负泊松比(拉胀)材料相关资料收集

负泊松比（拉胀）材料相关资料收集

一、概述

泊松比是基本的材料参数之一，衡量了固体在垂直加载方向变形与加载方向变形之间的比值，变化范围在0。5与-1之间。

下表是一些材料的典型泊松比值：

Material poisson's ratio

rubber~ 0。50

gold0。42

saturated clay 0。40–0。50

magnesium0。35

titanium0。34

copper0。33

aluminium-alloy 0。33

clay0。30–0。45

stainless steel0。30–0。31

steel0。27–0。30

cast iron0。21–0。26

sand0。20–0。45

concrete0。20

glass0。18–0。3

foam0。10–0。40

cork~ 0。00

auxetics negative

泊松比作为基本的弹性常数，可以由体积模量K和剪切模量G的比值来确定，满足如下关系：

这意味着泊松比实际上表征了材料在载荷作用下发生形状畸变或者体积变形之间的竞争。

通常情况下，材料具有正的泊松比(Positive Poisson Ratio)，即材料在受到纵向拉伸时，横向尺寸收缩。如果横向尺寸变大，这种材料就是负泊松比（Negative Poisson Ratio，简称为NPR或Auxetic）材料。

二、历史

1982年，Ashby首次指出具有细胞状结构的材料，在变形时，能产生负的泊松比。人们也已经发现合成材料能够产生负泊松比的现象，如：“可再入”泡沫材料、多孔聚合物、聚合物层压材料。

从分子设计出发合成负泊松比材料少有报道。Evans于1991年用分子模拟技术，利用分子内的自由体积，从几何结构出发，设计了一种可能产生NPR效应的二维分子网络结构，提供了一个从分子水平裁剪泊松比的例子。1997年，Griffin 提出了一种基于主链型液晶高分子NPR材料的模型（Fig。 1），随后又从理论上计算了这种分子模型产生负泊松比时横向液晶基元需要满足的尺寸条件。

受Griffin分子模型的启发，通过液晶共聚酯实现负泊松比效应的尝试，合成了一系列有望具有负泊松比效应的液晶共聚酯（Fig。 2）。

三、实例

聚乙烯醇(PVA)水凝胶

具有特殊多孔结构，除有高含水性、高弹性、化学稳定性、对小分子的透过性以及良好的生物相容性，还具有负泊松比效应的可设计性，可作为软骨、椎间盘、肌肉韧带等软组织的替代植入修复材料，应用在生物医用材料领域，缓解动脉硬化、血栓等血管疾病对人体造成的危害。虽然人们已对一些生物组织和生物材料的负泊松比效应进行了研究，但迄今为止还没有出现临床应用的生物功能拉胀材料的相关报道；在关于多孔聚乙烯醇(PVA)水凝胶出现负泊松比效应的微观结构、形态与形变机理等方面，国内外研究较少，对相关的材料体系缺乏充分的实验数据和理论依据。

液晶高分子聚酯阻燃PVC

经分子设计，通过2，5—二对烷氧基苯酰氧基对苯二酚、4，4&apos；—二羟基—αω—二苯氧基癸烷和4，4&apos；—癸二酰氧基二苯甲酰氯之间的缩合反应合成了一系列具有负泊松比潜能的液晶共聚酯。

所有聚合物的熔点都非常低，表明合成的一系列液晶聚合物非常容易进入液晶态，并且液晶场能够很好地保存到室温。另外，所得聚合物的分解温度都高于聚合物的清亮点，这为负泊松比材料的加工提供了条件。

基于A.C.griffin的分子模型，对向列型液晶高分子的负泊松比进行了计算。经过对负泊松比产生机理和液晶高分子特征的理解，首次提出了近晶C相液晶高分子也具有产生NPR效应的能力，建立了近晶C相液晶高分子产生负泊松比的分子模型，并且对其负泊松比进行了理论计算。除此之外，以降低成本和提高综合性能为目的，详细分析了PVC矿用整芯输送带的糊体和覆盖胶配方。对各种因素和添加剂对PVC糊和覆盖胶粘度的影响，以及所有改进配方的粘度、阻燃性能、表面电阻和力学性能进行了详细的分析，最终得到了即能够大幅度降低成本又能够提高产品综合性能的配方。

一种具有负泊松比性能的试件，该试件是在基底材料内嵌入多个弧形体，试件左右两侧的弧形体呈镜像对称分布，同一侧的弧形体弯曲弧度相同，等间隔分布。弧形体的弹性模量、刚度与基底材料不同，在试件的基底材料固化过程中，在试件的受力方向上嵌入弧形体，或者在试件的基底材料固化后，拔出在试件的受力方向上嵌入的弧形体，或者在整块基底材料的试件上，通过强化、机械加工出弧形体，或者通过化学反应形成弧形体。弧形体包含纤维增强弧形体，气泡削弱弧形体，弧形状的缝隙，多级弯曲弧形体，多弧度弯曲弧形体，鱼鳞状弧形体。该试件在弧形体切向受拉时其垂直方向有膨胀性，受压时其垂直方向有收缩和挤缩性，可广泛应用于复合板材、深水作业、航天航空等领域。

四、前景

拉胀材料乃负泊松比材料的简称，意指材料受拉伸时其垂直方向有膨胀，而受挤压时有收缩。拉胀高分子材料是八十年代末和九十年代初才出现的新型结构和功能材料。世界上第一个拉胀材料发明专利，是由美国材料学家R。Lakes于1987年取得的，是由普通的聚氨酯泡沫塑料再加工制得。此专利后经英国材料力学家F Scarpa进一步改进，于2005年又申请了专利。同年，中国的第一个拉胀天然复合材料(向日葵杆芯)专利也由中科院化学所的潘则林、赵萍、王才提出申请，并于2007年6月获得授权。经过近二十年的努力，目前拉胀材料已经成为世界各主要国家瞄准的前沿研究领域，2005年还在英国举办了国际首届拉胀材料大会。

早在100多年前科学家就发现具有负泊松比效应的材料具有特殊而优异的力学性。近十年，负泊松比材料的相关研究报道已经引起了学术界的关注，负泊松比材料的制备和工程化成为当前以及今后较长一段时间内高分子材料科学与工程领域的一个重要研究课题。

五、关于拉胀

⒈拉胀是什么？

"拉胀"一词意为"受拉膨胀"或"一拉就胀"，译自英文auxetic，是英国材料学家K·E·埃文斯代表利物浦大学-ICI-剑桥大学联合研究小组在1991年发表于《自然》杂志上的一篇通讯中建议代指"负泊松比"的。科学上，拉胀材料即负泊松比材料，具有受拉时其垂直方向有膨胀（拉胀性）和（或）受挤压时收缩（挤缩性）的力学特性。拉胀聚合物（auxetic polymer）是近十余年才出现的新型高分子材料。