资源描述：
《负泊松比材料研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。
1、·48·高分子通报2003年12月负泊松比材料研究进展3史炜,杨伟,李忠明,谢邦互,杨鸣波(四川大学高分子科学与工程学院,高分子材料工程国家重点实验室,成都610065)摘要:介绍了近年来材料科学的一大热点———负泊松比材料的研究概况,通过讨论负泊松比材料的微观结构与形变机理,阐述了该材料所具有的特殊物理机械性能,并通过与普通材料的性能的比较,指出了此类材料所具有的巨大应用前景和实用价值。关键词:负泊松比;微观结构;形变机理引言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
2、示为:νij=-εjPεi式中:εj表示横向收缩应变,εi表示纵向伸长应变。i,j分别为两相互垂直的坐标轴。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
3、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。[1]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(如图1所示),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-017。自此,这一领域内的研究开始蓬勃发展起来。[2,3]1989年,Evans等在研究具有微孔(microporous)结构的聚四
4、氟乙烯(PTFE)的性能时,也发现[4]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-1124,轴向受压时为[5,6]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。本文从迄今为止所发现的负泊松比材料的种类、特殊的微观结构、形变的机理及其与普通材料基金项目:国家自然科学基金资助项目(20074022);作者简介:史
5、炜,25岁,男,四川大学高分子科学与工程学院2001级研究生,研究方向为负泊松比材料。3通讯联系人。第6期高分子通报·49·相比性能上的差异和应用前景等方面,对这种材料进行了详细的介绍。1负泊松比材料的种类一般而言,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。111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
6、已经发图1负泊松比聚合物泡沫泡孔单元示意图[7,8][8]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[1]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[1,9]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
7、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≤1P2。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[2,3]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。112负泊松比复合材料[10]在某些各向异性的纤维填充复合材料
8、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[11]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
