质与拉胀结构所需的大变形和旋转能力之间存在天然矛盾，如何将高延性水泥基材料与3D打印技术结合，系统揭示孔洞几何参数对拉胀行为与能量吸收的调控机制，成为该领域亟待解决的核心问题。
近日，郑州大学、隧道掘进机及智能运维全国重点实验室的研究团队在《Composite Structures》发表了相关研究成果，该研究通过3D打印工程水泥基复合材料制备椭圆与菱形穿孔板结构，揭示了椭圆孔设计在负泊松比效应和能量吸收方面的显著优势，并阐明了孔洞几何参数对力学性能的非线性调控规律。论文标题为“3D-printed cementitious perforated plate structure with excellent auxetic behavior and energy absorption”。
文章提出了一种基于3D打印工程水泥基复合材料（3DP-ECC）直接成型水泥基穿孔板结构的新策略。该研究选用聚乙烯（PE）纤维增强的ECC作为打印材料，其表现出稳态多缝开裂、应变硬化和卓越的断裂韧性。文章设计了椭圆和菱形两种孔洞形状，并通过改变半长轴（a）和半短轴（b）的尺寸，系统构建了单胞和多胞PPS试件，所有试件厚度统一为40 mm，单胞边长为100 mm，多胞边长为300 mm。
为了准确表征其力学行为，研究团队建立了考虑层间粘结强度的精细化有限元模型，采用混凝土损伤塑性（CDP）模型描述ECC基体的非线性行为，并引入零厚度粘聚单元（COH3D8）模拟打印层间界面，通过双线性牵引-分离定律描述界面损伤起始与演化。在实验层面，研究开展了准静态压缩试验（加载速率1 mm/min）、数字图像相关（DIC）全场应变观测以及三点弯曲试验，分别沿垂直和平行于打印界面的方向评估了弯曲性能。三点弯曲试验与有限元结果的对比显示，两者吻合良好，验证了模型的可靠性。通过这种多尺度、多方法的协同研究，文章得以系统揭示几何构型和打印工艺对拉胀行为及能量吸收性能的耦合影响。
表1 不同设计参数的试件分组
图1 三点弯曲试验结果与有限元曲线对比：(a) Z方向；(b) Y方向
图2 有限元模型及网格划分
研究结果清晰地揭示了PPS在面内压缩下的三阶段变形模式：弹性阶段（节点弯曲主导）、平台阶段（纤维桥接与旋转机制主导）以及致密化阶段（孔洞闭合与横向膨胀主导）。下图展示了典型应力-应变曲线，三个阶段的分界明显。
图3 单胞PPS的应力-应变曲线（C代表浇铸组，P代表打印组）
通过对比不同几何参数试件的压缩变形演化，文章发现第一峰值应力（σ₁,max）随半长轴a或半短轴b的增加而逐渐降低，其中对a的敏感性更高——DC-a1的σ₁,max约为DC-a3的5.9倍。值得注意的是，能量吸收效率与孔轴尺寸呈现非线性关系，表现为先增后减的趋势。对于椭圆孔PPS，EP-a2/b2在保持适当横向刚度的同时维持了充分的旋转变形能力，其极限泊松比绝对值超过1，分别是EP-a3和EP-b1的1.54倍和1.65倍。在能量吸收指标方面，3DP椭圆孔PPS的比吸能远高于铸造试件，EP-b1的EA和SEA分别是EC-b1的2.64倍和2.69倍；而3DP菱形孔PPS因打印路径在左右节点缺乏交叉搭接，纤维桥接能力减弱，反而导致能量吸收性能下降。进一步对比单胞与多胞结构，多胞PPS因更强的几何约束和胞元协同作用表现出更高的屈服应力和能量吸收效率，但单胞PPS在维持拉胀效应方面更具优势——单胞内部约束差异较小，旋转变形更均匀，能在更宽的应变范围内保持较强的横向收缩，|ν|通常大于多胞结构。
图4 椭圆孔单胞PPS的压缩变形演化
图5 菱形孔单胞PPS的压缩变形演化
图6 单胞PPS的泊松比曲线
图7 打印多胞PPS的压缩变形演化
表2 能量吸收指标计算结果
该项研究的意义在于，它不仅首次系统揭示了3D打印水泥基穿孔板结构中孔洞几何参数（形状、长短轴）与拉胀行为及能量吸收性能之间的非线性调控规律，还阐明了打印路径导致的纤维取向和层间界面效应对节点旋转能力的关键影响。研究结果表明，通过协调优化打印参数和孔洞几何（如EP-a2构型），可以在极限泊松比、延性和能量吸收之间取得均衡优势。这为基于单胞参数设计多胞结构宏观性能提供了理论基础，也为水泥基拉胀结构在土木工程防护、抗震减震和轻质吸能领域的性能定制与优化开辟了新途径。未来研究可进一步聚焦于层间界面增强、复杂载荷条件下的性能演化以及多尺度设计方法，以推动该类结构在实际工程中的应用。
原始文献：
Zhanqi Cheng, Panpan Zhu, Jia Kang, Peiying Wang, Hu Feng. 3D-printed cementitious perforated plate structure with excellent auxetic behavior and energy absorption. Composite Structures, 2026.
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2026.120389
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