人造材料简介亚博网站下载

Andrew Alderson教授是谢菲尔德哈勒姆大学材料与工程研究所(MERI)的首席研究员，他向AZoM介绍了他在A亚博网站下载uxetic Materials方面的工作，包括应用和未来的发展。

您能否请简要说明辅助材料是什么？

一种矾土材料，当它沿其长度伸展时，在一个或多个宽度方向变厚。相反，当纵向压缩时，它就变薄了。这与“正常”材料不同，“正常”材料拉伸时会变薄，比如拉伸橡亚博网站下载皮筋，压缩时会变厚。因此，植物性材料的定义性质是，它具有一个或多个负泊松比(与“正常”材料显示的正泊松比相反)。亚博网站下载

您有任何特定的辅助材料的例子吗？亚博网站下载

材料的范围包括天然的和人造亚博网站下载的。它涵盖了从大规模结构到纳米尺度，并跨越了聚合物、复合材料、金属和陶瓷等经典类别。就自然物质而言，我们可以看看自然产生的晶体硅酸亚博网站下载盐;α-方石英已知是铝质的。

还存在诸如沸石等相关材料，并且现在已知的许多材亚博网站下载料是扶贫。在生物材料侧，据报道，亚博网站下载许多皮肤组织和软组织是辅助的，并且有一些形式的骨骼是辅子的暗示。此外，据报道，早期的胚胎组织旨在扶贫。它看起来好像在大自然中，我们开始划伤表面并发现更多的材料是尊重的。亚博网站下载

就人为因素而言，让我们从宏观层面开始。我想说，我所知道的最大的人造人造构造，可能是在20世纪50年代设计的，在一些核反应堆的石墨堆芯。所以，在几米大小的石墨块上，你可以得到人造的结构。

增大的泡沫。图片由:梅里

从极端的宏观尺度往下看，我们会看到像蜂巢和其他蜂窝桁架一样的结构，可以是人造的。然后我们进入泡沫之类的东西。我们知道金属，陶瓷和聚合泡沫塑料都是人造的。再往下，我们可以用人造形式制造微孔聚合物或微孔泡沫。

比如碳纤维增强环氧复合材料层压板。你在那些复合材料中排列层(或层)的方式，你最终可以设计出auxetic效应，并制造刚性的auxetic复合材料。我们正在研究我刚才提到的一些细胞的微加工版本，使用3D打印工艺、LIGA技术和其他微加工技术缩小二维和三维细胞结构。我们正在研究几微米大小的有趣材料。亚博网站下载

进一步下降，然后进入分子或纳米级结构。因此，如上所述，例如，在自然发生的硅酸盐中，α-克里斯橡胶和α-石英在某些方向上并且在某些温度下可以是扶贫。我们还意识到了天然结晶聚合物等物质，因此已知某种形式的结晶纤维素是静态的。

负泊松比对这些材料的性质有什么影响?亚博网站下载是否对某些物业有不良影响?

浏览任何一本关于材料弹性的标准教科书，或者在网上搜索，你很快就会发现一些与材料的泊松比亚博网站下载有关的其他材料属性的表达式。从历史上看，当寻求优化或达到这些特性的极端值时，材料的泊松比通常被认为是一个不可更改的值，对于大多数材料来说，泊松比通常在+0.25到+0.33之间。亚博网站下载

近年来泊松比为负值的材料的发展和发现，以及我们通过制造来修改潜在的内部材料结构和变形机制来调整其大亚博网站下载小的能力，使我们重新考虑泊松比在性能增强材料开发中的作用。亚博网站下载我们现在意识到负泊松比可以极大地提高正泊松比材料的其他性能。亚博网站下载

例如，如果我们考虑各向同性线弹性材料，那么材料的弹性响应完全可以用4个相互关联的特性来描述:泊松比、杨氏模亚博网站下载量、剪切模量和体模量。各向同性材料的泊松比范围限制在-1 ~ +0.5之间。亚博网站下载

从剪切模量，散装模量和泊松比之间的关系，证明泊松比（对应于橡胶）的正极限提供了一种易于变形的材料（通过剪切），而是相对不可压缩的材料。另一方面，-1泊松比的负限量产生难以剪切的材料（即它保持形状），但相对可压缩（容易变化体积）。

