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1、精选优质文档-倾情为你奉上负泊松比（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：Materialpoissons ratio 0。500。42saturated clay0。400。500。350。340。33-0。330。300。450。300。310。270。300。210。260。200。450。200。180。30。100。40 0。00negative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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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 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KE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
9、。拉胀聚合物（auxetic polymer）是近十余年才出现的新型高分子材料。通常人们拉伸橡皮条时可看到橡皮条变细，但如果问自然界是否存在受拉变粗的物品，其答案又如何呢？其实，要回答这个问题，只需换个角度看我国古代雨伞便可。如果将推开雨伞的举动换成沿伞柄反方向穿过伞面拉伸其支架套杆的行动，便获得世界上最古老的拉胀伞（即两端一拉就胀开的伞）。当然，今日高分子材料特别是塑料的广泛应用，已经使得一种由塑料制成的拉胀玩具 - 缩胀球风靡全球。关于拉胀机理的理论研究都是设法将材料微观上的某种运动及结构变化与宏观的体积变化关联起来。主要有两个方向，一个是以有序排列的微结构为出发点，另一个是处理无规结构。
10、 拉胀的技术关键是什么？在回答拉胀的技术关键是什么这一问题之前，让我们先来看看世界上第一种人造拉胀材料是怎样被发明的。上世纪80年代初科学家在泡沫和复合材料力学领域取得了新的理论成果，其代表人物有Ashby和Gibson (1982)、 Almgren (1985) 以及 Kolpakov (1985)。这些理论成果表明，一种自然界中还未见到的倒插或凹式蜂窝状结构，也即将通常蜂窝结构中的正六边形上下两顶点下凹后得到的新型拉胀蜂窝结构具有拉胀性。于是，美国依阿华大学的一位名叫R莱克斯的生物医学工程教授就突发奇想，将随处可见的聚氨酯泡沫塑料从四面八方施压，然后升温至材料的软化点时快速冷却以固化所得
11、的凹式微结构，即将多面体的某些顶点下凹后得到的结构。就这样，于1987年诞生了泊松比在-0。7左右的接近各向同性的拉胀聚氨酯泡沫塑料。两年后，英国材料学家BD凯达克 (Caddock) 和KE埃文斯 (Evans) 发现一种经特别加工制得的多孔聚四氟乙烯树脂具有拉胀性 - 泊松比可达-12，并提出了纤束-节点理论模型来解释其拉胀机理。由此可见，产生拉胀性的技术关键是如何有效地在材料内部形成各个尺度或层次上的拉胀微结构，如上述的凹式微结构及纤束-节点网结构。 目前，国内外拉胀的发展现状如何？1992年提出由三臂伞状结构无规连结而成的三维拉胀网络理论，后又发现含拉胀体复合材料中存在拉胀窗孔， 即在
