負泊松比材料的發展與探究

張起明，鞏華帥

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負泊松比材料的發展與探究

張起明，鞏華帥

（武漢理工大學，湖北 武漢 430070）

現代技術對材料的特殊要求越來越多，正常物理、力學性質的材料已經不滿足特定的要求，所以涌現出大量的智能材料。負泊松比材料是具有受拉膨脹或者受壓收縮性質[1]的一種材料，屬于一種智能材料，是一類具有較高工程應用價值的功能材料。在某些工程領域，負泊松比結構以其特有的物理、力學性質而被廣泛應用。但是由于其復雜的結構和制作工藝，發展受到了較大的限制。但整體來看，其他高新技術的配套發展也推動了負泊松比材料的發展。

負泊松比材料；3D打印技術；功能價值；配套發展

我國十分重視智能材料、超材料的發展，在很多規劃、政策中都有所提及。負泊松比材料由于其獨特的物理、力學性質，有著其他材料不能比擬的優勢，所以負泊松比材料的研究成為一個熱點問題。隨著材料在各個領域的不同要求，許多具有負泊松比效應的結構出現了。最常見的是內凹的多邊形結構和物理模型，如剛體轉動結構和手性結構[2]，它促進了負泊松比材料的發展。但是特殊的功能決定了其特殊的結構，由于其復雜的結構，它的發展受到了限制，很大程度上停留在二維結構層面。

1 研究歷史和研究意義

1.1 研究歷史

在1967年，蘇聯科學家維克多提出一種材料的兩種性質，即負介電常數和負磁導率，它不再遵循傳統的電磁基礎，即右手規則，這也是負泊松比材料的早期發現。直到2001年，史密斯等人[3]在美國加州大學圣地亞哥分校使用的定期開放諧振環結構在實驗室制備了世界上第一個負折射率超材料樣品。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構的負泊松比材料，測得其泊松比為-0.7。此后，關于負泊松比結構的相關研究就開始蓬勃發展。在1989年，埃文斯[5]研究了聚四氟乙烯（CPTFE）具有微孔結構的特性，負泊松比效應也被發現。奧爾德森和Evans發現，通過超高分子量聚乙烯形成的其他微孔聚合物，表現出負泊松比效應，并且當經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負泊松比效應的材料其微觀結構的形成方法和受力過程的結構變化，并提出了呈現負泊松比效應的機理。此外，少數負泊松比多胞材料也成為研究熱點。

1.2 研究意義

如上所述，負泊松比的材料具有特殊的物理、機械和變形特性。例如，負泊松比效應可以提高材料的機械性能，包括剪切模量、斷裂韌性、熱沖擊、強度和抗壓痕性等[6]；有負泊松比效應的材料可應用在醫療領域中，如負泊松比人造血管和負泊松比脈動擴張器，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]；有負泊松比效應的泡沫也有特殊的彈性和吸音性能，可用于制造隔音材料。

在土木工程領域，由于負泊松比意味著高剪切模量，這無疑將提高建筑物的抗風能力和柱狀、層狀結構的抗震性能；負泊松比材料作路面材料可顯著增強耐壓抗震性能。另外負泊松比多胞材料具有重要的應用前景，在航空、交通領域有著重要的應用，它優異的抗沖擊韌性有著廣泛的應用前景，可以廣泛應用于軍事領域，也可以用于服務業、旅游業等民用行業。

有的負泊松比結構還能運用在服裝上，例如制作高性能防彈衣就是利用它的抗沖擊韌性。負泊松比蜂窩結構有著質量輕、強度高、韌性好的特點，從而被應用于土木工程和建筑領域，一些多孔的材料被當作抗壓、抗剪構件用于大跨度建筑和高聳建筑。由于蜂窩結構抗震性能好，具有吸收聲音、降低噪聲的特點，也被用于城市綠色建筑中。

2 存在問題

目前已知的負泊松比結構最廣泛的就是內凹多邊形，其中以內凹六邊形居多，正六邊形在受力性能和變形特點方面不具有負泊松比效應，這已被實驗證明，但是內凹六邊形在特定的受力環境下就具有負泊松比效應。雖然如此，無論怎樣改變形式，仍然停留在平面層次，很難實現結構的空間化即三維模型。二維負泊松比材料形式單一、制作簡單，用傳統的支模的方法即可實現，但是受力形式單一，面剛度低，不能作為受壓構件，只能承受一定的拉力，無法滿足實際工要求。相比二維負泊松比結構，三維負泊松比結構力學性質方面優于二維的，不僅可以承受拉力，也可以承受縱向的壓力。基于三維負泊松比結構的特殊優勢，對負泊松比材料的研究向三維方向發展。三維負泊松比材料結構復雜，在結構設計和模型制作上都有很大的難度，制作上由于是空間結構難以支模，所以難度很大，就算能夠用支模的方法制作出來也會耗費很大的成本，所以三維負泊松比結構的發展受限于制作方法。

3 前景發展

三維負泊松比結構的制作可以結合3D打印技術。3D打印技術是利用計算機和立體打印技術對復雜的結構實現快速成型的高科技技術。它以數字模型為基礎，所以精度高、機械化程度高、速度快。另一個特點是原料廣泛，打印原材料可以是硅膠、光敏樹脂、橡膠等，也可以是金屬。重點是能夠對復雜的空間三維結構進行立體成型，這就可以運用在三維負泊松比結構的制作方面，實現從三維CAD或者MAX文件到實體模型的轉變。3D打印技術相比傳統支模的方法，突出優點是能更大程度地保證設計模型與實際模型的相符度，連接點處光滑、密實且材質均勻。所以綜上所述，3D打印技術和三維負泊松比結構的制作相結合是一個未來的趨勢，也會不斷地成熟和發展。

4 結束語

現代高技術的發展對負泊松比材料提出了更高的要求，不僅僅是在醫學、建筑、航空等領域，也會向其他領域發展。二維負泊松比材料在技術上會不斷的完善和成熟，對其力學性能的研究也全方面進行，這就決定了它的開發領域會越來越廣泛，三維負泊松比材料制作困難，但是有其他新技術的配套發展，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.負泊松比超材料研究進展［J］.機械工程學報，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.具有負泊松比效應蜂窩材料的面內沖擊動力學性能［J］.爆炸與沖擊，2012（05）：475-482.

［7］楊智春，鄧慶田.負泊松比材料與結構的力學性能研究及應用［J］.力學進展，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〕