类似的考虑和实验测试表明，auxetics可以导致一系列其他属性增强，例如:

• 抗压痕性增强(由于压痕物体下的材料沿压痕方向和横向压痕方向致密化的趋势而产生)
• 增强断裂韧性
• 与正泊松比材料所采用的鞍形相反，在纯弯曲下，板状材料自然倾向于产生圆顶状的曲率
• 拉伸或压缩时孔隙度变化增强
• 增强能量吸收(冲击、振动、超声波)
• 由于压缩插入力的侧向收缩，易于插入周围材料，从而增强了“锚固性”;以及当放置在拉伸移除力下时，由于横向膨胀而导致的“锁定”移除阻力

当我们考虑各向异性辅助材料时，泊松比的值范围可以在任何给定的方向上变为无限亚博网站下载。这可以产生额外的增强功能。例如，具有定向泊松比的-10的比例的材料将在横向方向上比在负载方向上更高的响应量，导致应变扩增。

当将矾土材料与其他材料结合形成复合体系时，也会得到改进。亚博网站下载上述抗从周围材料中提取的能力，当置于张力下时，意味着含有人造纤维的复合材料增强了纤维的抗拔性。

含有压电陶瓷棒的压电陶瓷复合材料应具有增强的机电耦合。碳纤维增强环氧复合材料的热膨胀行为可以通过引入auxetic夹杂物来调节，这可以显著降低此类系统中通常与残余热应力相关的微开裂和变形。

就任何不利影响而言，它确实取决于您之后的财产。所以，返回第一个例子，如果你想要一种可以很容易改变形状的材料，但是相对不可压缩的那么辅助材料可能不是前进的方式。亚博网站下载关键是要了解泊松比和特定应用所需的属性（或属性组合）的关系。

在自然界中，土的性质是否具有典型的各向异性，例如，在一个矩形中，你是否只观察到横向拉伸的现象而不一定在纵向拉伸时观察到?

通常，对于大多数材料和系统，我们必须亚博网站下载遵循我们所说的“对称顺应矩阵”。所以，在你刚才提到的例子中，如果你有一个矩形的，二维的土质，你往水平方向拉它，它几乎肯定会往另一个方向拉，当你往垂直方向拉它的时候。它可能在一种情况下很小，而在另一种情况下很大，但如果材料符合经典弹性理论——当然，许多材料都符合经典弹性理论——那么情况就应该是这样的。亚博网站下载

左:放松的泡沫塑料。右图:拉伸的泡沫塑料。图片由:梅里

在同一个平面上，你可能会得到一个不同的泊松比，既不是水平拉力也不是垂直拉力，但如果你在离轴方向上拉力，比如与水平方向30度，你可能会得到一个不同的，正泊松比。在一个平面内，你可以得到不同的(正或负)泊松比符号，但对于每一对相互正交的方向，你通常应该有相同的符号。

现在，当你得到三维材料时，比如说长方体，你可以想象这样一种情况，当你在轴向拉的时候，在一个横向上它是伸长的，但是在另一个横向上，即使它被拉向同一个方向，它也是传统的。在我的小组中，我们当然也会这样做，比如聚合物泡沫。我们可以在不同的平面上处理具有不同泊松比值的泡沫。

这些材料的潜在应用是什么?亚博网站下载哪些行业可以从它们的使用中获益?

嗯，虽然在某些情况下是无意或不知情的，但在一些产品和应用中已经利用了auxetic效应。也许最明显的例子是深受美国总统和世界各地儿童喜爱的不断扩大的霍伯曼球体教育玩具，它启发了在可部署和圆顶结构的庇护所和建筑物的现实应用。

回到过去，许多在20世纪50年代开发的核反应堆的石墨核心结构被设计成保持其形状(在地震发生时)，但允许膨胀或收缩(由于热和辐射效应)。这正是我们所期望的氧化石墨材料的抗剪性和压缩性的结合，正如已经提到的，石墨结构在横断面上确实是氧化石墨结构。

