拉胀泡沫材料力学性能

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后经 Gaspar等 以及 Scarpa 等 的改进 , 发现新工 [ 9] [ 8] 艺制得的拉胀泡沫的绝对刚度 、 回弹韧性 和 能 量吸收 等性能均得到了明显的提高。 最近, Gri m a 等对制备工艺进行 了重大的改进 , 用特殊溶剂软化泡沫微结构的方法来代替传统工艺 中的加热过程, 使拉胀泡沫的制备成为了一个可逆过 [ 11] 程 , 即拉胀泡 沫经过 浸润溶 剂 三向拉 伸 干 燥 的逆向处理后又可以变成正泊松比的普通泡沫 , 具有 记忆特性 。 Gri m a 等人还认为这样的相互转 化在次数上是无限制的。 除了拉胀泡沫外 , 其他的拉胀材料也得到 了关 [ 12] 注。如王让甲等 探讨了岩石的负泊松比问题, 杨 [ 13] 鸣波等 制得了具有拉胀效应的烯烃共混物 , Chen [ 14] 等 制得了具有较高负泊松比的碳纳米管。 1 拉胀泡沫力学性能的实验研究 迄今为止, 针对拉胀泡沫材料已经开展了大量的 实验研究。拉胀泡沫的细观结构和变形机制是决定 [ 4- 5] [ 15] 其性能的关键因素, 尽管 L akes 以及 Evans 等 通过电镜观察对此作过一些描述, 但限于当时的测试 条件, 深入的测试工作并没有得到开展。随着近年来 三维 X 射线测试技术的引入, 拉胀泡沫的细观 结构 和变形 机 制得 到 更加 详 细和 系 统的 研 究。 Gaspar [ 7] 等 对拉胀泡沫的细观结构作了较为详细的定量分 析 , 发现相比普通泡沫 , 拉胀泡沫大约有 5 % 的 支柱 发生了断 裂, 其支 柱曲率 增大, 形 状接近 140 的 圆 弧 , 并且支柱在结点处的夹角发生了变化。这说明了 从普通泡沫到拉胀泡沫的转化过程不仅包含了支柱 弯曲变形机制 ( re -en trant) , 还包 括了支柱绕结点 的 [ 16] 旋转变形机制 ( rotat ing )。 A lderson 等 利用三维 X 射线技术测试了拉胀泡沫在承受拉伸载荷下的变形 机制, 发现承载时拉胀泡沫不仅 仅发生了支柱的 拉 伸、 弯曲和扭转等变形, 而且也发生了支柱绕结点的 旋转变形机制。 Cho i和 Lakes在 20 世纪 90 年代先后测试 了拉 胀泡沫的弹性、 非线性以及断裂韧性等方面的力学性
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沫与二次制备的普通泡沫、 直接制备的拉胀泡沫与二 次制备的拉胀泡沫 , 分别在细观结构上都没有明显的 差异, 所以各自的泊松比也基本相等, 但在模量和能 量吸收方面, 差异却很明显。实验结果表明 , 二次制 备的普通泡沫相比初始的普通泡沫, 压缩模量增加了 约 33 % , 而拉伸模量基本不变 [ 图 4( a) ] ; 二次制备 的拉胀泡沫相比直接制备的拉胀泡沫 , 其压缩模量和 拉伸模量分别减小了 59 % 和 40 % [ 图 4( b) ] 。值得 注意的是 , 初始的普通泡沫与二次制备的普通泡沫拉 伸时的能量吸收率都比压缩时高 , 并且两种承载状态 下都是前者的吸能效率更高 ; 而对于直接制备的拉胀 泡沫与二次制备的拉胀泡沫 , 却是压缩时的能量吸收 率更高, 并且两种受力情况下都是二次制备的拉胀泡 [ 25 ] 沫的能量吸收效率更高一些 ( 图 5) 。
收稿日期 : 2010- 09- 20 基金项目 : 国家自然科学基金资助 ( 10932001 , 11072015) 作者简介 : 卢子兴 , 1960年出生 , 教授 , 博士生导师 , 主要从事泡沫材料力学和复合材料结构强度研究。 E - m ai: l luzix ing@ bu aa. edu. cn
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图 1 聚氨酯普通泡沫和拉胀泡沫的电镜图 [ 4] F ig . 1 SEM photographs of conventional and auxetic polyurethane foa ms
