負泊松比
關注創建者：復合材料力學-君莫 創建時間：2019-12-07
負泊松比的視頻教程
ABAQUS超材料結構優化&三點彎結構仿真
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負泊松比的實例教程
基于以上關鍵科學問題，西南大學黃進教授和甘霖副教授團隊提出了針對輕質化生物基材料構建負泊松比超結構實現力學性能大幅提升強化的普適性方法，即在生物基材料基體內部設計并構建三維負泊松比胞元結構陣列，通過自下而上的負泊松比效應賦予輕質化生物基材料超力學性能。該工作首先設計了功能性強、易調控的內凹多面體胞元結構，然后以典型生物質聚酯—聚丁二酸丁二醇酯（PBS）為原料，采取綠色環保的超臨界流體發泡技術成功制得了輕質化PBS多孔材料，最后在略高于軟化溫度的條件下通過軸向與徑向控比壓縮調控其泊松比，制得了負泊松比可調控的力學超材料—負泊松比PBS材料（PBS-NPR）。這一研究成果以題為Reversing Poisson′s Ratio of Biomass Foam to Be Negative to Achieve Super Mechanical Properties via Viscoelastic Compression發表在ACS Applied Polymer Materials上。
圖1. PBS超臨界發泡材料和PBS-NPR負泊松比結構材料的胞元設計、制備流程、產品及微觀結構：PBS超臨界發泡材料在軸向（a）、徑向（b）上的孔隙；PBS-NPR材料在軸向（c）、徑向（d）上的孔隙；PBS超臨界發泡材料和PBS-NPR材料在壓縮過程中的應力-應變曲線，軸向部分（e），徑向部分（f）。
如圖1a ~ d，經軸向與徑向控比粘彈壓縮制備的PBS-NPR材料的微觀結構表征結果表明，多孔PBS發泡材料的胞元結構由正泊松比的凸多面體轉變成負泊松比的內凹多面體。正是這種密布的負泊松比胞元陣列賦予了PBS-NPR材料宏觀負泊松比特性。
展開 壓痕阻力
材料的硬度H 可表示成關于彈性模量E 和泊松比?的表達式：
可知，材料的壓痕阻力現象隨著負泊松比絕對值的增加而愈加明
顯。當v接近–1 時，壓痕阻力會趨近于無窮大。如下圖所示，當負泊松比材料受沖擊載荷時，材料向沖擊區域聚集變得更加致密，抵抗壓痕的能力得到提高。傳統材料則正好相反，軸向沖擊載荷會使材料向兩側分離，硬度明顯低于負泊松比材料。負泊松比材料的壓痕阻力現象已經在大量的人工合成負泊松比材料中得到了證實，如聚合物和金屬泡沫、纖維增強復合材料等。
能量吸收
與傳統材料相比，負泊松比多胞結構還在吸能性能等方面體現出獨特優勢。一方面，疏松多孔的多胞材料更容易實現較大的壓縮變形，是天然的高效吸能理想材料，例如啄木鳥的頭骨就屬于多胞元
結構，可以有效吸收沖擊產生的震動，保護啄木鳥的大腦不受傷害。另一方面，負泊松比胞元結構的變形特點使其具有更高的吸能效率。如下圖所示，曲線分別表示了一般蜂窩多胞結構和負泊松比多胞結構在單向壓縮變形時的應力變化曲線。兩種結構先后經歷了三個階段：線彈性階段，應力平臺階段以及密實化階段。在初始線彈性階段，負泊松比多胞結構密度逐漸增大，剛度也逐漸增大。到了應力平臺階段，負泊松比多胞結構表現出較高的平臺應力，因此該階段的能量吸收效率較高。同時，應力應變曲線與橫坐標軸圍成的面積(代表吸收的能量)也表明了負泊松比多胞結構吸能性能要高于一般蜂窩結構。