在非常长的时间尺度上，考虑材料而不是刚才提到的结构，我们发现自然界已经进化出了一些具有a亚博网站下载uxetic效应的生物材料。我们现在正试图理解大自然为什么会这样做，但这很可能与这种材料被开发出来的应用有关。

例如，牛颈总动脉表现出发育不良的特征。是否由于生长激素的断裂韧性增强，导致血管破裂的趋势降低?或者，这可能与控制流经动脉的血液流动有关。

一个简单的考虑各向同性弹性材料制成的血管显示的内腔下动脉或静脉保留相同的横截面积变化血压如果材料泊松比接近1的增大的限制,影响血液流动。了解大自然为什么以及如何发展人造材料，将为新型和改良人造材料的发展提供动力。亚博网站下载

至于最近正在开发的产品，我们看到申请人造植物产品专利的数量在增加，这些产品现在正成功地推向市场。这里的一个例子是Under Armour Micro G Drive“Volt”运动鞋，其中包含一个auxetic鞋帮。

这些辅助的好处包括，在休息和运动时，运动鞋对足部复杂尺寸和形状的舒适性和合合性都有所提高。在谢菲尔德哈勒姆大学(Sheffield Hallam University)，我们认为运动应用是人造纤维未来发展的一个领域，我正与我们运动工程研究中心的运动工程师合作，开发冲击防护系统，该系统利用人造纤维组件显著增强的冲击性能(模仿天然人造纤维装甲防护)在某些贝壳中自然形成的系统)。

大多数应用程序迄今为止的发展工作可能与航空航天和其他运输部门有关。这里的应用包括振动阻尼结构和材料，弯曲部件（例如鼻锥），变形（形状变化）结构，具有降低的损坏（和更换）电位，可清洁过滤亚博网站下载器和更轻的复合部件的复合材料。

医疗保健和生物医学设备是另一个领域，人造生物技术越来越被视为提供更有效治疗技术的解决方案。这些包括动脉假体、人工椎间盘植入物、扩张器和支架、用于腹腔镜手术的空间创造和器官收缩装置、药物输送系统、超声波成像仪、眼科设备、髋关节植入装置、组织工程支架和环成形术假体。

正在开发的其他领域包括国防(如防爆窗帘和防冲击部件)和服装(增加舒适度和舒适度的服装)。

在自然发生的辅助材料中，您是否需要在实际应用中使用之前对它们进行大亚博网站下载量操作？

很有可能它们已经在当前应用程序的本质上进化了很多年，所以它们可能已经在一个实际的应用程序中，它们已经被优化了。在生物材料方面，你是在自然状态亚博网站下载下使用它们的。如果你要做一个软组织移植，那么它就在那里，你所做的仅仅是把一块皮肤移到另一个地方。

如果我们查看Cristobalite的示例，辅助行为已经以单晶形式测量，并且它是各向异性的，因此您可以获得不同方向的不同价值和泊松比的迹象。有趣的是对于α-cristobalite，当您进行平均来提出多晶骨料泊松比的比例时，您最终最终得到了整体各向同性的辅助材料。

如果你想要一个增大的填料,例如,放到一个复合系统在某种程度上受益于增大的属性,然后多晶α方石英粉是一个有趣的材料,你可以使用最少的进一步处理之前,你可以使用它。

您提到了可以使用辅助材料的医疗保健和生物医学设备。亚博网站下载该市场上有很多现有的主要材料，如钛合金，超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和亚博网站下载陶瓷，通常是氧化铝，所以您认为脚本材料可以提供这些益处吗？

好吧，我们可能不会提供比它们更好的好处，但我们可能会制造出它们的变种。举个例子，如果你想用钛合金做一个髋关节植入物，这是有一定原因的，但其中一个问题是钛合金比植入物的骨头要硬得多。

现在，这会造成一些问题比如压力屏蔽，这意味着身体的重量基本上是由钛合金承载的，这会在植入物的远端给你带来问题。你会长出骨头，这是很痛苦的，因为它超载了，因为压力下的假体茎。