图 2 普通铜泡沫和拉胀铜泡沫的电镜图 [ 5] F ig . 2 SEM photographs of conventiona l and auxetic copper foa ms
M echanical Properties of Auxetic Foam s
L u Z ix ing L iu Q iang Y ang Zhenyu
100191) ( Schoo l of A eronautics Sc ience and Eng ineer ing , Be ihang U niversity , Be ijing
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能 , 发现相比普通泡沫, 拉胀泡沫的弹性模量降 低 , 而剪切模量在负泊松比绝对值较大时得到提高。 在承受压缩载荷时, 拉胀泡沫的平台应力得到提高 , 拉伸时的规律不太明显。并且由聚合物泡沫和金属 泡沫制得的拉胀泡沫力学性能方面也存在较大的差 异 , 比如聚合物拉胀泡沫的弹性模量和泊松比随体积 压缩比 ( 制备前的普通泡沫体积与制备后的拉胀泡 沫体积之比 ) 先减小后增大 , 而金属拉胀泡沫的弹性 模量和泊松比的变化趋势却是一直下降。特别地, 金 属拉胀泡沫的拉伸和压缩性能也存在很大不同 , 其压 缩时的弹性模量随体积压缩比的变化有增大的趋势。 断裂实验显示 , 相对于普通铜泡沫 , 体积压缩比为 2 . 0 、 2. 5 和 3 . 0 的拉胀铜泡沫的断裂韧度值分别提高 [ 20] 了约 80 %、 130 % 和 160 % 。 Scarpa 等 对拉胀泡沫 作了更加深入的实验测试, 发现不仅基体材料和体积 压缩比对其刚度损失有影响 , 拉胀泡沫制备过程的工 艺控制如加热时的最高温度、 冷却方式等都会对其最 终的力学性能产生重要的影响。并且 , 实验还发现 , 水冷的方式有利于制得更低负泊松比的拉胀泡沫。 拉胀泡沫的动力学 和疲劳特性等也得到关注。 在该领域 , Scarpa 等以 柔性聚亚 氨酯泡沫 为研究对 [ 8, 21- 23] 象 , 开展了大量的工作 。实验发现 , 在应变率 一定的情况下 , 随着压缩应变的增加, 拉胀泡沫的刚 度会增加 , 产生了硬化效应 ; 泊松比也会增大, 在压缩 应变较大时甚至会变化为正值。相比普通泡沫 , 拉胀 泡沫在动载荷下的回弹韧性和抵抗破坏的性能都更 好些。在正弦形循环载荷下 , 拉胀泡沫的阻尼系数比 对应的普通泡沫高约 20 % , 这说明拉胀泡沫吸能和 减震性能更好一些。 Scarpa 还重点研究了在不同载 荷水平下 , 载荷循环次数对拉胀泡沫和普通泡沫的刚 [ 23] 度损失及能量吸收性能的影响 。结果表明, 随着 载荷循环次数的增加, 拉胀泡沫的刚度损失比对应的 普通泡沫偏大 , 但其疲劳耐久性却得到了增强 , 并且 在各个载荷水平上 , 拉胀泡沫的迟滞回线所包围的面 [ 23 ] 积都要大一些 , 即能量吸收率更高一些 (图 3) 。
Abstract The m anufacture processes o f auxetic foam s are in troduced , and the experi m ental researches and ana ly zed m odels are a lso rev iew ed in this paper . The advantages o f d ifferent analyzed m odels based on d ifferent defo r ma t io n m echanism s are d iscussed in predicting the elast ic properties of auxetic foam s. B ased on the unique m echanical properties , som e potent ial applicat ions of auxet ic foa m s are proposed fin ally . It is hoped that this paper can attract the in terests o f the relevant research workers in auxet ic m ateria ls and prom ote dom estic developm en t in this f ie ld. K ey w ord s Auxet ic foam s, N egative Po isson s ratio , Conven tio na l foam s 0 引言 拉胀材料 ( auxetic m ateria ls)是近年来发展的一种 新型材料, 其具有负泊松比效应。