负泊松比材料研究进展
负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用
负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用
一、本文概述
负泊松比材料是一种具有特殊力学性能的新型材料，其泊松比小于2，与常规材料（泊松比约为3）的力学性质显著不同。这类材料
在受到外力作用时，其横向变形与纵向变形方向相反，表现出独特的拉伸和压缩行为。负泊松比材料的出现，不仅为材料科学领域带来了新的研究方向，也为工程应用提供了更多可能性。
本文旨在深入研究负泊松比材料与结构的力学性能，包括其力学特性、变形机制、能量吸收能力等方面。通过理论分析和实验验证，揭示负泊松比材料在承受载荷时的力学行为规律，为材料的优化设计和工程应用提供理论依据。
本文还将探讨负泊松比材料在各个领域的应用前景，如航空航天、汽车制造、生物医学等。通过实例分析，展示负泊松比材料在这些领域中如何发挥独特的优势，提高结构性能、优化设计方案以及提升产品竞争力。
本文将对负泊松比材料与结构的力学性能进行全面而深入的研究，旨在推动该领域的发展，为未来的科技创新和产业升级提供有力支撑。
二、负泊松比材料的力学特性
负泊松比材料，即泊松比小于5的材料，具有独特的力学特性，使其在多个领域具有广泛的应用前景。与传统的正泊松比材料相比，负泊松比材料在受到外力作用时，其横向变形与纵向变形方向相反，这一特性使得材料在受到压力时能够更好地抵抗变形，具有优异的能量吸收能力和抗冲击性能。
优异的抗冲击性能：负泊松比材料在受到冲击时，由于其独特的变形机制，能够有效地吸收和分散冲击能量，从而减少冲击对结构的破坏。这种特性使得负泊松比材料在防护装甲、航空航天、汽车制造等领域具有广泛的应用潜力。
含负泊松比超材料构件的潜艇振动与声辐射性能分析
含负泊松比超材料构件的潜艇振动与声辐射性能分析
本文介绍了负泊松比超材料的基本原理和特性。负泊松比超材料是一种具有负效应的
结构材料，其特点是在外力作用下能表现出与传统材料不同的形变和振动特性。负泊松比
超材料主要有两种类型：一种是绝热材料，它具有负的热膨胀系数，能在热变形中抵消结
构材料的膨胀；另一种是负群速材料，它具有负的声波传播速度，能有效地控制声波在材
料中的传播。
本文分析了负泊松比超材料构件在潜艇结构中的应用。潜艇在海洋环境中的振动和声
辐射主要是由于水流和机械振动引起的。负泊松比超材料构件在潜艇结构的应用可以通过
调节结构材料的刚度和阻尼系数，有效抑制潜艇的振动和声辐射。将负泊松比超材料构件
用于潜艇壳体上，可以改善壳体的抗振能力和减小声辐射；将负泊松比超材料构件用于潜
艇螺旋桨上，可以降低螺旋桨的振动和噪声。
本文对负泊松比超材料构件在潜艇振动与声辐射性能改善中的优势和挑战进行了讨论。负泊松比超材料构件具有重量轻、刚度和阻尼可调节等优点，能有效改善潜艇的振动与声
辐射性能。负泊松比超材料构件的应用还存在一些挑战，如材料的可靠性和成本等方面的
问题，需要进一步研究和解决。
负泊松比超材料构件对潜艇振动与声辐射性能具有重要的影响。通过合理应用负泊松
比超材料构件，可以有效改善潜艇的振动与声辐射性能，提高潜艇的稳定性和隐蔽性。未来，随着超材料技术的不断发展和完善，其在潜艇振动与声辐射性能改善中的应用前景将
更为广阔。
负泊松比材料
负泊松比材料
负泊松比材料是一种具有特殊物理性质的材料，其在材料科学领域中具有重要
的应用价值。负泊松比材料是指在外力作用下，其横向收缩而非膨胀的材料。这种特殊的物理性质使得负泊松比材料在工程结构、声学材料、生物医学等领域中具有广泛的应用前景。
首先，负泊松比材料在工程结构中具有重要的应用。传统的材料在受到外力作
用时，会出现膨胀的现象，而负泊松比材料则可以在受力时出现收缩的特性。这种特殊的性质可以使得工程结构在受到外力作用时具有更好的稳定性和抗震性能，从而提高了工程结构的安全性和可靠性。
其次，负泊松比材料在声学材料领域中也具有重要的应用。在声学材料的设计中，常常需要利用材料的特殊性质来实现声音的隔离和吸收。负泊松比材料的横向收缩特性可以有效地抑制声波的传播，从而实现对声音的控制和调节。这种特殊的应用可以使得负泊松比材料在建筑隔音、汽车降噪等领域中发挥重要作用。
此外，负泊松比材料还具有在生物医学领域中的潜在应用价值。在人体植入材
