On the influence of viscous filler on the impact penetration resistance of flexible metamaterials with auxetic properties

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The properties of flexible metamaterials with negative Poisson’s ratio (with auxetic structure based on a concave hexagonal cell) to resist normal punching by a rigid spherical impactor were experimentally investigated. Samples with a chiral structure fabricated using a 3D printer and made from thermoplastic polyurethane (TPU 95A plastic), with cells filled with air or gelatin were compared for their ability to reduce the kinetic energy of impactors. The experiments were conducted for two velocity regimes. It was found that gelatin filling of auxetic chiral samples made of TPU 95A plastic (in contrast to previously investigated rigid metamaterials based on PLA plastic) does not lead to enhancement of protective properties. According to the results of the experiments conducted for two speed modes, the most effective in terms of resistance to penetration by the impactor were flexible and lightweight samples made of thermoplastic polyurethane filled with air.

About the authors

S. Yu. Ivanova

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow

K. Y. Osipenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow

N. V. Banichuk

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the RAS

Email: lisovenk@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow

D. S. Lisovenko

Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics of the RAS

Author for correspondence.
Email: lisovenk@ipmnet.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Lim T.-C. Auxetic Materials and Structures. Singapore: Springer, 2015. https://doi.org/10.1007/978-981-287-275-3
  2. Kolken H.M.A., Zadpoor A.A. Auxetic Mechanical Metamaterials // RSC Adv. 2017. V. 7. No. 9. P. 5111–5129. https://doi.org/10.1039/C6RA27333E
  3. Ren X., Das R., Tran P., et al. Auxetic Metamaterials and Structures: A Review // Smart Mater. Struct. 2018. V. 27. № 2. P. 023001. https://doi.org/10.1088/1361-665X/aaa61c
  4. Wu W., Hu W., Qian G. et al. Mechanical design and multifunctional applications of chiral mechanical metamaterials: A review // Mater. Des. 2019. V. 180. P. 107950. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.107950
  5. Gorodcov V.A., Lisovenko D.S. Auxetics among materials with cubic anisotropy // Bulletin of the RAS. Mechanics of Solids. 2020. № 4. P. 7–24. https://doi.org/10.31857/S0572329920040054
  6. Shitikova M.V. Fractional Operator Viscoelastic Models in Dynamic Problems of Mechanics of Solids: A Review // Mechanics of Solids. 2022. № 1. P. 1–33. https://doi.org/10.31857/S0572329921060118
  7. Novak N., Vesenjak M., Ren Z. Auxetic cellular materials-a review // Strojniški vestnik – Journal of Mechanical Engineering. 2016. V. 62. № 9. P. 485–493. https://doi.org/10.5545/sv-jme.2016.3656
  8. Kelkar P.U., Kim H.S., Cho K.-H., et. al. Cellular Auxetic Structures for Mechanical Metamaterials: A Review // Sensors. 2020. V. 20. № 11. P. 3132. https://doi.org/10.3390/s20113132
  9. Joseph A., Manesh V., Harursampath D. On the application of additive manufacturing methods for auxetic structures: A review // Adv. Manuf. 2021. V. 9. № 3. P. 342–368. https://doi.org/10.1007/s40436-021-00357-y
  10. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Kuznetsov V.A., Solovyov N.G., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Experimental Investigation of the Properties of Auxetic and Non-Auxetic Metamaterials Made of Metal During Penetration of Rigid Strikers // Mechanics of Solids. 2023. № 2. P. 524–528. https://doi.org/10.31857/S0572329922600773
  11. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Demin A.I., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Studying the Properties of Metamaterials with a Negative Poisson’s Ratio when Punched by a Rigid Impactor // Mechanics of Solids. 2023. № 5. P. 1536–1544. https://doi.org/10.31857/S0572329923600366
  12. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Experimental Study of the Properties of Metamaterials Based on PLA Plastic when Perforated by a Rigid Striker // Mechanics of Solids. 2024. № 4. P. 1967–1972.
  13. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Investigation of the effect of a viscous filler on the punching process of auxetic and non-auxetic metamaterials // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 7. P. 3727–3734. https://doi.org/10.1134/S0025654424606633
  14. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Investigation of the influence of viscous filler on the mechanical properties of metamaterials with negative and positive Poisson’s ratio when penetrated by a rigid impactor // Bulletin of I.Y. Yakovlev Chuvash State Pedagogical University. Series: Mechanics of Limit State. 2024. № 4 (62). P. 62–75. https://doi.org/10.37972/chgpu.2024.62.4.005 EDN: SFQXCI
  15. Ivanova S.Yu., Osipenko K.Yu., Banichuk N.V., Lisovenko D.S. Effect of temperature of metamaterials based on flexible TPU 95A plastic on resistance to penetration by a rigid impactor // Mechanics of Solids. 2025. № 1. https://doi.org/10.1134/S0025654424606797
  16. Gao Y., Huang H. Energy absorption and gradient of hybrid honeycomb structure with negative Poisson’s ratio // Mech. Solids. 2022. V. 57. № 5. P. 1118–1133. https://doi.org/10.3103/S0025654422050053
  17. Xing Y., Deng B., Cao M. et al. Influence of structural and morphological variations in orthogonal trapezoidal aluminum honeycomb on quasi-static mechanical properties // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 1. P. 445–458. https://doi.org/10.1134/S0025654423602550
  18. Skripnyak V.V., Chirkov M.O., Skripnyak V.A. Modeling of mechanical response of auxetic metamaterials to dynamic impacts // PNRPU Bulletin. Mekhanika. 2021. № 2. P. 144–152. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2021.2.13
  19. Imbalzano G., Tran P., Lee P.V.S. et. al. Influences of material and geometry in the performance of auxetic composite structure under blast loading // Appl. Mech. Mater. 2016. V. 846. P. 476–481. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.846.476
  20. Zhao X., Gao Q., Wang L. et. al. Dynamic crushing of double-arrowed auxetic structure un-der impact loading // Mater. Des. 2018. V. 160. P. 527–537. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.09.041
  21. Li C., Shen H.S., Wang H. Nonlinear dynamic response of sandwich plates with functionally graded auxetic 3D lattice core // Nonlinear Dyn. 2020. V. 100. P. 3235–3252. https://doi.org/10.1007/s11071-020-05686-4
  22. Qiao J.X., Chen C.Q. Impact resistance of uniform and functionally graded auxetic double arrowhead honeycombs // Inter. J. Impact Eng. 2015. V. 83. P. 47–58. https://doi.org/10.1016/j.ijimpeng.2015.04.005
  23. Novak N., Starcevic L., Vesenjak M. et. al. Blast response study of the sandwich composite panels with 3D chiral auxetic core // Compos. Struct. 2019. V. 210. P. 167–178. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2018.11.050
  24. Yu Y., Fu T., Wang S., Yang C. Dynamic response of novel sandwich structures with 3D sinusoid-parallel-hybrid honeycomb auxetic cores: The cores based on negative Poisson’s ratio of elastic jump // Eur. J. Mech. – A/Solids. 2025. V. 109. P. 105449. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2024.105449
  25. Shen Z.Y., Wen Y.K., Shen L.Y. et. al. Dynamic response and energy absorption characteristics of auxetic concave honeycomb pad for ballistic helmet under shock wave and bullet impact // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 5. P. 3050–3067. https://doi.org/10.1134/S0025654424605159
  26. Jiang Q., Hao B., Chen G. et. al. Analysis of the penetration ability of exponential bullets on TPMS structures with variable density // Mech. Solids. 2024. V. 59. № 5. P. 3198–3211. https://doi.org/10.1134/S0025654424605640

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».