人造材料简介亚博网站下载

2001年3月9日

主题

背景

拿起一根松紧带，纵向拉伸，就好像你要用它打某人一样。在放飞之前，看看你的加长导弹的宽度——正如你所预期的，它比未拉伸的带子更薄。用橡皮筋试试，你会大吃一惊的。这些奇怪的材料在拉伸时实际上亚博网站下载会变胖，这一现象现在正吸引着许多材料科学家的实际兴趣。

许多人怀疑是否真的存在auxetic行为，因为我们认为材料的行为就像我们的橡皮筋一样，拉伸后会变薄。亚博网站下载这是为什么呢?我们的期望是基于材料内部变形机制的知识吗?还是古典弹性理论?不，我们这么想的唯一原因是日常经历。甚至与这种行为直接相关的性质，泊松比(ν)的定义使得大多数“正常”材料都具有正值。亚博网站下载

人造材料是如何工作的?亚博网站下载

泊松比是一种轴向拉伸材料的收缩侧应变与拉伸轴应变的比值，通常在+0.2到+0.4之间。然而，当我们研究经典弹性理论时，我们发现各向同性材料的泊松比不仅可以取负值，而且负值的范围可以是正值的两倍。亚博网站下载

对材料的结构及其变形方式的研究表明，人造材料的性能是完全亚博网站下载可行的。图1显示了由纤维连接的规则排列的矩形结节组成的二维结构。结构的变形是由原纤维的“铰接”引起的。对于图1a所示的“开放”几何结构，细胞沿着拉伸和收缩的方向横向拉长，以响应网络的拉伸，给出一个正的v。然而，修改结构，采用“可重入”的几何结构，图1b，网络现在在施加荷载的方向上经历了沿着和横向的伸长。换句话说，这是一个auxetic结构。

图1所示。非伸长变形(a)和伸长变形(b)是由于结节-原纤微结构中的原纤铰链引起的。

哪些类型的材料可以表现出人造亚博网站下载性能?

但不仅仅是结构——有些材料本身就有负面效应亚博网站下载ν．从分子水平，到微观，再到真正的宏观结构，材料中都存在Auxe亚博网站下载tic行为。图2显示了所有主要种类的材料(聚合物、复合材料、金属和陶瓷)现在都以auxetic的形式存亚博网站下载在，而天然和合成auxetic材料的刚度或杨氏模量都超过了几个数量级。

图2。矾土材料在宏观水亚博网站下载平上形成分子。

我们有充分的理由对人造材料感到兴奋。亚博网站下载除了它们在变形下的新行为外，许多其他材料的性能也可以由于负泊松比而得到增强。通常，这些性质与(1 -)成反比ν²)或(1 +ν)，如抗压痕模量和剪切模量。的负极限ν对于各向同性材料是-1，接近亚博网站下载这个，(1 -ν²)和(1 +ν)的因素趋于零，导致相关材料的性能增强的auxetic材料比非auxetic材料。亚博网站下载

增强的抗压痕性已在人造泡沫中得到证实。人造碳纤维增强复合材料和微孔聚合物也显示出类似的好处。与传统超高分子量聚乙烯(UHMWPE)相比，环氧超高分子量聚乙烯(UHMWPE)的抗压痕性提高了3倍。其他已知的重要特性包括剪切阻力、断裂韧性、声音和振动阻尼以及超声能量吸收都受到了积极的影响。

生产人造原料亚博网站下载

很明显，auxetic材料具有有益的性质，所以下一亚博网站下载步是生产它们，有多少材料就有多少不同的途径。有些方法依靠将非生土材料转化为生土形式(泡沫)，而另一些方法则采用标准技术，但采用新型材料亚博网站下载结构来达到生土效果(蜂巢和纤维增强复合材料)。还有一些则要求对现有的传统材料的加工路线进行新的开发，以产生人造功能。亚博网站下载

作为后一种情况的一个例子，以auxetic微孔聚合物的加工为例。关键是在图1二维示意图的聚合物中生成三维版本，即实现与原纤维连接的结节。对于UHMWPE来说，实现这种复杂微观结构的路线是在传统聚合物粉末烧结和挤压工艺的基础上采用间歇工艺，但经过调整，使起始粉末只部分熔化，从而产生纤维性。额外的初始压实阶段可以单独用于赋予挤出物一定程度的结构完整性。这意味着聚合物的性能可以根据应用需要进行调整，通过改变某些工艺参数，可以生产出杨氏模量为0.2GNm的结构性auxetic聚合物^－2，低到非常auxetic，低模数聚合物。

生产人造纤维

直到最近，还只能生产出氧气瓶，这在实际应用中很难使用。然而，在2000年6月的ECCM9会议上，人们报道了一种连续生产auxetic微孔聚合物纤维的工艺。再次，这具有明显的优势，基于传统的工艺路线熔体纺丝，但需要新的工艺条件，以实现结节-纤维组织。图3显示了两个轴向拉伸的聚丙烯(PP)纤维的宽度变化与长度变化。纤维1是一种常规的PP纤维，当它被拉伸时，其宽度会收缩，对应于一个正的ν．纤维2是用挤出机温度加工的，这导致了结节纤维的微观结构。它的宽度现在增加拉伸-它显示auxetic行为。