vestniktgasuВестник Томского государственного архитектурно-строительного университетаVestnik Tomskogo gosudarstvennogo arkhitekturno-stroitel'nogo universiteta. JOURNAL of Construction and Architecture1607-18592310-0044Tomsk State University of Architecture and Building10.31675/1607-1859-2025-27-5-247-255SVYHEOvestniktgasu-2231Research ArticleСТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯCONSTRUCTION MATERIALS AND PRODUCTSМеханические свойства метаматериалов и конструкций на основе сплавов с эффектом памяти формыMechanical Properties of Metamaterials and Structures Based on Shape Memory AlloysВинокуровЕ. О.VinokurovE. O.

Винокуров Евгений Олегович, студент

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Evgeny O. Vinokurov, Student

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

eugenevinockuroff@yandex.ruКлопотовА. А.KlopotovA.

Клопотов Анатолий Анатольевич, докт. физ.-мат. наук, профессор

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Anatoly A. Klopotov, DSc, Professor

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

klopotovaa@tsuab.ruАбзаевЮ. А.AbzaevYu. A.

Абзаев Юрий Афанасьевич, докт. физ.-мат. наук, профессор

634003, г. Томск, пл. Соляная, 2

Yury A. Abzaev, DSc, Professor

2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk

abzaev@tsuab.ruТомский государственный архитектурно-строительный университетРоссияTomsk State University of Architecture and BuildingRussian Federation202529102025275247255Copyright © Винокуров Е.О., Клопотов А.А., Абзаев Ю.А., 20252025Винокуров Е.О., Клопотов А.А., Абзаев Ю.А.Vinokurov E.O., Klopotov A., Abzaev Y.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestnik.tsuab.ru/jour/article/view/2231

Актуальность исследования метаматериалов обусловлена потребностью в создании материалов с принципиально новыми свойствами, не встречающимися в природе. Способность проявлять аномальные механические характеристики открывает широкие возможности применения таких материалов в различных отраслях. Разработка метаматериалов на основе интеллектуальных сплавов, в частности никелида титана с эффектом памяти формы, позволяет создавать конструкции, сочетающие уникальную геометрию с функциональностью, что особенно востребовано при создании имплантатов нового поколения, энергопоглощающих систем и адаптивных механических элементов.

Цель

Цель. Исследование механических свойств конструкций, изготовленных из сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы, проявляющих положительные и отрицательные значения коэффициента Пуассона, как элементов конструкции метаматериала.

Материалы и методы

Материалы и методы. Эксперимент включал испытания на сжатие двух видов проволочных конструкций из сплава Ti-51 ат.% Ni.

Результаты

Результаты. Установлено, что в зависимости от конструкции образцы демонстрировали как положительный, так и отрицательный коэффициент Пуассона. Деформационные кривые показали практически полное восстановление формы обеих конструкций после снятия нагрузки, что подтверждено экспериментально.

The relevance of research on metamaterials is driven by the need to create materials with fundamentally new properties not found in nature. The ability to exhibit anomalous mechanical characteristics opens up opportunities for breakthrough applications in various industries. The development of metamaterials based on intelligent alloys, particularly titanium nickelide with a shape memory effect, enables the creation of structures that combine unique geometry with functionality, which is especially in demand for next-generation implants, energyabsorbing systems, and adaptive mechanical components.

Purpose

Purpose: To investigate the mechanical properties of structures made of titanium nickelidebased alloy with a shape memory effect, exhibiting both positive and negative Poisson's ratio values, as elements of metamaterial structures.

Methodology

Methodology: The experiment involved compression tests of two types of wire structures made of Ti-51 at. % Ni alloy.

Research findings

Research findings: It was found that, depending on the structure, the samples exhibited both positive and negative Poisson's ratios. The deformation curves showed almost complete shape recovery of both structures after load removal, which was confirmed experimentally. 