展開 針對這一挑戰，復旦大學葉明新/沈劍鋒課題組從化學結構和微觀形貌兩方面進行設計（圖1），提出了DMSO冰晶輔助的定向冷凍凝膠和冷凍干燥工藝（DMSO-FGFD），制備了一種具有化學交聯結構、有序形貌和負泊松比的超彈性聚酰亞胺（PI）氣凝膠。
圖1：超彈性PI氣凝膠的化學結構與形貌設計
采用DMSO為溶劑是獲得共價交聯結構PI氣凝膠的關鍵。傳統PI彈性氣凝膠的制備通常采用水溶性聚酰胺酸鹽為前驅體，再定向冷凍干燥和熱亞胺化工藝得到。該工藝面臨前驅體在水中降解，氣凝膠的體積收縮率大，以及流程復雜等問題。這項研究工作中提出以DMSO為溶劑，采用化學亞胺化工藝，以TAB為交聯劑，在定向冷凍凝膠過程中，通過體積排除效應實現原位化學交聯（圖2a，b），然后進行冷凍干燥獲得具有共價交聯結構的PI彈性氣凝膠（圖2c）。由于DMSO對多種聚合物具有良好的溶解性，這使得制備定向結構聚合物氣凝膠不再受限于“水溶性”聚合物，可進一步拓展到如PVDF、PAN、PA等聚合物，具有一定的普適性。
圖2：（a）原位凝膠化過程示意圖；（b）凝膠化前后PI的性狀對比；（c）利用真空冷凍干燥顯微鏡原位觀察PI/DMSO的冷凍干燥過程。
DMSO-FGFD工藝制備得到的PI氣凝膠具有低的體積收縮率（3.1%）、低密度（6.1 mg/cm3）以及高達99.57%的孔隙率（圖3a-c）。更重要的是，通過結合有限元模擬進行模具設計，控制定向冷凍凝膠過程中的溫度分布，使得制備得到的PI氣凝膠具有放射狀的內部形貌（圖3d），表現出具有負泊松比的結構特性（圖3e）。
展開 02
成果掠影
近期，同濟大學祖國慶課題組受中國傳統折紙工藝啟發，采用單軸/雙軸/三軸熱壓策略，調控氣凝膠多孔結構，構建了具有折疊和內凹多孔結構的高可拉伸、低/負泊松比還原氧化石墨烯（rGO）/聚合物基多孔超材料。該文報道了通過單軸、雙軸和三軸熱壓策略獲得的具有低泊松比或負泊松比的高拉伸多孔氧化石墨烯/聚合物納米復合彈性體。具有正泊松比的高可壓縮性氣凝膠可以通過這些熱壓策略轉化為具有零或負泊松比的高可拉伸多孔超彈性體。具有壓縮和折疊多孔結構的單軸熱壓多孔彈性體具有較高的拉伸性能，斷裂伸長率為1250%，可逆伸長率大于800%。此外，通過雙軸(或三軸)熱壓得到的具有可重入孔結構的多孔間彈性體具有較高的雙軸(或三軸)拉伸性能和負泊松比。證明了所得到的多孔彈性體可以應用于超寬響應應變(0-1200%)和壓力(0-9.5 MPa)傳感器。此外，它們可以應用于智能熱管理和電磁干擾屏蔽，這是通過簡單地通過拉伸來調節多孔微結構來實現的。這項工作為高度可拉伸和負泊松比多孔材料開辟了一條道路，在柔性電子、熱管理、電磁干擾屏蔽、能量存儲等方面具有應用可能性。該成果以“Stretchable and negative-Poisson-ratio porous metamaterials”為題發表在《Nature Communications》。
03
圖文導讀
圖1. 可拉伸負泊松比多孔超材料制備與應用。
圖2. 多孔超材料的形貌、可拉伸性和泊松比。
圖3.多孔超材料拉伸原位形貌及其在熱壓與拉伸過程中的有限元分析。
圖4. rGO/聚合物復合多孔超材料的應變/壓力傳感性能和應用。
展開 2016年報道，由哈工大李惠教授指導的2012級博士研究生張強強以第一作者身份在國際著名期刊《先進材料》上發表題為“雙曲形貌3D石墨烯超材料負泊松比和超材料研究”的科研論文，在國際上首次研究了三維石墨烯材料中存在的負泊松比效應和超彈性特征。李惠教授和徐翔為共同通訊作者。
