負泊松比材料研究進展

1、Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University負泊松比材料研究進展負泊松比材料研究進展Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1.負泊松比材料的種類2.負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理3.負泊松比材料的機械性能4.負泊松比材料的優(yōu)勢和應(yīng)用前景Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University泊松比：泊松

2、比：為負的橫向收縮應(yīng)變與縱向伸長應(yīng)變之比。為負的橫向收縮應(yīng)變與縱向伸長應(yīng)變之比。負泊松比負泊松比(Negative Poissons Ratio) 效應(yīng)：效應(yīng)：是指受拉是指受拉伸時伸時,材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹;而受壓縮時而受壓縮時,材料材料的橫向反而發(fā)生收縮。的橫向反而發(fā)生收縮。從迄今為止所發(fā)現(xiàn)的負泊松比材料的種類、特殊的微觀結(jié)構(gòu)、形變的機理及其與普通材料相比性能上的差異和應(yīng)用前景等方面,對這種材料進行了詳細的介紹。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1

3、. 負泊松比材料的種類負泊松比材料可以分為多孔狀負泊松比材料包括泡沫( Foam) 材料和蜂巢狀(Honeycomb) 結(jié)構(gòu)材料、負泊松比復(fù)合材料及分子負泊松比材料等.1.1多孔狀負泊松比材料多孔狀負泊松比材料多孔材料指一相為固體,另一相完全由孔隙或液體組成的復(fù)合材料。多孔狀負泊松比材料多孔狀負泊松比材料Almgren通過設(shè)計由棒、彈簧和滑塊組成的宏觀結(jié)構(gòu),可以實現(xiàn)負泊松比效應(yīng)Lakes普通泡沫進行熱機械方法處理制備的負泊松比聚氨酯泡沫也屬于多孔狀負泊松比材料缺陷：材料強度和硬度太低,若通過增強的方法提高其強度和硬度,其負泊松比效應(yīng)就會消失。Xian Jiaotong UniversityXi

4、an Jiaotong UniversityXian Jiaotong University負泊松比復(fù)合材料負泊松比復(fù)合材料Herakovich在一些由纖維組成的多層次的材料中,通過控制不同尺度疊層的次序,在垂直于纖維層的方向上,理論上可以得到泊松比為- 0.81 的材料。Milton制備了在二維或三維方向上力學(xué)性質(zhì)各向同性的多層次結(jié)構(gòu)負泊松比復(fù)合材料,通過控制各層組分的尺寸及選擇適當?shù)倪B續(xù)相組分,獲得了泊松比值接近于- 1 的負泊松比材料用共混法制備的特殊聚烯烴共混物也具有負泊松比性能,獲得了- 1.4 的穩(wěn)定負泊松比值,且材料的模量和強度較多孔狀負泊松比材料有較大提高。楊鳴波1.2 負泊松

5、比復(fù)合材料負泊松比復(fù)合材料在某些各向異性的纖維填充復(fù)合材料中,同樣發(fā)現(xiàn)了負泊松比效應(yīng)的存在。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University1.3 分子負泊松比材料分子負泊松比材料分子負泊松比材料分子負泊松比材料分子負泊松比材料包括一些具有特殊微觀結(jié)構(gòu)的聚合物和某些晶體材料。Evans在分子水平上設(shè)計了一種能夠再現(xiàn)蜂巢狀負泊松比材料內(nèi)部所具有的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)特征單元,同時經(jīng)過理論分析得出該材料具有負泊松比效應(yīng)Griffin液晶高聚物作為分子結(jié)構(gòu)的主鏈,同時在主鏈上通過合成的方法連接上具有棒狀結(jié)構(gòu)的分子單元

6、,這樣的一種分子設(shè)計使材料在拉伸應(yīng)力狀態(tài)下橫向發(fā)生膨脹,實現(xiàn)負泊松比效應(yīng),并通過X 射線散射的方法得到了證實。Bowick等通過蒙特卡洛發(fā)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)類似于魚網(wǎng)狀的二維結(jié)晶膜具有- 0.37 的泊松比值。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University2 負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理2.1 多孔狀負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理多孔狀負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理Lakes認為普通泡沫的微孔單元為六角蜂窩狀直肋結(jié)構(gòu),而負泊松比泡沫的泡孔單元呈內(nèi)凹結(jié)構(gòu)。Evans 認為 正是由于通過熱機械處理的方

7、法使得普通泡沫從一般的六角蜂窩狀微孔單元結(jié)構(gòu)到具有內(nèi)凹結(jié)構(gòu),肋與肋之間形成凹角的這一轉(zhuǎn)變,才使材料呈現(xiàn)負泊松比效應(yīng)。圖1 聚合物泡沫的泡孔單元模型(a) 普通泡沫(b) 負泊松比泡沫圖2多孔聚合物負泊松比材料結(jié)構(gòu)模型形變示意圖Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University三段式原纖拉伸理論三段式原纖拉伸理論第一階段由于節(jié)點尺寸要比過渡區(qū)和原纖尺寸大許多,所以節(jié)點所承受的力要相對小得多,因而過渡區(qū)的材料受力被拉伸至一個有序狀態(tài),并向原纖區(qū)轉(zhuǎn)變,如圖3 (b) 所示。第二階段由原纖組成的材料受到進一步