коэффициент Пуассонасплавы с эффектом памяти формыконструкция из сплава на основе никелида титанаметаматериалыауксетикисверхэластичностьPoisson's ratioshape memory alloystitanium nickelide-based alloy structuremetamaterialsauxeticssuperelasticityReferencesМартенситные превращения / под ред. В.Д. Садовского. Свердловск : УФ АН СССР, 1980. 215 с.Sadovsky V.D. (Ed.) Martensitic Transformations. Sverdlovsk: UF AN SSSR, 1980. 215 p. (In Russian)Горячев О.А., Утевский Л.М. Мартенситные превращения в сплавах железа. Москва : Металлургия. 1986. 184 с.Goryachev O.A., Utevsky L.M. Martensitic Transformations in Iron Alloys. Moscow: Metallurgiya, 1986. 184 p. (In Russian)Bhattacharya K. Microstructure of Martensite: Why It Forms and How It Gives Rise to the Shape-Memory Effect. Oxford : Oxford University Press, 2003. 196 p. DOI: 10.1093/oso/9780198509349.001.0001Bhattacharya K. Microstructure of Martensite: Why it Forms and How it Gives Rise to the Shape-Memory Effect. Oxford: Oxford University Press, 2003. 196 p.Otsuka K., Wayman C.M. Shape Memory Materials. Cambridge : Cambridge University Press, 1998. 284 p.Otsuka K., Wayman C.M. Shape Memory Materials. Cambridge: Cambridge University Press, 1998. 284 p.Olander A. An electrochemical investigation of solid cadmium-gold alloys // Journal of the American Chemical Society. 1932. V. 54. P. 3819–3833. DOI: 10.1021/ja01349a004Olander A. An Electrochemical Investigation of Solid Cadmium-Gold Alloys. Journal of the American Chemical Society. 1932; 54: 3819–3833.Курдюмов Г.В. Явления закалки и отпуска стали. Москва : Металлургиздат, 1960. 255 с.Kurdjumov G.V. Phenomena of Steel Hardening and Tempering. Moscow: Metallurgizdat, 1960. 255 p. (In Russian)Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Клопотов А.А. Никелид титана: медицинский материал нового поколения. Томск : МИЦ, 2006. 296 с.Gunther V.E., Khodorenko V.N., Klopotov A.A. Titanium Nickelide: Medical Material of New Generation. Tomsk: MIC, 2006. 296 p. (In Russian)Wang H., Lyu Y., Bosiakov S., Zhu H., Ren Y. A review on the mechanical metamaterials and their applications in the field of biomedical engineering // Frontiers in Materials. 2023. V. 10. P. 1–17. DOI: 10.3389/fmats.2023.1146942. EDN: NDLKSFWang H., Lyu Y., Bosiakov S., Zhu H., Ren Y. A Review on the Mechanical Metamaterials and their Applications in the Field of Biomedical Engineering. Frontiers in Materials. 2023; 10: 1–17. DOI: 10.3389/fmats.2023.1146942Kolken H.M.A., Zadpoor A.A. Auxetic mechanical metamaterials // RSC Advances. 2017. V. 7. P. 5111–5129. DOI: 10.1039/C6RA27333E. EDN: YEALQGKolken H.M.A., Zadpoor A.A. Auxetic Mechanical Metamaterials. RSC Advances. 2017; 7: 5111–5129. DOI: 10.1039/C6RA27333ETang Y., Yin J. Design of cut unit geometry in hierarchical kirigami-based auxetic metamaterials for high stretchability and compressibility // Extreme Mechanics Letters. 2017. V. 12. P. 77–85. DOI: 10.1016/j.eml.2016.07.005Tang Y., Yin J. Design Of Cut Unit Geometry in Hierarchical Kirigami-Based Auxetic Metamaterials for High Stretchability and Compressibility. Extreme Mechanics Letters. 2017; 12: 77–85. DOI: 10.1016/j.eml.2016.07.005Шилько С.В. Аномально упругие материалы как компоненты адаптивных систем // Перспективные материалы. Витебск : УО ВГТУ, 2009. C. 419–448.Shilko S.V. Anomalously Elastic Materials as Components of Adaptive Systems. In: Advanced Materials. Vitebsk, 2009. Pp. 419–448. (In Russian)Daniel A., Bakhtiari H., Nouri A., Das B.K., Aamir M., Tolouei-Rad M. Fatigue properties of 3D-printed polymeric metamaterials: A review // Smart Materials in Manufacturing. 