料的设计中，常常需要考虑材料与人体组织的相容性和稳定性。负泊松比材料的特殊性质可以使得其在人体内部的应用更加稳定和可靠，从而为生物医学领域的材料设计提供了新的思路和方法。
总的来说，负泊松比材料作为一种具有特殊物理性质的材料，在工程结构、声
学材料、生物医学等领域中具有重要的应用前景。随着材料科学的不断发展和进步，相信负泊松比材料将会在更多的领域中发挥重要作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
负泊松比超材料减振结构设计与实验验证
第２１卷第５期２０２３年５月
动力学与控制学报
J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O L
V o l ．２１N o ．５
M a y
．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(５)Ｇ０５３Ｇ００７
D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ００８
㊀２０２３Ｇ０２Ｇ０３收到第１稿,２０２３Ｇ０３Ｇ２８收到修改稿．
†通信作者E Ｇm a i l :q i n w e i y a n g ＠n w p
u ．e d u ．c n 负泊松比超材料减振结构设计与实验验证
王奕霖㊀秦卫阳†㊀刘琦
(西北工业大学力学与土木建筑学院,西安㊀７１００７２
)摘要㊀旋转机械的转子部件发生故障时,振幅会迅速增大甚至发散,此时需要一种轻质高效的吸能减振结构,快速控制转子部件的振动幅值．本文基于负泊松比材料概念,提出了一种针对转子系统的负泊松比弧形超材料减振结构,可以实现很好的故障转子减振效果．首先,通过释放自由度提出了负泊松比非对称星形胞单元,设计了针对转子的超材料减振结构,并给出了相应的能量吸收指标．然后,基于有限元模型进行了动力学仿真,讨论了不同冲击速度㊁不同冲击角度对能量吸收性能的影响．结果表明,低速冲击下,材料主要产生弹性变形吸能．随着冲击速度增加,材料变为弹塑性变形混合吸能模式,有效吸能率会明显增大．特别是在冲击速度较大时,减振结构的吸能率会迅速增加,这对于转子突发故障的减振十分有利．最后,设计了验证实验,对故障转子进行了负泊松比减振结构的验证实验．实验结果证明,对于转子的不平衡故障响应,设计的减振结构能够起到很好的抑制转子振动与吸收振动动能效果．关键词㊀负泊松比,㊀转子系统,㊀能量吸收,㊀减振结构中图分类号:V ２３１．９６
平面负泊松比结构
平面负泊松比结构
平面负泊松比结构是一种特殊的结构设计，具有与传统材料截然不同的力学特性。在这种结构中，当受到某一方向的拉伸或压缩时，其垂直于受力方向的尺寸会发生变化，而这种变化与传统材料相反。具体来说，当平面负泊松比结构受到拉伸时，其垂直于拉伸方向的尺寸会减小，而受到压缩时，其垂直于压缩方向的尺寸会增大。
这种结构的独特性质使其在多个领域具有广泛的应用价值。例如，在航空航天领域，平面负泊松比结构可以用于设计更轻、更坚固的飞行器部件，提高飞行器的性能和安全性。在生物医学领域，这种结构可以用于设计具有更好生物相容性和力学性能的医疗器械和植入物。此外，平面负泊松比结构还可以用于设计具有更高能量吸收能力的防护装置，以及具有更好隔音、隔热性能的建筑材料等。
目前，平面负泊松比结构的研究已经取得了很大的进展，但仍存在一些挑战和问题需要解决。例如，如何更好地优化结构设计以提高其力学性能和稳定性，如何实现大规模制造和应用等。未来，随着科学技术的不断发展和进步，相信平面负泊松比结构将会在更多领域展现出其独特的优势和潜力。
此外，负泊松比结构的基本形式包括凹角结构、手性结构、转动刚体结构等。这些结构的设计都基于实现负泊松比效应的原理，但具体的形状和构造方式可能因应用需求而有所不同。例如，凹角结构由薄肋和铰接点组成，当受到拉伸时，铰接点的位置变化导致垂直于拉伸方向的尺寸减小。而手性结构则由圆柱中心体和连接韧带构成，当受到拉伸或压缩时，连接韧带的运动会带动圆柱中心体旋转或扩张/收缩，从而实现负泊松比效应。
具有负泊松比材料的研究进展
具 有 负 泊 松 比 材 料 的 研 究 进 展 ／ 智 等 黄 ・ ９・ ４
具 有 负 泊 松 比 材 料 的 研 究 进 展
黄 智 王 万 录 廖 克 俊 李 正 冯 庆 刘 高 斌
