負(fù)泊松比材料的發(fā)展與探究

張起明，鞏華帥

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負(fù)泊松比材料的發(fā)展與探究

張起明，鞏華帥

（武漢理工大學(xué)，湖北 武漢 430070）

現(xiàn)代技術(shù)對材料的特殊要求越來越多，正常物理、力學(xué)性質(zhì)的材料已經(jīng)不滿足特定的要求，所以涌現(xiàn)出大量的智能材料。負(fù)泊松比材料是具有受拉膨脹或者受壓收縮性質(zhì)[1]的一種材料，屬于一種智能材料，是一類具有較高工程應(yīng)用價值的功能材料。在某些工程領(lǐng)域，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)以其特有的物理、力學(xué)性質(zhì)而被廣泛應(yīng)用。但是由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和制作工藝，發(fā)展受到了較大的限制。但整體來看，其他高新技術(shù)的配套發(fā)展也推動了負(fù)泊松比材料的發(fā)展。

負(fù)泊松比材料；3D打印技術(shù)；功能價值；配套發(fā)展

我國十分重視智能材料、超材料的發(fā)展，在很多規(guī)劃、政策中都有所提及。負(fù)泊松比材料由于其獨(dú)特的物理、力學(xué)性質(zhì)，有著其他材料不能比擬的優(yōu)勢，所以負(fù)泊松比材料的研究成為一個熱點(diǎn)問題。隨著材料在各個領(lǐng)域的不同要求，許多具有負(fù)泊松比效應(yīng)的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了。最常見的是內(nèi)凹的多邊形結(jié)構(gòu)和物理模型，如剛體轉(zhuǎn)動結(jié)構(gòu)和手性結(jié)構(gòu)[2]，它促進(jìn)了負(fù)泊松比材料的發(fā)展。但是特殊的功能決定了其特殊的結(jié)構(gòu)，由于其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，它的發(fā)展受到了限制，很大程度上停留在二維結(jié)構(gòu)層面。

1 研究歷史和研究意義

1.1 研究歷史

在1967年，蘇聯(lián)科學(xué)家維克多提出一種材料的兩種性質(zhì)，即負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率，它不再遵循傳統(tǒng)的電磁基礎(chǔ)，即右手規(guī)則，這也是負(fù)泊松比材料的早期發(fā)現(xiàn)。直到2001年，史密斯等人[3]在美國加州大學(xué)圣地亞哥分校使用的定期開放諧振環(huán)結(jié)構(gòu)在實(shí)驗(yàn)室制備了世界上第一個負(fù)折射率超材料樣品。1987年，里克[4]把一個110 mm×38 mm×38 mm普通聚氨酯泡沫放置在75 mm×25 mm×25 mm鋁模具中，對其立體壓縮、加熱、冷卻，得到一種具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比材料，測得其泊松比為-0.7。此后，關(guān)于負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的相關(guān)研究就開始蓬勃發(fā)展。在1989年，埃文斯[5]研究了聚四氟乙烯（CPTFE）具有微孔結(jié)構(gòu)的特性，負(fù)泊松比效應(yīng)也被發(fā)現(xiàn)。奧爾德森和Evans發(fā)現(xiàn)，通過超高分子量聚乙烯形成的其他微孔聚合物，表現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)，并且當(dāng)經(jīng)受徑向壓縮時測得其泊松比為-1.24.Choi等則較為深入地探討了呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的材料其微觀結(jié)構(gòu)的形成方法和受力過程的結(jié)構(gòu)變化，并提出了呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的機(jī)理。此外，少數(shù)負(fù)泊松比多胞材料也成為研究熱點(diǎn)。

1.2 研究意義

如上所述，負(fù)泊松比的材料具有特殊的物理、機(jī)械和變形特性。例如，負(fù)泊松比效應(yīng)可以提高材料的機(jī)械性能，包括剪切模量、斷裂韌性、熱沖擊、強(qiáng)度和抗壓痕性等[6]；有負(fù)泊松比效應(yīng)的材料可應(yīng)用在醫(yī)療領(lǐng)域中，如負(fù)泊松比人造血管和負(fù)泊松比脈動擴(kuò)張器，防止由于動脈硬化和血栓形成的危險，能緩解對人體的危害[7]；有負(fù)泊松比效應(yīng)的泡沫也有特殊的彈性和吸音性能，可用于制造隔音材料。

在土木工程領(lǐng)域，由于負(fù)泊松比意味著高剪切模量，這無疑將提高建筑物的抗風(fēng)能力和柱狀、層狀結(jié)構(gòu)的抗震性能；負(fù)泊松比材料作路面材料可顯著增強(qiáng)耐壓抗震性能。另外負(fù)泊松比多胞材料具有重要的應(yīng)用前景，在航空、交通領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，它優(yōu)異的抗沖擊韌性有著廣泛的應(yīng)用前景，可以廣泛應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，也可以用于服務(wù)業(yè)、旅游業(yè)等民用行業(yè)。