同年，李惠教授課題組張強強、紐約州立大學布法羅分校Chi Zhou博士和堪薩斯州立大學Dong Lin博士等人，在納米技術雜志《Small》上報告以石墨烯為原料利用3D打印技術制造石墨烯氣凝膠，使得制備這種世界上最輕的材料變的容易許多。
來源：今日哈工大
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02
成果掠影
近期，同濟大學祖國慶課題組受中國傳統折紙工藝啟發，采用單軸/雙軸/三軸熱壓策略，調控氣凝膠多孔結構，構建了具有折疊和內凹多孔結構的高可拉伸、低/負泊松比還原氧化石墨烯（rGO）/聚合物基多孔超材料。該文報道了通過單軸、雙軸和三軸熱壓策略獲得的具有低泊松比或負泊松比的高拉伸多孔氧化石墨烯/聚合物納米復合彈性體。
此外，這些模塊被鑲嵌成3D超材料，以利用它們的可重構性在負泊松比、正泊松比、甚至零泊松比的大范圍內獨立地編程正交平面中的泊松比，甚至是零泊松比(Poisson‘s Ratio)。這項工作為基于單自由度系統運動分叉的可編程超材料設計開辟了新的途徑，可方便地應用于柔性超材料、變形結構和可擴展結構等領域中的變形系統。
因此，可以通過合理設計單胞結構使蜂窩具有前所未有的特性，如負泊松比、負熱膨脹、壓縮扭轉和負剛度等。這些違反常規直覺的性能都源于它們的微觀結構特征，而不是它們的基體材料。由于其在斷裂韌性、抗沖擊性、散熱、減振和降噪等方面的優異性能，蜂窩材料已廣泛應用于建筑、汽車、軌道交通、船舶、航空、航天、衛星、電子通信、納米制造和醫療領域。
更重要的是，通過結合有限元模擬進行模具設計，控制定向冷凍凝膠過程中的溫度分布，使得制備得到的PI氣凝膠具有放射狀的內部形貌（圖3d），表現出具有負泊松比的結構特性（圖3e）。
基于以上關鍵科學問題，西南大學黃進教授和甘霖副教授團隊提出了針對輕質化生物基材料構建負泊松比超結構實現力學性能大幅提升強化的普適性方法，即在生物基材料基體內部設計并構建三維負泊松比胞元結構陣列，通過自下而上的負泊松比效應賦予輕質化生物基材料超力學性能。
六邊形蜂窩
過拉伸蜂窩
當然還有一些特殊的通過蜂窩結構來實現負泊松比效應的結構。
負泊松比材料的壓痕阻力現象已經在大量的人工合成負泊松比材料中得到了證實，如聚合物和金屬泡沫、纖維增強復合材料等。
能量吸收
與傳統材料相比，負泊松比多胞結構還在吸能性能等方面體現出獨特優勢。
如果材料具有負的彈性模型、負的應力應變關系和負泊松比等特殊的力學性質，也會出現“負特征值”的警告信息。通常這個原因大家會排除。
3) 出現了翻轉的單元。這往往是因為在分析過程中單元發生了過度變形。產生大變形，還會出現“NEGATIVE VOLUME負體積”的警告。檢查模型中可能存在大變形的零部件，是否是材料屬性（如密度）、接觸關系（未充分接觸）設置不符合實際情況。
2016年報道，由哈工大李惠教授指導的2012級博士研究生張強強以第一作者身份在國際著名期刊《先進材料》上發表題為“雙曲形貌3D石墨烯超材料負泊松比和超材料研究”的科研論文，在國際上首次研究了三維石墨烯材料中存在的負泊松比效應和超彈性特征。李惠教授和徐翔為共同通訊作者。
而這一特殊結構賦予材料負泊松比（-0.25）以及負線性熱膨脹系數（-1.8x10-6/℃），致使材料維持熱穩定性的同時依然能表現出優異的可變形性和斷裂韌性。在劇烈的熱休克（大約275℃/s）以及長期高溫暴露過程中，這類材料表現出優異的熱穩定性以及幾乎為零的強度損失。