2025. V. 3. P. 20. DOI: 10.1016/j.smmf.2025.100076. EDN: AIVPTTDaniel A., Bakhtiari H., Nouri A., Das B.K., Aamir M., Tolouei-Rad M. Fatigue Properties of 3D-printed Polymeric Metamaterials: A Review. Smart Materials in Manufacturing. 2025; 3: 20. DOI: 10.1016/j.smmf.2025.100076. EDN: AIVPTTLee J.H., Singer J.P., Thomas E.L. Micro-nanostructured mechanical metamaterials // Advanced materials. 2012. V. 24. I. 36. P. 4782–4810. DOI: 10.1002/adma.201201644. EDN: RMGSZBLee J.H., Singer J.P., Thomas E.L. Micro-Nanostructured Mechanical Metamaterials. Advanced Materials. 2012; 24 (36): 4782–4810. DOI: 10.1002/adma.201201644Zheng X., et al. Ultralight, ultrastiff mechanical metamaterials // Science. 2014. V. 344. № 6190. P. 1373–1377. DOI: 10.1126/science.1252291Zheng X., Lee H., Weisgraber T.H., Shusteff M., DeOtte J., Duoss E.B., et al. Ultralight, Ultrastiff Mechanical Metamaterials. Science. 2014; 344 (6190): 1373–1377. DOI: 10.1126/science.1252291Hewage T.A., et al. Double-negative mechanical metamaterials displaying simultaneous negative stiffness and negative Poisson's ratio properties // Advanced materials. 2016. V. 28 (46). P. 10323–10332. DOI: 10.1002/adma.201603959Hewage T.A.M., Alderson K.L., Alderson A., Scarpa F. Double-Negative Mechanical Metamaterials Displaying Simultaneous Negative Stiffness and Negative Poisson's Ratio Properties. Advanced Materials. 2016; 28 (46): 10323–10332. DOI: 10.1002/adma.201603959Wang Q., et al. Light weight mechanical metamaterials with tunable negative thermal expansion // Physical Review Letters. 2016. V. 117. P. 175901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.175901Wang Q., Jackson J.A., Ge Q., Hopkins J.B., Spadaccini C.M., Fang N.X. Lightweight Mechanical Metamaterials with Tunable Negative Thermal Expansion. Physical Review Letters. 2016; 117: 175901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.175901Barnett E., et al. Auxetic fixation devices can achieve superior pullout performances compared to standard fixation concepts // Smart materials and Structures. 2024. V. 33. № 6. P. 065020. DOI: 10.1088/1361-665X/ad3d94. EDN: WLLMUYBarnett E., Gleadall A., Al Obaidi H., Wang K., Abo Saleh K., Kormakov S., et al. Auxetic Fixation Devices can Achieve Superior Pullout Performances Compared to Standard Fixation Concepts. Smart Materials and Structures. 2024; 33 (6): 065020. DOI: 10.1088/1361665X/ad3d94Love A.E.H. A treatise on the mathematical theory of elasticity. New York: Dover Publications, 1944. 674 p.Love A.E.H. A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity. New York: Dover Publications, 1944. 674 p.Kolken H.M.A., et al. Rationally designed meta-implants: a combination of auxetic and conventional meta-biomaterials // Materials Horizons. 2018. V. 5. № 1. P. 28–35. DOI: 10.1039/C7MH00699AKolken H.M.A., Lietaert K., Pouran B., Meynen A., Van Grunsven W., Weinans H., et al. Rationally Designed Meta-Implants: A Combination of Auxetic and Conventional Meta-Biomaterials. Materials Horizons. 2018; 5 (1) 28–35. DOI: 10.1039/C7MH00699AСысолятин П.Г., Темерханов Ф.Т., Пушкарев В.П., Клопотов А.А. и др. Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и нейрохирургии. Томск : ТГУ, 1995. 224 с.Sysolyatin P.G., Temerkhanov F.T., Pushkarev V.P., Klopotov A.A., et al. Superelastic Shape Memory Implants in Maxillofacial Surgery, Orthopedics and Neurosurgery. Tomsk: TSU, 1995. 224 p. (In Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.