负泊松比材料
蜂窝的结构想必大家一定不会陌生。它其实是由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料。这种结构有着优秀的几何力学性能，因此在材料学科用有广泛应用。不过近年来，科学家们却发现了蜂窝结构拥有的另一种独特的性质，那就是负泊松比。
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负泊松比材料的种类
蜂窝状负泊松比材料
用负泊松比蜂窝材料代替传统蜂窝作为夹层结构的芯层材料具有明显的优势：一方面是负泊松比蜂窝具有双曲特性，使它能够在不需要任何外力作用的前提下就能自然形成弯曲结构；另一方面，负泊松比蜂窝夹芯材料变形之后其单元肋与曲面能够始终保持垂直，从而使面强度和刚度能够达到大值。
泡沫状负泊松比材料
1987年，一种能将环状的正泊松比开孔性热塑料（聚氨酯) 泡沫转化成负泊松比材料的方法已见报道。如今，不论各向同性或是各向异性的负泊松比泡沫都可以顺利制得。但是负泊 松比泡沫材料的缺陷在于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。图2所示聚氨酯泡沫在转化成拉胀性材料前后的显微结构。从图中可看出，聚氨酯在压缩前的凸式规则结构在经过处理后变成了具有拉胀性的三维倒插拓扑结构。
微孔聚合负泊松比材料
通过研究表明，聚合物可通过特殊加工方法,使其具有类似聚四氟乙烯的微结构,从而呈现出负泊松比效应。目前,该方法已成功应用于制造拉胀超高分子量聚乙烯、聚丙烯、尼龙和涤纶。图3这种膨胀后的 PTFE，由于其具有复杂的纤维结点结构，表现出低至-12的各向同性负泊松比。其中起关键作用的是取代蜂窝状和泡沫状倒插结构的“纤束-结点”网结构。在形变机理上，结点通过纤维的移动发生平移变换，从而产生拉胀效果。
02
负泊松比材料的性能与表征
拉伸性能
有研究对基于旋转六边形结构的4种经编间隔织物进行经向和纬向的泊松比值的测量和准静态拉伸测试，对比分析织物的泊松比值与受单向拉伸时能量吸收性能的关系。单独的经向或纬向收缩均不能产生负泊松比，只有当经向和纬向同时收缩才会 产生负泊松比，而负泊松比的大小在很大程度上取决于织物能否产生显著且稳定的经向收缩。
图7.各试样泊松比值与单向应变的关系
弹性性能
通过对一种具有负泊松比的三维织物结构的受力及其经纬纱在压缩过程中的偏移量分析可知，当其他参数固定时，随着经纱弹性模量的减小，该结构可产生的压缩应变增加，但其负泊松比效应下降；并且经纱弹性模量越小对该结构泊松比的影响越大，尤其是经纱弹性模量下降到经纬纱具有相同的弯曲刚度时，三维织物结构负泊松比效应很小。由此可见，三维织物结构欲得到较明显的负泊松比效应，经纱弹性模量应尽量大，但过大则负泊松比变化较小。经纱半径的增加、纬纱半径的减小、不同层相邻经纱间的水平距离的减小、经纱弹性模量的 增加、纬纱弹性模量的减小，都对该结构产生负泊松比效应提供正面影响。
图8.经纱弹性模量对三维织物结构泊松比影响
减震性能
当考虑结构阻尼情况下，取临界阻尼系数为0.02，减振优化后的负泊松比声学超材料基座的加速度频响曲线如图9所示。图中数据表明，结构阻尼的计入使得带隙变宽；频率第一个较宽的带隙范围为10-165Hz，第二个带隙范围为185-500Hz。这说明该基座在低频段具有较宽的带隙，能够有效地抑制低频振动问题。
图9.考虑结构阻尼时，新型基座减振系统加速度频响曲线
03
负泊松比材料的应用前景
材料的应用决定于材料的特殊性能。负泊松比材料之所以能引起众多科学家的关注是其由于特殊的结构带来的很多正泊松比无法比拟的性能。泊松比趋于-1时，一些性质都趋于无限大，包括压痕阻力、耐热震性，断裂韧性。材料具有负泊松比，可提高其剪切模量、抗锻炼性能、回弹韧性以及提高材料的抗缺口性从而避免了材料的应力集中。由于负泊松比材料受到弯曲时不像普通材料形成马鞍形而成圆顶状的特殊性质，被广泛应用于制作夹板的中间体增强材料。此法可大大提高夹板的安全性能。
由于负泊松比可对应力波的传输和反射有较强的干扰作用，用负泊松比材料制得的固定件或安全带在受到强烈急促的外力作用时可有效的分散或降低应力作用，比普通材料具有更好的保护功能。最近，有报道称负泊松比材料在航空飞行器上的使用，可大大提高使用寿命并可有效的改善其性能，包括抗冲击性、起降保护、能量吸收、复合材料的有效弯曲率、结构安全监控等等。
此外，相比普通泡沫，负泊松比材料具有特殊的弹性和对声音的吸收能力，因此也用于隔音材料。在日用品方面，负泊松比材料也具有巨大的潜在应用价值。可用于自我保护设备、道路防护栏、瓶塞等的制作。经过对负泊松比经编织物的拉伸断裂性能测试发现，负泊松比经编织物的性能比普通织物有一定的优越性，可用于防刺服、医用绷带等领域。