（ 庆 大学 数理 学院 物理 系 ， 庆 ４ ０４ ） 重 重 ０ ０ ４
Ａ ｂｓ ｒ ｃ ｔａ ｔ Ｉ ｈｓ ｐ ｐ ｒ ｔ ｅ ｒ ｃ ｎ ｄｖ ｎ ｅ ｎ ｒｓ ａ ｃ ｎ ｍ ａｅ ｉｌ ｔ ｅ ａ ｉｅ Ｐ ｉｓ ｎ ｓ ｒ ｔ ｎ ｈ ｉ ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ，ｈ ｅ ｅ ｔａ ａ ｃ ｓｉ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｔ ｒａｓｗｉｈ ｎ ｇ ｔｖ ｏ ｓｏ ’ ａ ｉ ａ ｄ ｔ ｅｒ ｏ
能 改 变 材 料 的 形状 （ 剪 切 模量 Ｇ 量 度 ）剪 切 模量 Ｇ， 变 用 ， 体
模 量 Ｋ 和泊 松 比的关 系 如 下 ：
ｕ ３ 一 ２ ２Ｇ＋ ３ ） 一 Ｋ Ｇ／ （ Ｋ （） ２
通 常 的 材 料 的 泊 松 比 接 近 于 １ ３ 但 是 ， 皮 材 料 却 约 为 ／， 橡 １ ２ 因此 这 种 材 料 具 有 不 可 压 缩 性 。 据 弹 性 理 论 ， 松 系 数 ／。 根 泊 可 以 取 负 ，但 负 泊 松 比 的 材 料 极 为 罕 见 ， 自从 １ ８ ９ ７年 Ｌ ｋ ｓ ａ ｅ
负泊松比机械超材料
负泊松比机械超材料
负泊松比材料是一种特殊的材料，其泊松比小于0。通常情况下，材料在受力时会沿着受力方向产生压缩，而垂直于受力方向产
生拉伸。然而，负泊松比材料在受力时会沿着受力方向产生拉伸，
而垂直于受力方向产生压缩，这种行为与一般材料相反。
负泊松比材料在工程和科学领域具有重要的应用价值。例如，
在结构设计中，负泊松比材料可以用于减小材料在受力时产生的应
力集中现象，提高结构的稳定性和耐久性。在声学和振动控制领域，负泊松比材料可以用于设计制造新型的减震和隔音材料，有效地控
制和减小振动和噪音。在生物医学工程领域，负泊松比材料还可以
用于仿生材料的制备，例如人工骨骼和关节的材料设计。
机械超材料是一种具有特殊结构和性能的材料，通常是由多种
不同材料组合而成，通过精确的结构设计实现对材料的控制。机械
超材料具有许多优异的性能，例如负折射、负穿透、负导热等，这
些性能在光学、声学、热学等领域具有重要的应用价值。
将负泊松比材料与机械超材料相结合，可以创造出具有负泊松
比特性的机械超材料。这种材料不仅具有负泊松比材料的特殊性能，
还具有机械超材料的精密控制和多功能性。这种材料可以在多个领域发挥重要作用，例如在微型机械器件中的应用、在结构工程中的应用等。
总的来说，负泊松比机械超材料是一种具有特殊结构和性能的材料，具有广阔的应用前景和研究价值。通过对其特性的深入研究和开发，将为材料科学和工程技术领域带来新的突破和发展。
负泊松比结构研究进展
负泊松比结构研究进展
摘要：在我们日常生活中，所遇见的材料大部分为正泊松比材料，即材料在拉伸时横向收缩，压缩时横向膨胀。而负泊松比材料恰恰与此相反，具体表现为材料在拉伸时纵向膨胀，压缩时纵向收缩。这种特性使得负泊松比材料在很多领域的应用中优于传统材料，也正因为这个原因，负泊松比材料成为热门的研究领域，例如纺织工业、航空航海航天、国防军事、生物医疗等。研究表明，负泊松比效应通常是由于材料内部的结构（几何设置）和它在承受应力时所经历的变形机制之间的合作效应而产生的。本文主要介绍了几种常见的负泊松比结构，例如重入凹角结构、手性/反手性结构、旋转刚体结构，希望能为负泊松比材料的发展研究添砖加瓦。
关键词：负泊松比；结构；变形机制；介绍
1 泊松比的概念
泊松比，即结构垂直于荷载方向的应变与荷载方向应变的比值，是一个无量纲常数，也是材料的一个基本属性。泊松比的概念最先由法国科学家Simeon-Denis Poisson （1781～1840）提出，并以他的名字命名，具体表达式如下：
（1）
其中，ν表示泊松比，表示垂直于加载方向的应变，表示加载方向的应变。
2 负泊松比结构的种类
即使材料本身也没有负泊松比行为，但通过设计的结构，我们可以得到负泊松比。一些结构已被证明表现出辅助性行为，在过去的几十年里，机械超材料的研究进展迅速。目前发现的负泊松比结构中，常见的有重入凹角结构、手性/反手性结构、旋转刚体结构等。
重入指的是“向内”或具有负角度（角度大于180°）的结构，重入凹角结
构一般是由斜肋和连接的链铰组成的桁架结构构成的。重入凹角结构主要包括重