有的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)還能運(yùn)用在服裝上，例如制作高性能防彈衣就是利用它的抗沖擊韌性。負(fù)泊松比蜂窩結(jié)構(gòu)有著質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、韌性好的特點(diǎn)，從而被應(yīng)用于土木工程和建筑領(lǐng)域，一些多孔的材料被當(dāng)作抗壓、抗剪構(gòu)件用于大跨度建筑和高聳建筑。由于蜂窩結(jié)構(gòu)抗震性能好，具有吸收聲音、降低噪聲的特點(diǎn)，也被用于城市綠色建筑中。

2 存在問題

目前已知的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)最廣泛的就是內(nèi)凹多邊形，其中以內(nèi)凹六邊形居多，正六邊形在受力性能和變形特點(diǎn)方面不具有負(fù)泊松比效應(yīng)，這已被實(shí)驗(yàn)證明，但是內(nèi)凹六邊形在特定的受力環(huán)境下就具有負(fù)泊松比效應(yīng)。雖然如此，無論怎樣改變形式，仍然停留在平面層次，很難實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的空間化即三維模型。二維負(fù)泊松比材料形式單一、制作簡單，用傳統(tǒng)的支模的方法即可實(shí)現(xiàn)，但是受力形式單一，面剛度低，不能作為受壓構(gòu)件，只能承受一定的拉力，無法滿足實(shí)際工要求。相比二維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)方面優(yōu)于二維的，不僅可以承受拉力，也可以承受縱向的壓力?；谌S負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的特殊優(yōu)勢，對負(fù)泊松比材料的研究向三維方向發(fā)展。三維負(fù)泊松比材料結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和模型制作上都有很大的難度，制作上由于是空間結(jié)構(gòu)難以支模，所以難度很大，就算能夠用支模的方法制作出來也會耗費(fèi)很大的成本，所以三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的發(fā)展受限于制作方法。

3 前景發(fā)展

三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的制作可以結(jié)合3D打印技術(shù)。3D打印技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)和立體打印技術(shù)對復(fù)雜的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速成型的高科技技術(shù)。它以數(shù)字模型為基礎(chǔ)，所以精度高、機(jī)械化程度高、速度快。另一個特點(diǎn)是原料廣泛，打印原材料可以是硅膠、光敏樹脂、橡膠等，也可以是金屬。重點(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜的空間三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體成型，這就可以運(yùn)用在三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的制作方面，實(shí)現(xiàn)從三維CAD或者M(jìn)AX文件到實(shí)體模型的轉(zhuǎn)變。3D打印技術(shù)相比傳統(tǒng)支模的方法，突出優(yōu)點(diǎn)是能更大程度地保證設(shè)計(jì)模型與實(shí)際模型的相符度，連接點(diǎn)處光滑、密實(shí)且材質(zhì)均勻。所以綜上所述，3D打印技術(shù)和三維負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的制作相結(jié)合是一個未來的趨勢，也會不斷地成熟和發(fā)展。

4 結(jié)束語

現(xiàn)代高技術(shù)的發(fā)展對負(fù)泊松比材料提出了更高的要求，不僅僅是在醫(yī)學(xué)、建筑、航空等領(lǐng)域，也會向其他領(lǐng)域發(fā)展。二維負(fù)泊松比材料在技術(shù)上會不斷的完善和成熟，對其力學(xué)性能的研究也全方面進(jìn)行，這就決定了它的開發(fā)領(lǐng)域會越來越廣泛，三維負(fù)泊松比材料制作困難，但是有其他新技術(shù)的配套發(fā)展，相信它的前景會越來越好。

［1］魏高原.拉脹聚合物［J］.高分子通報，1995（4）：234.

［2］于靖軍.負(fù)泊松比超材料研究進(jìn)展［J］.機(jī)械工程學(xué)報，2018（13）.

［3］SHELBY R A，SMITH D R，NEMATNASSER S C，et al.Microwave transmission through a two-dimensional，isotropic，left-handed metamaterial［J］.Applied Physics Letters，2001，78（4）：489-491.

［4］Lakes R.Foam structures with a negative Poisson's ratio［J］.Science，1987，235（4792）：1038-1040.

［5］Evans K，Arkansan M，Hutchinson I， et al.Molecular network design［J］.Nature，1991（353）：124.

［6］張新春，劉穎，李娜.具有負(fù)泊松比效應(yīng)蜂窩材料的面內(nèi)沖擊動力學(xué)性能［J］.爆炸與沖擊，2012（05）：475-482.

［7］楊智春，鄧慶田.負(fù)泊松比材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究及應(yīng)用［J］.力學(xué)進(jìn)展，2011（03）：335-350.

2095－6835（2019）05－0152－01

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.152

〔編輯：王霞〕