拉胀材料研究进展和应用前景.pdf

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1、拉胀材料研究进展和应用前景Recentadvanceandapplicationprospectsofauxeticmaterials周菅1谭燕2(1中南大学土木工程学院，湖南长沙410083；2湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北武汉430074)摘要：首先介绍了拉胀材料的种类、微观结构、作用机理及制备的技术关键，然后通过与普通材料的性能进行比较，指出了这种材料所具有的巨大应用前景和实用价值。关键词：拉胀材料；微观结构；作用机理Abstract：Thetypes，microstructuredeformationmechanismandthekeypreparin

2、gtechnologyaboutauxeticmaterialsarestudiedinthispaper，meanwhile，itispointedoutthatthiskindofmaterialshasthebrightprospectofapplicationsandpracticalsignificancecomparing、】lritIltheconventionalpolymermaterial．Keywords：auxeticmaterials；microstructure；deformationmechanism中图分类号：TB383；0341文献

3、标识码：B文章编号：1003—8965(2013)05—0033一02拉胀材料即负泊松比材料，是材料领域的新兴课题。泊松比的定义为：∥。言，其中Ei为横向正应变：￡i为纵向正应变。其物理意义是反映物体伸缩变形时的体积变化。对于各向同性的材料，由于应变能的非负要求，弹性理论表明一I

4、缩。而拉胀材料则在受拉伸时在弹性范围内横向发生膨胀，这种现象称为拉胀效应。1负泊松比材料的种类除了天然的负泊松比材料外(如母牛乳头部分的皮肤)，1987年，RoderickLakes从普通的多面体着手，制造出的泡沫塑料泊松比为负值。此后，Evans发现内部含有卵形块状结构的聚四氟乙烙(PTFE)具有负泊松比特性，其后，Jeffmoor将某些金属添加到泡沫塑料中形成具有负泊松比的金属泡沫材料，也有人发现多元酯与PE合成的纤维性材料及具有可回复性的泡沫塑料也有负泊松比现象。研究发现，高聚物体系也具有负泊松比现象，如多孔性固体131、具有细胞的二维尺寸的蜂窝状物质、可延展

5、性的金属泡沫塑料及高聚物泡沫塑料、二维或三维的各向同性瞄1高聚物。此外，黄铁矿，硅土等天然矿物也存在着负泊松比现象。匾疆蕊负泊松比材料的微观结构可划为两类，一类是通过聚合物分子设计得到的微观结构：一类就是晶体负泊松比材料微观结构。Evansl设计了二维内凹蜂窝状结构141所示的分子水平上的负泊松比材料。他认为通过改变垂线和对角线上乙炔键连接的数目，可以实现负泊松比效应，而在乙炔键的连接处加入苯环，再现类似于图1所示的二维平面结构。Griffin等认为化学合成蜂窝状结构的分子难度较大，于是在分子水平上设计了另外一种能够呈现负泊松比效应的微观结构【51，图2所示。此结构

6、的主链由液晶高聚物构成，在主链上连接上一定数量的，分子结构呈棒状旧1(rods)的组分。著单位体积内聚合物分子链数目一定，而整个材料的体积又发生了膨胀，唯一的可能就是分子链间距离变大，这就是聚合物分子产生负泊松比效应的基本机理。c∥图1分子负泊松比的微观结构擎耋耋桫一、铲蚧rC垂由甲。占甲。?争蓍由?喜刍渤图2液晶聚合物分子负泊松比材料的微观结构3负泊松比材料制备的关键技术目前负泊松比材料的制备方法主要分为两类：一类是通过对正泊松比材料的变形以及合理铺设方式达到负泊松比效应，另一类则是通过创新的材料构筑方法和技术直接制备负泊松比材料。对于一般的泡沫材料，可以从三个相

7、互垂直的方向对其进行压缩，并放入铸模中，将铸模加热至略高于泡沫的软化温度，然后冷却至室温并将泡沫萃取出得到一种具有u=一0．7【71的泡沫材料。而微多孔聚乙烯的的合成方法是由压塑、烧结、再热压挤出三步组成。其中压塑是将粉末添入压管中机械加压。烧结是在高于泡沫熔点130—200摄氏度之间进行，热压挤出是在最合适的条件(如温度等)得到由纤维连结的泊松比为一1．24的颗粒结构。4负泊松比材料的特殊性能及应用前景负泊松比材料由于其特殊的微观结构，不仅具有很好的吸声能力，而且其物理性能也十分优良，如Evans在研究普通泡沫与负泊松比泡沫材料的回弹韧性旧1时，发现负泊松比泡