新型负泊松比材料等效性能与吸能性能研究
Journal of Mechanical Strength
2023,45(4):826-837
DOI :10.16579/j.issn.1001.9669.2023.04.010
∗20221126收到初稿,20230107收到修改稿㊂
∗∗吴小莉,女,1999年生,陕西宝鸡人,汉族,长安大学汽车学院硕士研究生,主要研究方向为汽车被动安全与结构轻量化㊂
∗∗∗李兆凯,男,1986年生,陕西榆林人,汉族,长安大学汽车学院副教授,硕士研究生导师,主要研究方向为负泊松比结构与材料㊂
新型负泊松比材料等效性能与吸能性能研究∗
STUDY ON THE EQUIVALENT PROPERTIES AND ENERGY ABSORPTION PROPERTIES OF A NOVEL MATERIAL WITH
NEGATIVE POISSONᶄS RATIO
吴小莉∗∗1㊀李兆凯∗
∗∗1,2
(1.长安大学㊀汽车学院,西安710064)
(2.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室,西安710064)WU XiaoLi 1㊀LI ZhaoKai 1,2
(1.School of Automobile ,Changᶄan University ,Xiᶄan 710064,China )(2.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment ,Ministry of Education ,Changᶄan University ,Xiᶄan 710064,China )
负泊松比材料研究进展
基金项目:国家自然科学基金资助项目(20074022);
作者简介:史炜,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。
＊通讯联系人。
负泊松比材料研究进展
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。用公式表示为:
νij =-εj εi
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0.33,铜为0.27,典型的聚合物泡沫为0.1～0.4等,即这些材料在拉伸时材料的横向发生收缩。而负泊松比(Negative Poisson 's Ratio )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。
1987年,Lakes [1]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,
何满潮负泊松比效应及应用
何满潮负泊松比效应及应用
何满潮院士在负泊松比效应方面进行了深入的研究，并取得了重要的成果。负泊松比效应是指材料在受到外部压力作用时，其横向尺寸增加，纵向尺寸减小的现象。这一现象在自然界和工程领域中都有广泛的应用。
在自然界中，许多植物和动物都利用负泊松比效应来适应环境。例如，竹子是一种典型的负泊松比材料，其横向尺寸在受到压力时会增加，使得竹子能够保持笔直的形态，并在风力作用下不易弯曲。
在工程领域中，负泊松比效应被广泛应用于各种结构材料的设计和制造。例如，在建筑结构中，利用负泊松比效应可以设计出具有自适应性的结构，使其在受到外部压力作用时能够自动调整形状，保持稳定。此外，负泊松比效应还可以用于制造具有自适应性的智能材料，如智能陶瓷、智能塑料等。
何满潮院士在负泊松比效应方面的研究为工程领域提供了新的思路和方法。他通过系统研究负泊松比材料的力学性能和变形机制，揭示了其内在的物理规律和机制，为工程应用提供了理论支撑。同时，他还将负泊松比效应应用于实际工程中，如矿压自动成巷、滑坡灾害牛顿力监控、深部工程灾变防控等领域，实现了能源工程、交通工程、水利工程、地灾工程和国防工程等领域的革命性进展。
总之，何满潮院士在负泊松比效应方面的研究为工程领域提供了新的思路和方法，推动了相关领域的发展和应用。
负泊松比材料
负泊松比材料
负泊松比材料是一种特殊的材料，在物理学和材料科学领域中引起了广泛的关注。该材料的负泊松比意味着在材料被拉伸时，它的横向会膨胀而不是收缩。