8、拉伸,增加了原纖的取向度,模量上升,且原纖的楊氏模量在此階段為最大值,如圖3 (c) 所示。第二階段不再形變的高模量原纖帶動相對較低模量的節(jié)點產(chǎn)生動,進而帶動節(jié)點發(fā)生旋轉(zhuǎn),最終導(dǎo)致負泊松比效應(yīng)的產(chǎn)生,如圖3 (d) 所示。綜上所述,微孔聚合物負泊松比效應(yīng)產(chǎn)生的整個過程和節(jié)點與原纖之間產(chǎn)生的拉伸、彎曲、鉸鏈的共同作用是緊密相關(guān)的。2.2 分子負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理分子負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理分子負泊松比材料的微觀結(jié)構(gòu)大體上可劃為兩類,一類是通過聚合物分子設(shè)計而得到的微觀結(jié)構(gòu);另一類就是晶體負泊松比材料微觀結(jié)構(gòu)。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaot

9、ong UniversityXian Jiaotong UniversityEvans 認為,通過改變垂線和對角線上乙炔鍵連接的數(shù)目,理論上可以實現(xiàn)負泊松比效應(yīng),而在乙炔鍵的連接處加入苯環(huán),是為了再現(xiàn)類似于圖5(a) 所示的二維平面結(jié)構(gòu)。Griffin 等認為化學(xué)合成蜂窩狀結(jié)構(gòu)的分子難度較大,于是在分子水平上設(shè)計了另外一種能夠呈現(xiàn)負泊松比效應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu),如圖(6)所示。此結(jié)構(gòu)的主鏈由液晶高聚物構(gòu)成,在主鏈上連接上一定數(shù)量的,分子結(jié)構(gòu)呈棒狀的組分。圖5 a 二維內(nèi)凹蜂窩狀結(jié)構(gòu)b 分子負泊松比材料微觀結(jié)構(gòu)圖6 液晶聚合物分子負泊松比材料微觀結(jié)構(gòu)Xian Jiaotong UniversityXia

10、n Jiaotong UniversityXian Jiaotong University晶體負泊松比效應(yīng)的機理可由如圖7 所示的體心立方結(jié)構(gòu)模型得到詮釋圖7 負泊松比晶體材料體心立方結(jié)構(gòu)示意圖圖中,在110 晶面方向施加外力F ,2、4 號原子因此向外有一個位移,導(dǎo)致鍵角的減小,但由于原子間需要保持一個比較緊密的排列,那么1、3 號原子必然向中心移動,結(jié)果是110 晶面方向上的5、6 號原子向外位移,實現(xiàn)了負泊松比效應(yīng)。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University2.3 負泊松比復(fù)合材料的微觀

11、結(jié)構(gòu)和形變機理負泊松比復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)和形變機理圖9 負泊松比復(fù)合材料多層次結(jié)構(gòu)示意圖1992 年Milton 對其制備的二維負泊松比復(fù)合材料建立的“桿鉸鏈框架”模型12 ,如圖9 所示。Milton 認為這種材料的結(jié)構(gòu)是多層次的,材料的微觀結(jié)構(gòu)呈層次排列,而每一層內(nèi)又包含有層次排列的結(jié)構(gòu)。Milton 認為通過控制各層次成分的尺寸和排列順序,可以使材料有負的泊松比值。3 負泊松比材料的機械性能Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University負泊松比材料由于其特殊的微觀結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出與普通材料不同的

12、物理機械性能及其它性能,本文僅介紹其物理機械性能方面的研究。靜、動態(tài)剪切研究表明,負泊松比泡沫的剪切模量更高,并且隨著負泊松比效應(yīng)的增加而提高。同時,負泊松比泡沫的損耗角正切要高于普通泡沫,意味著負泊松比泡沫可以作為優(yōu)良的阻尼材料使用。有限元分析方法研究負泊松比材料和普通材料的靜態(tài)和動態(tài)粘彈行為時,發(fā)現(xiàn)具有內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的負泊松比材料儲能模量和靜態(tài)模量更高,同時指出,負泊松比材料對于外界的應(yīng)力損耗與微孔單元在材料中所占的體積分數(shù)以及每個單元上的應(yīng)力分布有著很大的關(guān)系。物理機械性能物理機械性能負泊松比材料具有更為優(yōu)良的吸聲能力。研究表明,小泡孔型負泊松比材料對于630Hz 以上的頻率吸收性比大泡孔型負泊松比材料優(yōu)良。在研究材料的截止頻率時,由于微觀機理模型建立在泡孔肋的共振基礎(chǔ)上,發(fā)現(xiàn)材料的截止頻率隨著泡孔肋彎曲程度的增大而降低。Xian Jiaotong UniversityXian Jiaotong UniversityXian Jiaotong University4 負泊松比材料的優(yōu)勢和應(yīng)用前景材料的泊松比影響到應(yīng)力波的傳輸和反射,應(yīng)力的消除和在裂紋附近的應(yīng)力分布,所以負泊松比材料適合制造緊固件或安全帶,在受外力時材料的橫向膨脹可以抵消外力的作用,從而提高這些部件的抗負荷能力。當負泊松比材料用于制造夾芯板時,由于受彎時是向外膨脹從而吸收更多的能量,而不是像泊松比為正值的材料