负泊松比材料的发展与探究

张起明，巩华帅



负泊松比材料的发展与探究

张起明，巩华帅

（武汉理工大学，湖北 武汉 430070）

现代技术对材料的特殊要求越来越多，正常物理、力学性质的材料已经不满足特定的要求，所以涌现出大量的智能材料。负泊松比材料是具有受拉膨胀或者受压收缩性质[1]的一种材料，属于一种智能材料，是一类具有较高工程应用价值的功能材料。在某些工程领域，负泊松比结构以其特有的物理、力学性质而被广泛应用。但是由于其复杂的结构和制作工艺，发展受到了较大的限制。但整体来看，其他高新技术的配套发展也推动了负泊松比材料的发展。

负泊松比材料；3D打印技术；功能价值；配套发展

我国十分重视智能材料、超材料的发展，在很多规划、政策中都有所提及。负泊松比材料由于其独特的物理、力学性质，有着其他材料不能比拟的优势，所以负泊松比材料的研究成为一个热点问题。随着材料在各个领域的不同要求，许多具有负泊松比效应的结构出现了。最常见的是内凹的多边形结构和物理模型，如刚体转动结构和手性结构[2]，它促进了负泊松比材料的发展。但是特殊的功能决定了其特殊的结构，由于其复杂的结构，它的发展受到了限制，很大程度上停留在二维结构层面。

1 研究历史和研究意义

1.1 研究历史

在1967年，苏联科学家维克多提出一种材料的两种性质，即负介电常数和负磁导率，它不再遵循传统的电磁基础，即右手规则，这也是负泊松比材料的早期发现。直到2001年，史密斯等人[3]在美国加州大学圣地亚哥分校使用的定期开放谐振环结构在实验室制备了世界上第一个负折射率超材料样品。1987年，里克[4]把一个110 mm×38 mm×38 mm普通聚氨酯泡沫放置在75 mm×25 mm×25 mm铝模具中，对其立体压缩、加热、冷却，得到一种具有特殊微观结构的负泊松比材料，测得其泊松比为-0.7。此后，关于负泊松比结构的相关研究就开始蓬勃发展。在1989年，埃文斯[5]研究了聚四氟乙烯（CPTFE）具有微孔结构的特性，负泊松比效应也被发现。奥尔德森和Evans发现，通过超高分子量聚乙烯形成的其他微孔聚合物，表现出负泊松比效应，并且当经受径向压缩时测得其泊松比为-1.24.Choi等则较为深入地探讨了呈现负泊松比效应的材料其微观结构的形成方法和受力过程的结构变化，并提出了呈现负泊松比效应的机理。此外，少数负泊松比多胞材料也成为研究热点。

1.2 研究意义

如上所述，负泊松比的材料具有特殊的物理、机械和变形特性。例如，负泊松比效应可以提高材料的机械性能，包括剪切模量、断裂韧性、热冲击、强度和抗压痕性等[6]；有负泊松比效应的材料可应用在医疗领域中，如负泊松比人造血管和负泊松比脉动扩张器，防止由于动脉硬化和血栓形成的危险，能缓解对人体的危害[7]；有负泊松比效应的泡沫也有特殊的弹性和吸音性能，可用于制造隔音材料。

在土木工程领域，由于负泊松比意味着高剪切模量，这无疑将提高建筑物的抗风能力和柱状、层状结构的抗震性能；负泊松比材料作路面材料可显著增强耐压抗震性能。另外负泊松比多胞材料具有重要的应用前景，在航空、交通领域有着重要的应用，它优异的抗冲击韧性有着广泛的应用前景，可以广泛应用于军事领域，也可以用于服务业、旅游业等民用行业。

有的负泊松比结构还能运用在服装上，例如制作高性能防弹衣就是利用它的抗冲击韧性。负泊松比蜂窝结构有着质量轻、强度高、韧性好的特点，从而被应用于土木工程和建筑领域，一些多孔的材料被当作抗压、抗剪构件用于大跨度建筑和高耸建筑。由于蜂窝结构抗震性能好，具有吸收声音、降低噪声的特点，也被用于城市绿色建筑中。

2 存在问题

目前已知的负泊松比结构最广泛的就是内凹多边形，其中以内凹六边形居多，正六边形在受力性能和变形特点方面不具有负泊松比效应，这已被实验证明，但是内凹六边形在特定的受力环境下就具有负泊松比效应。虽然如此，无论怎样改变形式，仍然停留在平面层次，很难实现结构的空间化即三维模型。二维负泊松比材料形式单一、制作简单，用传统的支模的方法即可实现，但是受力形式单一，面刚度低，不能作为受压构件，只能承受一定的拉力，无法满足实际工要求。相比二维负泊松比结构，三维负泊松比结构力学性质方面优于二维的，不仅可以承受拉力，也可以承受纵向的压力。基于三维负泊松比结构的特殊优势，对负泊松比材料的研究向三维方向发展。三维负泊松比材料结构复杂，在结构设计和模型制作上都有很大的难度，制作上由于是空间结构难以支模，所以难度很大，就算能够用支模的方法制作出来也会耗费很大的成本，所以三维负泊松比结构的发展受限于制作方法。

3 前景发展

三维负泊松比结构的制作可以结合3D打印技术。3D打印技术是利用计算机和立体打印技术对复杂的结构实现快速成型的高科技技术。它以数字模型为基础，所以精度高、机械化程度高、速度快。另一个特点是原料广泛，打印原材料可以是硅胶、光敏树脂、橡胶等，也可以是金属。重点是能够对复杂的空间三维结构进行立体成型，这就可以运用在三维负泊松比结构的制作方面，实现从三维CAD或者MAX文件到实体模型的转变。3D打印技术相比传统支模的方法，突出优点是能更大程度地保证设计模型与实际模型的相符度，连接点处光滑、密实且材质均匀。所以综上所述，3D打印技术和三维负泊松比结构的制作相结合是一个未来的趋势，也会不断地成熟和发展。

4 结束语

现代高技术的发展对负泊松比材料提出了更高的要求，不仅仅是在医学、建筑、航空等领域，也会向其他领域发展。二维负泊松比材料在技术上会不断的完善和成熟，对其力学性能的研究也全方面进行，这就决定了它的开发领域会越来越广泛，三维负泊松比材料制作困难，但是有其他新技术的配套发展，相信它的前景会越来越好。

［1］魏高原.拉胀聚合物［J］.高分子通报，1995（4）：234.

［2］于靖军.负泊松比超材料研究进展［J］.机械工程学报，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］张新春，刘颖，李娜.具有负泊松比效应蜂窝材料的面内冲击动力学性能［J］.爆炸与冲击，2012（05）：475-482.

［7］杨智春，邓庆田.负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用［J］.力学进展，2011（03）：335-350.

2095－6835（2019）05－0152－01

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10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.152

〔编辑：王霞〕