拉胀材料研究进展和应用前景

周 蕾 谭 燕

(1中南大学土木工程学院，湖南 长沙 410083；2湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430074)

拉胀材料即负泊松比材料，是材料领域的新兴课题。泊松比的定义为：，其中εi为横向正应变;εj为纵向正应变。其物理意义是反映物体伸缩变形时的体积变化。对于各向同性的材料，由于应变能的非负要求，弹性理论表明-l

1 负泊松比材料的种类

除了天然的负泊松比材料外（如母牛乳头部分的皮肤），1987年，RoderickLakes从普通的多面体着手，制造出的泡沫塑料泊松比为负值。此后，Evans发现内部含有卵形块状结构的聚四氟乙烙(PTFE)具有负泊松比特性，其后，Jeffmoor将某些金属添加到泡沫塑料中形成具有负泊松比的金属泡沫材料，也有人发现多元酯与PE合成的纤维性材料及具有可回复性的泡沫塑料也有负泊松比现象。研究发现，高聚物体系也具有负泊松比现象，如多孔性固体[3]、具有细胞的二维尺寸的蜂窝状物质、可延展性的金属泡沫塑料及高聚物泡沫塑料、二维或三维的各向同性[3]高聚物。此外，黄铁矿，硅土等天然矿物也存在着负泊松比现象。

2 微观结构

负泊松比材料的微观结构可划为两类，一类是通过聚合物分子设计得到的微观结构;一类就是晶体负泊松比材料微观结构。Evansl设计了二维内凹蜂窝状结构[4]所示的分子水平上的负泊松比材料。他认为通过改变垂线和对角线上乙炔键连接的数目，可以实现负泊松比效应，而在乙炔键的连接处加入苯环，再现类似于图1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[5]，图2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[6](rods)的组分。若单位体积内聚合物分子链数目一定，而整个材料的体积又发生了膨胀，唯一的可能就是分子链间距离变大，这就是聚合物分子产生负泊松比效应的基本机理。

图1 分子负泊松比的微观结构

图2 液晶聚合物分子负泊松比材料的微观结构

3 负泊松比材料制备的关键技术

目前负泊松比材料的制备方法主要分为两类:一类是通过对正泊松比材料的变形以及合理铺设方式达到负泊松比效应，另一类则是通过创新的材料构筑方法和技术直接制备负泊松比材料。对于一般的泡沫材料，可以从三个相互垂直的方向对其进行压缩，并放入铸模中，将铸模加热至略高于泡沫的软化温度，然后冷却至室温并将泡沫萃取出得到一种具有μ=-0.7[7]的泡沫材料。而微多孔聚乙烯的的合成方法是由压塑、烧结、再热压挤出三步组成。其中压塑是将粉末添入压管中机械加压。烧结是在高于泡沫熔点130-200摄氏度之间进行，热压挤出是在最合适的条件(如温度等)得到由纤维连结的泊松比为-1.24的颗粒结构。

4 负泊松比材料的特殊性能及应用前景

负泊松比材料由于其特殊的微观结构，不仅具有很好的吸声能力，而且其物理性能也十分优良，如Evans在研究普通泡沫与负泊松比泡沫材料的回弹韧性[8]时，发现负泊松比泡沫的回弹韧性随落球实验的进行呈增高趋势，而普通泡沫的杨氏模量增加到一定程度后，材料迅速发生弹性崩塌。

负泊松比材料有着广泛的应用前景，它能直接用于某些特殊领域也能提高材料的其他性能甚至可以产生其他新材料。例如负泊松比材料的横向膨胀性质可用于某些新型的扣件中，凹孔泡沫可以用来制备隔音设备，负泊松比材料的起因机制还可用于分析白矮星和中子星的核反应和地震行为。以拉胀聚氨酯泡沫塑料为例，它有很好的弹性及抗冲能力，用于制作舒适耐用的坐垫[9]等，在完成其产业化后，可以继续开发以下产品（1）拉胀乳胶床垫，一种添加料与天然橡胶的多孔共混物；（2）航空航天、深海作业用高强度高模量拉胀凯弗隆（Kevlar）[10]类塑料和纤维。总之，负泊松比材料不仅在日常生活用品具有重要意义，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。

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[4]杨志春.负泊松比材料与结构的力学性能研究及应用[J]力学进展，2011，41（3）：335-350

[5]吴红梅 魏高原.几种自组装拉胀分子网络的分子模拟[J].高分子学报，2004, 2(5):201-207

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[7]黄智.具有负泊松比材料的研究进展[J].材料通报，2002，16（10）：49-51

[8]赵亚斌，卢子兴.对负泊松比泡沫材料杨氏模量预测模型的修正.[C].北京:清华大学2005.516-520

[9]纵横间彰显智慧——记拉胀材料专家魏高原教授[N]科技日报2004-11-16(38)

[10]高妍.魏高原.不辍耕耘，厚积薄发[N]科学中国人2007-12-24(77)