12、一定条件下可表现出拉胀性。目前，除了这些拉胀机理或现象等纯理论研究之外，人造拉胀高分子材料的研究主要沿两条路径发展：一条是拉胀分子结构的设计与合成，另一条就是介观和宏观拉胀网络结构的筛选与成型。 世界上首次提出从分子水平上合成拉胀高分子网络的是剑桥大学卡文迪什实验室的山姆爱德华兹教授 (1989) 及当时在该室做博士后的魏高原。他们于1990年向英国ICI公司递交了题为负泊松比分子网络的合成项目申请书，并于次年在该公司完成了其分子设计工作。基于此分子设计的人工合成因中东爆发战事引起公司生存危机而耽搁下来。由于保密限制，其分子设计工作只在由埃文斯等人于1991年在自然杂志上发表的题为分子网络设计
13、的短文中提及。这些研究人员的分子设计主要涉及前拉胀蜂窝结构。目前，沿此思路进行的分子设计工作，已在拉胀基元概念的指导下，取得了可喜的进展，特别是理论上其泊松比可达-11的含聚苯胺链段的拉胀链状高分子，也已由魏高原设计出来。拉胀基元这一科学概念则是由魏高原与冯新德院士于1999年初在给P&G公司的题为拉胀纤维的设计、合成与性能项目申请书中首次提出的。魏高原所在的北京大学拉胀材料研究室是国内最早从事拉胀聚合物分子设计与人工合成的研究单位，其研究人员已设计并合成出许多拉胀基元分子，其中一些可望进一步制成高强度高模量拉胀凯弗隆（Kevlar）类塑料和纤维。此外，魏高原等人还设计出了利用氢键组装成的一至
14、三维拉胀超分子网络，并正在加以实验验证。拉胀分子设计的另一思路是由美国液晶高分子科学家AC格里芬 (Griffin) 等人于1998年提出的，即平时平躺着的横穿主链的棒状基元分子在受到沿主链方向的拉力作用时，会翻转一定角度而站立起来，从而导致多链体系的胀开。在我国有郑州大学的科研人员在从事这方面的研究，已设计出多种这样的液晶高分子。此外，Baughman 等人于1997年通过分子力学计算发现一种由聚二炔链组成的三维网络可表现出拉胀性，而Grima和埃文斯则于2000年提出了一种由多个一大一小的三角形炔链构成的二维拉胀聚三角炔网络，且魏高原等人还于最近成功建立起拉胀碳纳米管及缩胀球分子的分子模型
15、。最后，值得一提的是由周其凤院士领导的北京大学液晶高分子研究室研究人员合成出的一类甲壳型液晶高分子，经过魏高原及其博士生吴红枚所作的分子力学计算发现也具有拉胀性。通过发明新颖的热加工方法，使得常见高分子品种如聚乙烯、聚丙烯、尼龙等转变为相应的拉胀树脂的研究路线，是由英国利物浦大学的埃文斯和A奥尔德森等人于1991年开启的。他们首先将在多孔聚四氟乙烯中发现的拉胀微结构，有意识地在超高分子量聚乙烯树脂的再加工过程中再现，从而首次利用新型热加工方法制得拉胀超高分子量聚乙烯。接着，该方法经改进后又被应用到聚烯烃和聚酰胺的拉胀化再加工。至1998年，具有拉胀性的聚丙烯纤维已由埃文斯及其合作者制得。另外，
16、魏高原等人通过在乙烯-醋酸乙烯共聚物板材上机械加工出凹式蜂窝状结构，已制得拉胀多孔共聚物板及其本体复合材料，而通过应用飞秒激光切割技术在尿烷-酯共聚物薄片上切割出孔径在1毫米左右的凹式蜂窝结构， 埃文斯和奥尔德森于1999年制得泊松比可低至-2的拉胀滤网。该新型滤网具有传统分离膜无法实现的易去堵塞的优点。最后，从共混角度来考虑拉胀高分子合金的制备，也已由我国四川大学高分子所的研究人员提出，并正付诸实验，且还有国内外科研工作者从事着聚合物基玻璃纤维和碳纤维拉胀高分子复合材料的研制。 今后，拉胀的发展趋势如何？今后数年里，拉胀研究除了沿着介观和宏观拉胀网络结构的筛选与成型这一条路径继续发展，并不断
