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        負泊松比材料的發(fā)展與探究

        2019-11-29 14:30:28張起明鞏華帥
        科技與創(chuàng)新 2019年5期
        關鍵詞:效應結構發(fā)展

        張起明,鞏華帥

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        負泊松比材料的發(fā)展與探究

        張起明,鞏華帥

        (武漢理工大學,湖北 武漢 430070)

        現(xiàn)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(jīng)不滿足特定的要求,所以涌現(xiàn)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(fā)展受到了較大的限制。但整體來看,其他高新技術的配套發(fā)展也推動了負泊松比材料的發(fā)展。

        負泊松比材料;3D打印技術;功能價值;配套發(fā)展

        我國十分重視智能材料、超材料的發(fā)展,在很多規(guī)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(yōu)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(xiàn)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(fā)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(fā)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(lián)科學家維克多提出一種材料的兩種性質,即負介電常數(shù)和負磁導率,它不再遵循傳統(tǒng)的電磁基礎,即右手規(guī)則,這也是負泊松比材料的早期發(fā)現(xiàn)。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(huán)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(fā)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(fā)現(xiàn)。奧爾德森和Evans發(fā)現(xiàn),通過超高分子量聚乙烯形成的其他微孔聚合物,表現(xiàn)出負泊松比效應,并且當經(jīng)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(xiàn)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(xiàn)負泊松比效應的機理。此外,少數(shù)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(yī)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(yōu)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(yè)、旅游業(yè)等民用行業(yè)。

        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(huán)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(xiàn)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(tǒng)的支模的方法即可實現(xiàn),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(yōu)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(yōu)勢,對負泊松比材料的研究向三維方向發(fā)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(fā)展受限于制作方法。

        3 前景發(fā)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(xiàn)快速成型的高科技技術。它以數(shù)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(xiàn)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(tǒng)支模的方法,突出優(yōu)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(fā)展。

        4 結束語

        現(xiàn)代高技術的發(fā)展對負泊松比材料提出了更高的要求,不僅僅是在醫(yī)學、建筑、航空等領域,也會向其他領域發(fā)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(fā)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(fā)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

        O34

        A

        10.15913/j.cnki.kjycx.2019.05.152

        〔編輯:王霞〕

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