传统材料的泊松比是正数，意味着在拉伸时，材料在横向会收缩。这是因为在拉伸过程中，材料的原子之间会发生更密集的排列，导致材料收缩。而负泊松比材料的横向膨胀是由于其结构设计独特，使得材料在受力时发生相反的变形。
负泊松比材料的特殊性质使其具有一些独特的应用领域。首先，由于其横向膨胀的特性，负泊松比材料在防护材料中有广泛的应用。例如，它可以用于制作防弹衣，因为当受到子弹撞击时，负泊松比材料可以扩散撞击力，减小对身体的伤害。
其次，负泊松比材料在医学领域也有很大的潜力。例如，在骨折治疗中，负泊松比材料可以用于制作骨折支架。由于材料的横向膨胀特性，支架可以提供更好的稳定性和固定性，加快骨折的愈合。
另外，负泊松比材料还可以在声学和振动控制领域中发挥作用。由于其横向膨胀的特性，材料可以减小声波和振动的传播速度，从而降低噪音和震动。
尽管负泊松比材料具有许多独特的性质和应用潜力，但目前对于制造这种材料的方法仍然面临挑战。负泊松比材料需要特殊的结构设计和特殊的材料组成，这对于材料科学家和工程师来
说是一个难题。因此，未来的研究需要进一步探索制备负泊松比材料的方法，以及其在不同领域的应用潜力。
材料泊松比测试方法的研究进展
材料泊松比测试方法的研究进展
泊松比是描述材料在拉伸和压缩过程中横向变形与轴向变形的关系，是材料力学性能的重要参数之一。准确地测试材料的泊松比对于材料性能研究和工程应用具有重要意义。然而，由于不同材料的泊松比可能存在差异，因此测试方法的准确性和可靠性变得尤为重要。
近年来，许多研究者对材料泊松比测试方法进行了研究。现有的测试方法主要包括直接拉伸法、间接拉伸法、压缩法和超声波法等。其中，直接拉伸法是最直接的方法，通过拉伸试样测量其尺寸变化来计算泊松比。但是，这种方法需要制作专门的试样，对材料的代表性有一定的要求。间接拉伸法则是通过测量材料在弯曲过程中的横向变形来计算泊松比，但同样需要制作专门的试样。压缩法是一种相对简单的方法，通过压缩试样测量其横向变形和轴向变形来计算泊松比，但受到压应力影响较大。超声波法则是利用超声波在材料中传播的速度和时间差计算材料的泊松比，具有非破坏性和快速测量等优点，但需要较昂贵的设备和较高的测试技术。
不同的研究方法在实验设计、数据采集和处理等方面存在一定的差异。例如，在直接拉伸法中，需要精确控制拉伸速率、测量试样的尺寸变化和应力应变关系等。在间接拉伸法中，需要对试样进行多点测量，
并对测量结果进行拟合和计算。在压缩法中，需要准确测量试样的横向变形和轴向变形，并考虑压应力对结果的影响。在超声波法中，需要选择合适的超声波频率和传播路径，并精确测量时间和声速等参数。通过对不同测试方法的比较分析，发现每种方法都有其优点和不足之处。直接拉伸法虽然测量结果较为准确，但是需要制作专门的试样，测试过程较为繁琐。间接拉伸法和压缩法虽然操作相对简单，但是测量结果受到试样制作和操作条件的影响较大。超声波法则需要较昂贵的设备和较高的测试技术，应用范围受到一定限制。因此，针对不同材料的泊松比测试需求，需要结合实际情况选择合适的测试方法。
负泊松比材料和结构的研究进展
5、多学科交叉应用：将负泊松比超材料和结构应用于多学科领域，如生物 医学、能源、环保等，拓展其应用范围，为人类社会的发展带来更多福祉。
总之，负泊松比超材料和结构作为一种具有特殊性质和优异性能的新型材料 和结构，正日益受到人们的和重视。随着科学技术的不断进步和研究工作的深入 开展，相信未来负泊松比超材料和结构将在更多领域展现出广阔的应用前景和发 展潜力。
总结
负泊松比材料作为一种具有特殊力学性能的材料，其结构和性能的深入研究 为各类工程应用提供了新的可能性。随着科技的不断进步，我们有理由相信，负 泊松比材料将会在更多的领域中发挥其独特的优势，为人类社会的发展带来更多 的价值。
基本内容
随着科技的不断进步，材料科学也在不断地探索和发现新的材料，以实现更 高效、更轻量、更耐用的结构设计。其中，负泊松比超材料是一种新型的超材料， 因其具有独特的力学行为和优良的性能而受到广泛的和研究。本次演示将主要探 讨负泊松比超材料结构设计及其力学行为研究。
然而，尽管取得了一定的进展，仍存在许多问题和挑战，如负泊松比材料的 制备工艺复杂、性能优化不足、应用领域局限等。因此，对负泊松比材料和结构 的研究仍然具有重要意义。
