通常认为, 几乎所有的材料泊松比值都为正, 约为1/3,橡胶类材料为1/2, 金属铝为0.33, 铜为0.27, 典型的聚合物泡沫为0.11～0.14等, 即这些材料在拉伸时材料的横向发生收缩。而负泊松比NegativePoisson’sRatio效应, 是指受拉伸时, 材料在弹性范围内横向发生膨胀; 而受压缩时, 材料的横向反而发生收缩。这种现象在热力学上是可能的 ，但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应,由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视。
负泊松比简介
以著名法国数学家西蒙・泊松命名的泊松比,定义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。
用公式表示为:
通常认为, 几乎所有的材料泊松比值都为正, 约为1/3,
橡胶类材料为1/2, 金属铝为0133, 铜为0127, 典型的聚合物泡沫为011～014等, 即这些材料在拉伸时材料的横向发生收缩。而负泊松比(NegativePoisson’sRatio)效应, 是指受拉伸时, 材料在弹性范围内横向发生膨胀; 而受压缩时, 材料的横向反而发生收缩。这种现象在
热力学上是可能的 ，但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应,由于其奇特的性能而倍受材料科学家和物理学家们的重视。
负泊松比发现
1987年,Lakes把一个110×38×38mm的普通
聚氨酯泡沫放入75×25×25mm的铝制模具中,进行三维压缩后再对其进行加热、冷却和松弛处理,得到的
泡孔单元呈内凹(re-entrant)结构，首次通过对普通聚合物泡沫的处理得到具有特殊
微观结构的
负泊松比材料,并测得其泊松比值为-0.17。自此,这一领域内的研究开始蓬勃发展起来。
1989年,Evans等在研究具有微孔(
microporous)结构的
聚四氟乙烯(PTFE)的性能时,也发现了负泊松比效应的存在。Alderson和Evans发现,经过特殊方法形成的其它一些微孔聚合物,如
超高分子量聚乙烯(UHMWPE)呈现负泊松比效应,其泊松比值在径向受压时为-1.124,
轴向受压时为零。Choi等则较为深入的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。
材料种类
一般而言,负泊松比材料可以分为多孔状负泊松比材料—包括泡沫(Foam)材料和蜂巢状(
Honeycomb)
结构材料、负泊松比
复合材料及分子负泊松比材料等。
1.多孔状负泊松比材料
多孔材料指一相为固体,另一相完全由孔隙或液体组成的复合材料,如自然界的岩石、木材等。多孔状固体材料可能具有
二维结构,也可能具有
三维结构,目前已经发现由内凹泡孔
结构单元组成的二维
蜂窝状固体材料具有负的泊松比值。Almgren发现在二维或三维尺度上,通过设计由棒、弹簧和滑块组成的
宏观结构,可以实现负泊松比效应,其内部结构单元与蜂窝状材料的内凹泡孔单元类似。Lakes在1987年通过对普通泡沫进行热机械方法处理制备的负泊松比聚氨酯泡沫也属于多孔状负泊松比材料。Lakes和Friis等认为具有
软化点的聚合物泡沫、
延展性金属泡沫以及某些
热固性聚合物泡沫也能制成为负泊松比材料,并发现所制得的铜泡沫具有-018的泊松比值。但是负泊松比泡沫材料的缺陷在于
材料强度和硬度太低,若通过增强的方法提高其强度和硬度,其负泊松比效应就会消失。
上述这些材料都是
各向同性的,对于各向同性材料,经典弹性理论认为-1≤ν≤1Π2。近年来,在
各向异性材料如Evans等制备的微孔
聚合物等材料中,也发现了负泊松比效应的存在。Caddock和Evans就发现某些通过特殊的加工方法得到的
微孔材料呈各向异性,在某些方向上具有负泊松比效应,且其泊松
比值比各向同性负泊松比材料更低。
2. 负泊松比复合材料
在某些各向异性的纤维填充复合材料中,同样发现了负泊松比效应的存在。如Herakovich发现在一些由纤维组成的多层次的(hierarchical)材料中,通过控制不同尺度
叠层的次序,在垂直于
纤维层的方向上,理论上可以得到泊松比为-0181的材料。Miki和Morotsu也认为通过控制叠层次序可使多层次材料具有负泊松比效应,但是他们的研究仅限于理论层面的分析。
1992年,Milton首先制备了在二维或三维方向上力学性质各向同性的多层次结构负泊松比复合材料,通过控制各层组分的尺寸及选择适当的
连续相组分,获得了泊松比值接近于-1的负泊松比材料,实现了负泊松比复合材料理论向实验阶段的飞跃。
由于研究多孔状固体负泊松比材料的理论和模型已日趋成熟,近年来,关于负泊松比复合材料的研究逐渐多了起来。Theocaris等通过基于数字均一化理论的
有限元分析,认为
纤维增强复合材料内部若包含