在茎的顶端，骨头相对来说是没有负重的，所以会变得很脆弱，可能会骨折和失败。所以在植入物的底部会有疼痛的骨生长在植入物的顶部会有脆弱的易骨折的材料。

解决这个问题的方法是考虑制造不像钛合金那么坚固的植入物，比如钛网。我们最近做的一些工作,说,如果你可以让网在一个增大的形式,不仅可以得到更好的匹配(年轻的)的网模量你的骨植入它,但你也提高应力屏蔽效应。

你还会得到其他的好处，比如可以更容易地插入到骨腔中，或者你需要一个稍微小一点的骨腔来准备植入物。这两种方法都有助于愈合过程，因为你从一开始就切除了更少的骨头。

随着时间的推移，植入物被松动 - 因此目前需要修改替代操作 - 我们可以设计辅助植入物，您可以在其中放入紧固机制。因此，您需要一个相当更少的侵略性操作，然后将您能够重新拧紧植入物并保持，实际上增强了装置的寿命。

对于UHMWPE，当你想到髋关节植入物，当你想到植入物的插座时，UHMWPE是这类插座衬里的黄金标准，有很好的理由，比如耐磨性。我们相信，如果我们使用一个auxetic版本的UHMWPE，并且可以生产auxetic UHMWPE，那么我们相信auxetic效果将最终给我们带来更好的耐磨性。

因此，它再次，它不会替换材料，我们只是以辅助形式使其使它能够为其提供它目前用于的应用程序的优化属性。

就像许多奇妙的创新一样，在将生产扩大到制造规模时也存在困难。你认为这对人造材料来说也是一个问题吗?亚博网站下载

这完全取决于你考虑的是哪一种类型的auxetic material。在某些情况下，使用auxetic材料将改善产品的制造。亚博网站下载在最近的运动鞋中，人造材料自然地符合鞋面形成所需的多个曲面。这意味着鞋面可以用更少的材料生产(事实上，它可以由一块形成)，从而减少了对传统材料鞋面所需的切割和缝纫过程的需要。

使用辅助夹杂物来定制碳纤维增强复合层压板的热响应是另一个实例，其中制造将大大提高。最终，它将移除或显着减少，目前需要在复合材料中进行附加所谓的“平衡”层。这不仅会降低昂贵的碳纤维的数量和成本，而且还将大大简化电流复合层压材料组分所需的复杂设计方法。

一些auxetic材料使用亚博网站下载完全相同的起始材料和制造过程作为传统材料。这里的例子包括人造纤维碳纤维复合材料层压板(与含有人造纤维夹杂物的层压板相反)和人造纤维针织物。因此，在这些情况下，生产产量或成本没有差异。

其他示例使用现有的制造工艺和起始材料，但是对于不寻常或需要仔细控制的处理参数，对生产量和/或成本进行限制。亚博网站下载使用熔融挤出的辅助聚合物单丝和薄膜的生产是一种情况。

这些通常是在接近起始粉的熔化温度的温度下进行的，需要相对较慢的生产速度。该工艺已经成功地扩大到商业规模的挤出机，但产量目前仍然明显低于商品传统单丝和薄膜。

Equally, the production of auxetic ‘double helix’ yarns, comprising wrap and core components, and auxetic fabrics made from them, require very careful positioning and/or fixation of the wrap component, and close control over alignment of adjacent yarns, respectively, thus complicating the manufacturing processes compared to conventional wrap yarns and fabrics.

因此，有进一步的研究和开发的空间，将这些类型的auxetic材料推向更广泛的商业生产，这是我们在谢菲尔德哈勒姆积极追求的事情，在挤压纤维和薄膜。亚博网站下载

还有一些是现有的传统替代品的生产过程无法使用的亚博网站下载人造材料。这可能是一个重大障碍，因为这意味着需要一个替代工艺，以及建立加工厂的相关成本。在某种程度上，这就是auxetic蜂巢的情况。

例如，用于生产常规六边形铝蜂窝状的商业'胶水和拉动'工艺不能用于制造辅助的“重新参与者的六边形等效物”。然而，最近的快速原型制造和其他技术（如Kirigami）以及替代蜂窝几何形状的发展，克服了商业生产的障碍。

