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公眾號(hào)：高分子先進(jìn)智造

負(fù)泊松比（Negative Poisson’s Ratio）效應(yīng)是指受拉伸時(shí)，材料在彈性范圍內(nèi)橫向發(fā)生膨脹，而受壓縮時(shí)，材料的橫向反而發(fā)生收縮。這種現(xiàn)象在熱力學(xué)上是可能的，但通常材料中并沒(méi)有普遍觀察到負(fù)泊松比效應(yīng)的存在。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)的一些特殊結(jié)構(gòu)的材料具有負(fù)泊松比效應(yīng)。由于其奇特的性能而倍受廣泛關(guān)注。

負(fù)泊松比熱塑性材料機(jī)理

負(fù)泊松比材料具有一些特殊的性質(zhì)，具體表現(xiàn)在彈性模量與切變模量、壓痕阻力、能量吸收等方面。材料的彈性模量E 和切變模量G 與泊松比υ密切相關(guān)，其關(guān)系如下圖所示。當(dāng)泊松比由正變負(fù)時(shí)，抗剪能力顯著提高。尤其當(dāng)泊松比為-1 時(shí)，切變模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)彈性模量。此時(shí)，材料將變得極易可壓縮，但難以剪切。值得注意的是，負(fù)泊松比材料的彈性模量并不總是恒定的，還受密度比和體積變化率的影響。一般而言，當(dāng)材料處于拉伸狀態(tài)時(shí)，彈性模量隨體積壓縮比的增大而減?。惶幱趬嚎s狀態(tài)時(shí)，彈性模量隨體積壓縮比的增大而增大。通俗來(lái)講，負(fù)泊松比材料受壓時(shí)材料向內(nèi)部聚集，瞬時(shí)密度增大，外部表現(xiàn)出較高的剛度。

其中：εj表示橫向應(yīng)變收縮，εi表示縱向應(yīng)變收縮。j, i表示相互垂直的坐標(biāo)軸。

負(fù)泊松比熱塑性材料性能優(yōu)勢(shì)

負(fù)泊松比材料作為一種新材料具有眾多的優(yōu)越性能，比如剪切模量大、不易產(chǎn)生壓陷凹痕、斷裂韌性好、耐疲勞和吸能率高等。較高的剪切模量，使得負(fù)泊松比泡沫更適合作飛機(jī)機(jī)身蒙皮泡沫夾芯結(jié)構(gòu)的填充材料，可以在減輕機(jī)身重量的同時(shí)抵抗機(jī)身蒙皮承受較高扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)造成的剪切破壞。耐疲勞和較高的吸能率，使得負(fù)泊松比泡沫在汽車保險(xiǎn)杠、電器包裝等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，而且成本低。負(fù)泊松比材料由于承受壓縮載荷時(shí)橫向會(huì)發(fā)生收縮，所以當(dāng)物體與負(fù)泊松比材料接觸時(shí)，接觸點(diǎn)附近的負(fù)泊松比材料會(huì)向物體匯聚，從而使接觸點(diǎn)局部密度增加，出現(xiàn)硬化現(xiàn)象，不易產(chǎn)生壓陷凹痕。

負(fù)泊松比熱塑性材料結(jié)構(gòu) 

加工過(guò)的聚四氟乙烯(PTFE)的微孔聚合物結(jié)構(gòu)盤(pán)狀結(jié)構(gòu)和原纖維具有高度的各向異性，泊松比為負(fù)，在施加的載荷下，是由于相互連接的結(jié)節(jié)和纖維組成的網(wǎng)絡(luò)。

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)擠壓工藝可以實(shí)現(xiàn)結(jié)節(jié)-原纖結(jié)構(gòu)。結(jié)節(jié)擴(kuò)張橫向和原纖維被推開(kāi)的同時(shí)產(chǎn)生較大的負(fù)泊松比的值。

PP/PTFE/EVA共混，實(shí)現(xiàn)互穿網(wǎng)絡(luò)不相容結(jié)構(gòu)，拉伸過(guò)程中，空洞放大實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)。

展望

目前負(fù)泊松比熱塑性材料還處在開(kāi)發(fā)階段，主要是應(yīng)用效果不明顯或者力學(xué)性能較差，沒(méi)有穩(wěn)定的生產(chǎn)設(shè)備和工藝，也沒(méi)有建立起應(yīng)用評(píng)價(jià)規(guī)范。我司開(kāi)發(fā)基于拉伸流變的共混設(shè)備，加工上實(shí)現(xiàn)加工易分解、難加工高分子材料，功能上實(shí)現(xiàn)更大程度上的取向排布和互穿排布。因此拉伸流變共混設(shè)備對(duì)熱塑性材料的微結(jié)構(gòu)具有協(xié)同調(diào)整作用，將為負(fù)泊松比熱塑性材料的開(kāi)發(fā)帶來(lái)積極的信號(hào)。