17、推出工业化拉胀产品之外，就是从分子水平上合成出高强度高模量拉胀高分子材料，并以高分子亚稳态理论阐明其拉胀机制。而这又会向高分子化学和高分子工程学提出新的更高要求。此外，从已合成出的强度较高的聚合物中发现拉胀链结构，进而通过聚集态结构控制制得高强高模拉胀聚合物，也将成为一种有效的研发拉胀材料的手段。总之，在今后10年内，拉胀的发展趋势主要是增加品种和开拓市场。 拉胀的发展前景如何？为什么？拉胀领域的研究由于能在保持作为结构材料所需的力学性能的同时，增加拉胀性这一带有一定程度的功能性，因而可大大拓宽材料的应用范围，从而具有非常光明的发展前景。 今后，拉胀发展的关键是什么？为什么？拉胀发展的关键就是
18、早日取得从分子水平上合成出高强度高模量拉胀高分子材料的突破，因为只有这样才能显著增加拉胀高分子材料的品种及其应用范围。另外，通过不断改进加工成型方法，来降低聚氨酯泡沫塑料及聚烯烃和聚酰胺树脂的拉胀化成本，也是拉胀发展的关键之一。最后，从共混和复合两个方面来找到制备拉胀材料的经济实用方法，以及仿制生物活体中存在的拉胀结构（即所谓的拉胀仿生），也非常重要。 拉胀与国民生活的联系如何？拉胀与国民生活的联系非常密切，这是由其力学特异性而决定的。譬如，拉胀性已经或正在被广泛用于密封、补缝、抗撞击、舒适织物等行业。特别是在今天全球信息化时代，海底光纤电缆的使用寿命，若能通过拉胀或挤缩性塑包壳的使用而大大延
19、长，则无疑会直接造福人类。 发展拉胀对国民经济的发展有什么现实意义？发展拉胀对国民经济的发展的现实意义主要在于能够为海洋深水作业与航空航天等高科技领域的发展提供性能更优越的新型工程塑料和纤维。此外，通过发展拉胀而产生的与拉胀材料有关的新兴产业，肯定会带动整个化工行业及材料科学的发展，进而推动国民经济的总体发展。 发展拉胀我们要做哪些工作？由于魏高原领导的北京大学拉胀材料研究室近10年的持续不断的努力，从分子水平上合成出高强度高模量拉胀高分子材料，并以高分子亚稳态理论阐明其拉胀机制，在我国正受到越来越大的重视，且在此领域已有了良好的开端。但为了赶在别人前面取得突破，仍须加大各方面的投入，特别是有
20、国家重大或重点研究计划或基金项目的大力扶持。此外，迎头赶上国外在聚烯烃和聚酰胺的拉胀化再加工方面的优势实属刻不容缓。最后，加强对大众的拉胀知识的普及教育也非常重要。 拉胀在整个高分子领域占多大分量？处于什么位置？就目前状况而言，拉胀在整个高分子领域所处的地位还不高，不管是研究力量的投入，还是拉胀产品品种和产量的规模，其所占分量都还不大。 拉胀在高分子物理领域处于什么位置？与其它技术有什么关联？拉胀现象作为新的研究对象的出现，为高分子物理特别是结构高分子材料领域注入了新的研究活力。而由于它吸引了象周其凤院士、冯新德院士、英国皇家学会院士爱德华兹爵士这样的世界一流高分子科学家的研究兴趣，因而表明其
21、与液晶高分子、高分子合成化学、高分子理论、高分子材料的计算机和分子模拟等研究领域也有着十分密切的关系。 拉胀的应用现状如何？应用前景如何？目前，拉胀高分子材料作为新型结构和功能材料，其品种和产量已初具规模。特别是杨氏模量在0.2 GPa左右的拉胀超高分子量聚乙烯的研制成功，拉胀聚氨酯泡沫塑料作为三明治复合板材的夹心层的工业应用，以及拉胀聚酯滤网在废水处理等环境保护方面的实用化等，已经向世人展示了拉胀聚合物诱人的应用前景。拉胀高分子材料的用途由其所具有的负泊松比这一材料性质所决定。通常负泊松比意味着高简切模量，这无疑可改善柱状和层状结构的抗风抗震性能。拉胀高聚物用作铺路材料可显著增强耐压抗震性能。在海洋深水作业方面，拉胀高分子材料将表现出很高的液压稳定性。制造太空飞行器表层所用的纤维增强复合材料将会由于拉胀纤维的替代而使其抗裂强度显著提高。此外，用拉胀高聚物制成的衣物、睡袋等日常用品会有良好的宽松舒适感，而将拉胀高分子如拉胀聚四氟乙烯用于制造人造血管时，其管壁将因血液流过时产生的切应力作用而变厚，致使其耐用性大大提高。总之，拉胀高分子材料的应用前景十分广阔。专心-专注-专业