研究方法目前，针对负泊松比材料和结构的研究方法主要包括实验研究、数 值模拟和理论分析。其中，实验研究是最常用的方法之一。通过设计不同形状和 尺寸的负泊松比材料和结构模型，进行准静态和动态加载实验，以获得材料的力 学性能和结构的响应特征。同时，采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)等 手段对材料的微观结构和成分进行分析。
负泊松比材料的研究综述
负泊松比材料的研究综述
发布时间：2021-08-06T16:09:17.217Z 来源：《基层建设》2021年第13期作者：吴忠坤
[导读] 摘要：随着科学技术的日益发展，工艺水平也在不断提升，人们对于那些具备着特殊力学性能的新材料愈发的关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。
广州大学土木工程学院广东广州 510006
摘要：随着科学技术的日益发展，工艺水平也在不断提升，人们对于那些具备着特殊力学性能的新材料愈发的关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。其中，负泊松比材料广受人们关注。负泊松比材料有着很多特殊的性能，与传统材料相比，负泊松比材料在受到拉伸时，垂直于拉应力的方向会发生膨胀。正是由于这种特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能。
关键词：负泊松材料；负泊松比；结构
一、引言
目前已知的传统材料在自身强度及应对一些机体变形等方面很难满足人们的需求，随着工艺水平的提升，人们对于具备着特殊性能的新材料愈发关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。其中，负泊松比材料广受人们关注。负泊松比材料有着很多特殊的性能，与传统材料相比，该材料在受到拉伸时，垂直于拉应力的方向会发生膨胀。正是由于这种特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能。包括弹性模量、剪切模量、热冲击强度等。各种具备负泊松比效应的新型结构、材料不断地被制备出来，负泊松比材料、结构的应用得到迅速发展[1]。等通过实验发现在机械荷载下的抗变形能力而不是体积变化时，泊松比可作为比较任何材料在弹性应变时性能的基本度量；国内的周丽，张平等提出了一种新的柔性蜂窝结构，并讨论其在飞机中的应用；Alderson[2]已成功制得用作增强纤维的细丝状和纤维状负泊松比聚合物材料，该材料除了可用于汽车车体、缓冲器复合材料外，还可用作防弹背心等。由此可见，负泊松比材料已经应用于航空、国防、纺织等各行各业中。
cfrp负泊松比结构动态冲击响应与能量吸收机理研究
cfrp负泊松比结构动态冲击响应与能量吸收机理研究CFRP负泊松比结构是一种新型的结构形式，其动态冲击响应和能量吸收机理在许多领域都有广泛的应用。以下是对该结构动态冲击响应与能量吸收机理的研究：
1. 动态冲击响应：当CFRP负泊松比结构受到冲击时，其动态响应取决于材料的弹性模量、结构的几何形状和冲击速度等因素。通过实验和数值模拟，可以研究其在冲击作用下的变形行为、应力分布和能量吸收。
2. 能量吸收机理：负泊松比结构在受到外部载荷时会产生膨胀和剪切变形，这种变形会吸收大量的能量。研究这种结构的能量吸收机制有助于更好地了解其性能，并为优化设计提供理论依据。
3. 材料与结构设计：为了进一步提高CFRP负泊松比结构的能量吸收能力和抗冲击性能，需要进行材料和结构设计。例如，选用高强度、高韧性的CFRP材料，优化结构的几何形状和尺寸等。
4. 实验验证：通过实验手段，可以对CFRP负泊松比结构的动态冲击响应和能量吸收机理进行实际测试和验证。这有助于确保研究的准确性和可靠性，并为实际应用提供依据。
5. 跨学科合作：该研究涉及多个学科领域，如材料科学、力学、物理学等。因此，跨学科的合作与交流对于推动该领域的发展至关重要。
综上所述，对CFRP负泊松比结构动态冲击响应与能量吸收机理的研究具有重要的理论意义和应用价值。未来，随着研究的深入，这种结构有望在抗冲击防护、能量吸收、减震降噪等领域发挥更大的作用。
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1. 负泊松比材料的种类
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.
