A tensile-dominated multi-directional auxetic deformation of 3D fiber woven structure

Abstract

Previous discussions on auxetic composites reinforced with woven fiber structures have focused on unidirectional tension or compression, and often require multiple fibers to play different roles in the structure, making it difficult to perfectly exploit the advantages of auxetic materials in real-world applications. We present here a woven structure that can be stretched in multiple directions to produce an auxetic behavior. The single-layer structure was successfully fabricated by three dimensions (3D) printing method and compared by the finite element analysis (FEA). Also, the multi-directional tensile deformation behavior of the 3D structure was simulated, and the Poissons ratio (PR) values of the single-layer structure and the 3D structure were obtained. Moreover, the factors affecting the auxetic behavior of the structure were discussed. The results show that the experimental results have a good similarity with the FEA results, and the structure can achieve the auxetic behavior when stretched in all three directions. In particular, the diameter ratio of the fibers in each direction is an influential factor in the extent of auxetic deformation of the structure. This study provides a new approach to the development of multi-directional auxetic fiber composites. In addition, it reveals the potential of multi-directional auxetic materials for impact resistance performance applications.

직조 섬유 구조로 강화된 오그제틱(Auxetic) 복합 재료에 대한 논의는 최근까지 단방향 장력 또는 압축에 초점을 맞추었으며, 종종 구조에서 다른 역할을 하기 위해 여러 개의 섬유가 필요했기에 실제 응용 분야에서 오그제틱 재료의 장점을 완벽하게 활용하기 어렵다. 우리는 이 연구에서 여러 방향으로 늘어나 오그제틱 거동을 할 수 있는 직조 구조를 제시한다. 단일 레이어 구조는 3차원(3D) 프린팅 방법을 통해 성공적으로 제작되었으며 유한 요소 해석(FEA)을 통해 비교했다. 또한, 3D 구조의 다방향 인장 변형 거동을 시뮬레이션하여 단층 구조와 3D 구조의 포아송의 비율(PR) 값을 구했다. 추가로, 구조물의 보조적 행동에 영향을 미치는 요소들을 논의했다. 그 결과, 실험과 FEA 결과가 좋은 유사성을 가지며 구조가 세 방향으로 모두 늘어나면 오그제틱 동작을 달성할 수 있음을 확인했다. 특히, 각 방향의 섬유의 직경비는 구조물의 오그제틱 변형 정도에 영향을 미치는 요인이다. 이 연구는 다방향 오그제틱 섬유 복합체의 개발에 대한 새로운 접근법을 제공한다. 또한, 충격 저항 성능 응용을 위한 다방향 오그제틱 재료의 잠재력을 발견하였다.