最后，还有那些需要将传统材料转化为生土形式的生土材料。亚博网站下载与传统材料相比，这需要一个后处理阶段，因此需要额外的时间和成本。第一个被报道的人造人造泡沫塑料，人造人造开孔泡沫塑料，就是一个很好的例子:传统的泡沫塑料通过压缩和热处理来生产人造人造泡沫塑料。

该方法的变体包括用溶剂阶段替换加热级，但尚未报道从发泡过程中直接制造辅助泡沫的方法。

您如何看待未来的发展趋势?亚博网站下载特别是，您认为谢菲尔德哈勒姆大学正在进行的研究将如何参与这一发展?

我认为人造基因的未来发展将着眼于将人造基因效应与其他功能效应结合起来。所以，你可能想要制造可导电的人造纤维用于未来的应用。所以多功能，我认为是关键。我认为另一个关键领域是缩小到纳米尺度的能力，并有效地设计材料的内在auxetic行为。亚博网站下载

具有梯度结构和特性的辅助材料的能力是另一个区域，我看到了亚博网站下载重要的潜力 - 确保材料在正确的位置处具有正确的功能/财产。我们最近在渐变辅助上做了很多工作。

扩大可用的辅助材料范围，在此过程中，提高舒贵效果的行业内的意识亚博网站下载及其可能性在加速商业摄取方面将是至关重要的。我认为与制造业的进步相比，帮助我们扩展辅助范围很重要，同样辅助将参与改善制造过程。

我认为Sheffield Hallam的工作在哪些方面符合这一愿景?我认为目前的关键领域之一是向自然学习。我坚信，多年来，大自然不断改进材料，优化应用功能。亚博网站下载因此，我们试图了解大自然是如何使材料成为人造的，为什么会这样做，以及我们可以在哪里将其应用于新亚博网站下载材料和潜在的应用。

在我们所关注的行业中，我们在过去做了很多与航空航天和运输相关的工作。最近，我的团队正在关注医疗保健。例如，我们正在与一组外科医生合作，开发一种基于auxetic原则的可扩展腹腔镜手术设备。我认为医疗保健是继航空航天之后的下一个人造器官领域，也是我们正在解决的一个领域。

我认为我意识到的另一部分是医疗保健和航空航天都有相当长的资格期，因此提供了交付时间。对于目前在那里获得更多的应用程序，这是一个重要的应用程序很重要，并且很快就可以做到这一点。所以我正在看监管的部门。

例如，我正在与谢菲尔德哈勒姆(Sheffield Hallam)的运动工程师合作，为下一代运动技术开发人造材料。亚博网站下载我和建筑师一起研究建筑和庇护所的方案，这很好地回到了我开始研究的自然材料。亚博网站下载事实上，我们最近刚刚发展出一种结构建筑皮肤的概念，基于天然人造皮肤中胶原纤维的排列。

这些都是我们谢菲尔德哈勒姆大学正在优先考虑的领域。它正在寻求商业扩张，并在一些应用非常明确的领域进行，但也试图通过关注监管较少的行业来加速这一进程。

安德鲁·奥尔德森教授

在2013年加入谢菲尔德哈勒姆大学材料与工亚博网站下载程研究所之前，Andrew是博尔顿大学材料研究与创新研究所主任、科学主任和材料物理学教授。亚博老虎机网登录

他还曾在核工业(BNFL)工作，在两家公司担任董事，并在面向行业的合作研究中心、财团和网络中担任领导角色。

他在大约130篇论文中发布的6个EPSRC面板（包括小组椅），并是14个专利申请的共同发明人。

他出现在BBC电视台和收音机上，并在科学博物馆（伦敦）展出了他的作品。亚博老虎机网登录奖项包括肯尼斯哈里斯詹姆斯的Imeche航空航天行业的詹姆斯奖。

安德鲁的主要研究重点是在运输，医疗技术，先进制造和低碳行业的应用中具有不寻常的机械和热性能的先进和智能材料。亚博网站下载主要活动是研究辅助（负泊松比）材料，包括从纳米级到宏观的辅助聚合物，复合材料和无机物。亚博网站下载