1.1
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。 多 孔 状 负 泊 松 比 材 料 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
图6 图5 a 二维内凹蜂窝状结构 b 分子负泊松比材料微观结构
液晶聚合物分子负泊松比材料微 观结构
Xi’an Jiaotong University
晶体负泊松比效应的机理可由如图7 所示的体心立方结构模型得到诠释
图中,在[110 ]晶面方向施加外力F ,2、4 号 原子因此向外有一个位移,导致键角的减小, 但由于原子间需要保持一个比较紧密的排 列,那么1、3 号原子必然向中心移动,结果 是[110 ]晶面方向上的5、6 号原子向外位 移,实现了负泊松比效应。
第一阶段
三 段 式 原 纤 拉 伸 理 论
第二阶段
第二阶段
综上所述,微孔聚合物负泊松比效应产生的整个过程和节点与原纤之间产生的拉 伸、弯曲、铰链的共同作用是紧密相关的。
2.2
分子负泊松比材料的微观结构与形变机理
分子负泊松比材料的微观结构大体上可划为两类,一类是通过聚合物分子设计而得 到的微观结构;另一类就是晶体负泊松比材料微观结构。
图1 聚合物泡沫的泡孔单元模型 (a) 普通泡沫 (b) 负泊松比泡沫
图2 多孔聚合物负泊松比材 料结构模型形变示意图
Xi’an Jiaotong University 由于节点尺寸要比过渡区和原纤尺寸大许多,所以节点所 承受的力要相对小得多,因而过渡区的材料受力被拉伸至 一个有序状态,并向原纤区转变,如图3 (b) 所示。 由原纤组成的材料受到进一步拉伸,增加了原纤的取向度, 模量上升,且原纤的杨氏模量在此阶段为最大值,如图3 (c) 所示。 不再形变的高模量原纤带动相对较低模量的节点产生动, 进而带动节点发生旋转,最终导致负泊松比效应的产生,如 图3 (d) 所示。
Almgren
Lakes
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
缺陷：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。
Xi’an Jiaotong University
1.2
负泊松比复合材料
在某些各向异性的纤维填充复合材料中,同样发现了负泊松比效应的存在。 在一些由纤维组成的多层次的材料中,通过控制 不同尺度叠层的次序,在垂直于纤维层的方向上, 理论上可以得到泊松比为- 0.81 的材料。
负泊松比泡沫还具有特殊的弹性和对声音的吸收能力,可以用于制造隔音材料。 最近有研究表明,具有负泊松比效应的微孔陶瓷材料,由于其微观结构在大幅热 量变化下能够保持不变,可作内燃机中催化剂转化器的载体材料。
总之,负泊松比材料不仅在日常生活用品如瓶塞、座垫的制造等具有重要意义, 同时对于国家的某些重要领域,如航空、国防、电子产业也有着巨大的潜在价值。
负泊松比(Negative Poisson’s Ratio) 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。
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。
wk.baidu.comi’an Jiaotong University
有限元分析方法研究负泊松比材料和普通材料的静态和动态粘弹行为时,发 现具有内凹结构的负泊松比材料储能模量和静态模量更高,同时指出,负泊松 比材料对于外界的应力损耗与微孔单元在材料中所占的体积分数以及每个 单元上的应力分布有着很大的关系。
负泊松比材料具有更为优良的吸声能力。研究表明,小泡孔型负泊松比材料对于 630Hz 以上的频率吸收性比大泡孔型负泊松比材料优良。在研究材料的截止频率 时,由于微观机理模型建立在泡孔肋的共振基础上,发现材料的截止频率随着泡孔 肋弯曲程度的增大而降低。