与传统材料相比, 拉 胀材料在受压缩时, 在垂直于受力方向上产生收缩, 而 在受拉伸时, 在垂直于受力方向上则发生膨胀。根据经 典弹性理论, 二维各向同性材料的极限泊松比为 - 1[ 1] 1 , 而三维各向同性材料的泊松比取值范围为 - 1[ 2] 0 5 。尽管理论上存在可能, 并且在自然界也发现过 具有负泊松比效应的材料如黄铁矿 , 但直到 1987 年 [ 4] Lakes 利用工业热塑性开孔泡沫制得泊松比为 - 0 . 7 的各向同性拉胀泡沫后, 拉胀材料才真正地引起世人的 关注。其制备的主要流程为: 首先切取 38mm ´ 38m m ´ 110 mm 的普通聚氨酯泡沫试件, 放入 25 mm ´ 25 m m ´ 75 mm 的铝制模具中进行三向压缩处理, 在模具中将试 件加热至其软化温度以上并保温超过 10 m in , 最后保持 压缩状态并冷却至室温。随后, L akes 利用类似的方法 先后制得了另外几种聚合物拉胀泡沫和金属拉胀泡 [ 5] 沫 。通过电镜观测, Lakes认为上述的制备流程使拉 胀泡沫产生了内凹的胞体结构, 从而具有负泊松比 (图 1 和图 2)。经过 Lakes的研究后, 许多关于拉胀材料的研 究工作得到迅速开展。
拉胀泡沫材料力学性能
卢子兴 刘 强 杨振宇
100191) ( 北京航空航天大学航空科学与工程学院 , 北京
文 摘 总结了拉胀泡沫材料的制备工艺 , 综述了近年来国内外对其力学性能的实验研究和理论描述, 重 点探讨了基于不同变形机制的理论模型在预测拉胀泡沫材料的弹性性能方面的优劣以及拉胀泡沫材料的优越 性能, 并在此基础上展望了其潜在的应用 。 关键词 拉胀泡沫, 负泊松比, 普通泡沫
由于上述的制备工艺会导致拉胀泡沫内部出现 孔壁断裂的现象, 削弱了其力学性能。于是后继研究 者不断尝试改进拉胀泡沫的制备工艺 , 并取得了重要 [ 6] 的成果。 Chan 和 Evans 首先设计了新的制备方法 ,
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2011 年
第 1期
最近, 拉胀泡沫在质量输运以及 记忆特性 等 方面的性能也得到了研究。由于拉胀泡沫具有内凹 的胞体形状 , 所以当承受拉伸载荷时 , 其形状就有扩 张的趋势, 从而使开孔的面积增大 , 提高了其流通输 运能力。换句话说, 拉胀泡沫的质量输运性能对受力 [ 24] 形式和大小是敏感的。 A ld erson 等 利用测试实验 样本两侧空气压降的方法发现, 当对拉胀泡沫施 加 25% 的拉伸应变时 , 其两侧空气压降降低了约 50 %, 而相同 孔隙 度的普 通泡沫 却基 本没 有变 化。由 于 Gri m a 等 对拉胀泡沫制备工艺的改进, 使拉胀泡沫 与普通泡沫之间可以实现任意次数的相互转化 , 即具 有 记忆特性 。相应地, 这种转化对二次形成 的拉 胀泡沫以及普通泡沫的力学和能量吸收性能的影响 [ 25- 26 ] 也是值得关注的。 Sm ith 等 发现 , 初始的普通泡
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最大循环载荷为极限载荷的 0. 95 ( b) 最大循环载荷为极限载荷的 0. 75 图 3 不同载荷水平 下拉胀泡沫和普通泡沫的第一个迟滞回线对比 [ 23]
Co m par ison between first cyc le hysteres is loops fo r auxe tic and conventiona l foam s at d ifferent loading lev els http: / /www. yhc lgy . co m 宇航材料工艺 2011 年 第 1期