關于負泊松比的材料力學課程教學拓展與探索1)

韋 凱 方棋洪

(湖南大學機械與運載工程學院，長沙 410082)

泊松比μ是材料固有的彈性常數，在《材料力學》教材[1]與通常授課中，泊松比僅作為“軸向拉伸或壓縮時的變形”等類似章節中的一小部分，課堂授課時僅簡單介紹橫向應變與縱向應變、泊松比定義和常用材料的泊松比值等概念。此外，現有《材料力學》教材和課程僅介紹了泊松比值在0～0.5 之間的常見傳統材料。實際上，隨著前沿科技和學術研究的發展，近年來在傳統材料基礎上，材料科學研究已經突破傳統材料的設計理念，尤其是基于力學設計等理念開發出了許多有著廣泛應用前景的新材料，以滿足國家的重大需求和解決重大工程問題[2]。

新興的力學超材料通過設計新奇特殊的人工微結構，可實現超常的負泊松比性能[3-4]。這類負泊松比超材料具有變形主動控制、抗剪切、抗壓、抗沖擊和斷裂韌性高等優異的性能，在血管支架、緊固件、緩沖器、隔振器、智能展開結構和變體飛行器等領域具有廣闊的應用前景[5-9]。由于負泊松比材料具有反常的“拉脹”效應，在諸多工程結構中得以廣泛應用。圖1 列舉了部分代表性工程應用實例：負泊松比材料在受壓時反而在橫向截面收縮，因而可以設計圖中的無需充氣的汽車輪胎；汽車安全帶采用負泊松比織物材料制造，可在受拉時與人體接觸面積增大；負泊松比材料由于具有良好的能量吸收效應，可以用于運動鞋與安全頭盔，增強它們的能量吸收與緩存效果。……