Xi’an Jiaotong University Evans 认为,通过改变垂线和对角线上乙炔键连接的数目,理论上可以实现负泊松比 效应,而在乙炔键的连接处加入苯环,是为了再现类似于图5(a) 所示的二维平面结构。
Griffin 等认为化学合成蜂窝状结构的分子难度较大,于是在分子水平上设计了另 外一种能够呈现负泊松比效应的微观结构,如图(6)所示。此结构的主链由液晶高 聚物构成,在主链上连接上一定数量的,分子结构呈棒状的组分。
Herakovich
负 泊 松 比 复 合 材 料
Milton
制备了在二维或三维方向上力学性质各向同性 的多层次结构负泊松比复合材料,通过控制各层 组分的尺寸及选择适当的连续相组分,获得了泊 松比值接近于- 1 的负泊松比材料
杨鸣波
用共混法制备的特殊聚烯烃共混物也具有负泊 松比性能,获得了- 1.4 的稳定负泊松比值,且材料 的模量和强度较多孔状负泊松比材料有较大提 高。
Xi’an Jiaotong University
负泊松比材料研究进展
Xi’an Jiaotong University
1.负泊松比材料的种类
2.负泊松比材料的微观结构与形变机理 3.负泊松比材料的机械性能 4.负泊松比材料的优势和应用前景
Xi’an Jiaotong University
泊松比：为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。
Xi’an Jiaotong University
4
负泊松比材料的优势和应用前景
材料的泊松比影响到应力波的传输和反射,应力的消除和在裂纹附近的应力分布, 所以负泊松比材料适合制造紧固件或安全带,在受外力时材料的横向膨胀可以抵 消外力的作用,从而提高这些部件的抗负荷能力。 当负泊松比材料用于制造夹芯板时,由于受弯时是向外膨胀从而吸收更多的能量, 而不是像泊松比为正值的材料那样向内凹陷被破坏,因此,由负泊松比材料制成 的夹芯板其安全性大大提高。
3
负泊松比材料的机械性能
Xi’an Jiaotong University 负泊松比材料由于其特殊的微观结构,表现出与普通材料不同的物理机械性 能及其它性能,本文仅介绍其物理机械性能方面的研究。 物 理 机 械 性 能
静、动态剪切研究表明,负泊松比泡沫的剪切模量更高,并且随着负泊松比效 应的增加而提高。同时,负泊松比泡沫的损耗角正切要高于普通泡沫,意味着 负泊松比泡沫可以作为优良的阻尼材料使用。
Xi’an Jiaotong University
1.3
分子负泊松比材料
分子负泊松比材料包括一些具有特殊微观结构的聚合物和某些晶体材料。 在分子水平上设计了一种能够再现蜂巢状负 泊松比材料内部所具有的内凹结构特征单元, 同时经过理论分析得出该材料具有负泊松比 效应 液晶高聚物作为分子结构的主链,同时在主链 上通过合成的方法连接上具有棒状结构的分 子单元,这样的一种分子设计使材料在拉伸应 力状态下横向发生膨胀,实现负泊松比效应,并 通过X 射线散射的方法得到了证实。 等通过蒙特卡洛发现微观结构类似于鱼网状的 二维结晶膜具有- 0.37 的泊松比值。
Evans
分 子 负 泊 松 比 材 料
Griffin
Bowick
Xi’an Jiaotong University
2
负泊松比材料的微观结构与形变机理 2.1 多孔状负泊松比材料的微观结构与形变机理
Lakes认为普通泡沫的微孔单元为六角蜂窝状直肋结构,而负泊松比泡沫的泡 孔单元呈内凹结构。 Evans 认为 正是由于通过热机械处理的方法使得普通泡沫从一般的六角 蜂窝状微孔单元结构到具有内凹结构,肋与肋之间形成凹角的这一转变,才 使材料呈现负泊松比效应。
图7 负泊松比晶体材料 体心立方结构示意图
Xi’an Jiaotong University
2.3
负泊松比复合材料的微观结构和形变机理
图9
负泊松比复合材料多层次结构示意图
1992 年Milton 对其制备的二维负泊松比复合材料建立的“杆铰链框架”模型[12 ] ,如 图9 所示。Milton 认为这种材料的结构是多层次的,材料的微观结构呈层次排列,而每一 层内又包含有层次排列的结构。Milton 认为通过控制各层次成分的尺寸和排列顺序,可 以使材料有负的泊松比值。