横截面呈星形、具有内凹角的微孔结构单元时,可呈现出负泊松比效应。
魏高原和Edwards在理论上分析了当复合材料中
分散相的
体积分数超过某
临界值且分散相的
杨氏模量与基体的杨氏模量之比在某一范围内时,材料具有负泊松比效应,并通过
平均场理论、二维平面、三维体积内
交互作用理论进一步得出在各向同性的球形包埋物中,当基体的泊松比值从1/2降到零,球形分散相出现负泊松比效应时所占的体积分数由014174降到零。Stagni研究发现在多层
中空纤维增强复合材料中,当中空纤维达到一定的体积分数时,能使其成为负泊松比材料,并同时提高该材料的有效横向
弹性模量。最近,
杨鸣波发现用
共混法制备的特殊聚烯烃共混物也具有负泊松比性能,获得了-114的稳定负泊松比值,且材料的模量和强度较多孔状负泊松比材料有较大提高。
3. 分子负泊松比材料
分子负泊松比材料包括一些具有特殊微观结构的聚合物[20]和某些
晶体材料,如
沸石、
二氧化硅晶体和一些元素金属等。
一般认为,大多数聚合物的泊松比在1/3左右。但某些聚合物凝胶在严格的温度条件限制下,当发生相转变时表现出负泊松比效应。1991年,Evans等在分子水平上设计了一种能够再现蜂巢状负泊松比材料内部所具有的内凹结构特征单元,同时经过
理论分析得出该材料具有负泊松比效应。此后,Griffin等把液晶
高聚物作为
分子结构的主链,同时在主链上通过合成的方法连接上具有棒状结构的分子单元,这样的一种
分子设计使材料在
拉伸应力状态下横向发生膨胀,实现负泊松比效应,并通过
X射线散射的方法得到了证实。Bowick等通过蒙特卡洛(MonteCarlo)发现微观结构类似于鱼网状的二维结晶膜具有-0137的泊松比值。
有研究表明,纳米尺寸的分子链构成的呈
多面体框架微观结构的沸石,由于包含分子尺度的规整空洞,具有负的泊松比值。在对α
方英石的研究中发现,构成这种晶体材料的
子单元四
氧化硅,在其旋转和分离的过程中,能够产生负泊松比效应。在随后的研究中,研究人员进一步通过旋转
四面体模型(rotatingtetrahedralmodel)、膨胀四面体模型(dilatingtetrahedralmodel)和协同四面体模型(concurrenttetrahedralmodel)分别计算得到α方英石的最小泊松比可达到-1。
对于某些
金属元素,研究发现同样具有负的泊松比值。Baughman指出,69%的
立方晶系元素在
晶面方向上具有负的泊松比。Rovat通过正交晶弹性对称理论,
模拟分析得到铜、铝、
镍合金(CuAlNi)在晶面
交角为(0,π/2)之间具有负的泊松比值。
应用前景
负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质,在很多方面具备了
其他材料所不能比拟的优势,尤其是材料的物理
机械性能有了很大的提高,如提高了材料的
剪切模量、材料的抗缺口性能、抗断裂性能以及材料的回弹韧性。
另外,由于材料的
泊松比影响到
应力波的传输和反射,应力的消除和在裂纹附近的
应力分布,所以负泊松比材料适合制造紧固件或
安全带,在受外力时材料的横向膨胀可以抵消外力的作用,从而提高这些部件的抗负荷能力。
进一步可以想见,如果将负泊松比材料用于医学领域,可以很大程度上缓解由于
动脉硬化、血栓等疾病对人体造成的危险。
当负泊松比材料用于制造
夹芯板时,由于受弯时是向外膨胀从而吸收更多的能量,而不是像泊松比为正值的材料那样向内凹陷被破坏,因此,由负泊松比材料制成的夹芯板其安全性大大提高。
负泊松比泡沫还具有特殊的弹性和对声音的
吸收能力,可以用于制造
隔音材料。
最近有研究表明,具有负泊松比效应的微孔
陶瓷材料,由于其微观结构在大幅热量变化下能够保持不变,可作内燃机中催化剂
转化器的载体材料。
最近的研究表明,引起负泊松比效应的机制还可以用来分析
白矮星和
中子星的
核反应和地震行为。
如果材料的泊松比足够小,还可以用于
缓冲材料,可以设想,若将此种材料用于军事领域,其意义是举足轻重的,显然具有负泊松比效应的材料对
冲击能量的吸收要大于普通材料。负泊松比材料由于在外场作用下其微观结构本身被破坏的可能性大大低于普通材料,因此还可以作为非常优良的电磁材料。
Alderson已经成功制得了可用作
增强纤维的细丝状和纤维状负泊松比
聚合物材料,该材料除了可用于汽车车体、
缓冲器用
纤维增强复合材料外,还有广泛的用途,如用作
防弹背心、护胫、护膝、护套等等。该材料与普通材料相比,能量吸收性质更优,纤维拔出阻力更大。加入了该
纤维材料或由该纤维材料制得的编织结构抗压能力和低速
冲击韧性都有所提高。
Jones在其发明的耳机中采用了负泊松比
泡沫塑料,使耳机能更容易的包覆在具有不规则外形的
耳廓上,降低了空气渗漏,并提高了耳部的舒适程度。
总之,负泊松比材料不仅在日常生活用品如
瓶塞、座垫的制造等具有重要意义,同时对于国家的某些重要领域,如航空、国防、
电子产业也有着巨大的
潜在价值。