負泊松比材料
關注創建者：Masson 創建時間：2022-04-06
負泊松比材料的視頻教程
負泊松比材料的實例教程
【注】文章轉自復合材料力學
通常認為, 幾乎所有的材料泊松比值都為正, 約為1/3,橡膠類材料為1/2, 金屬鋁為0.133, 銅為0.127, 典型的聚合物泡沫為0.11～0.14等, 即這些材料在拉伸時材料的橫向發生收縮。而負泊松比NegativePoisson’sRatio)效應, 是指受拉伸時, 材料在彈性范圍內橫向發生膨脹; 而受壓縮時, 材料的橫向反而發生收縮。這種現象在熱力學上是可能的 ，但通常材料中并沒有普遍觀察到負泊松比效應的存在。近年來發現的一些特殊結構的材料具有負泊松比效應,由于其奇特的性能而倍受材料科學家和物理學家們的重視。
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材料特性
自然界中所有的材料都具有正的泊松比，負泊松比材料只能被人工制造出來。與傳統正泊松比材料相比，負泊松比材料具有一些特殊的性質，具體表現在彈性模量與切變模量、壓痕阻力、能量吸收等方面。
彈性模量與切變模量
材料的彈性模量E 和切變模量G 與泊松比v密切相關，其關系如下圖 所示。當泊松比由正變負時，抗剪能力顯著提高。尤其當泊松比為–1 時，切變模量遠遠超過彈性模量。此時，材料將變得極易可壓
縮，但難以剪切。值得注意的是，負泊松比材料的彈性模量并不總是恒定的，還受密度比和體積變化率的影響。一般而言，當材料處于拉伸狀態時，彈性模量隨體積壓縮比的增大而減小；處于壓縮狀態時，彈性模量隨體積壓縮比的增大而增大。通俗來講，負泊松比材料受壓時材料向內部聚集，瞬時密度增大，外部表現出較高的剛度，利用此特點可以設計出兼具舒適性與支撐性的彈性座椅。
展開 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。此外，調控軸向與徑向的不同壓縮比例可獲得不同負泊松比特性的PBS-NPR材料，從而可以根據現實應用需求滿足不同力學性能的輕質化PBS-NPR材料針對性制造。如圖1e-f，輕質化PBS-NPR材料在壓縮過程中的軸向和徑向應力—應變曲線分別表現出兩種典型的聚合物材料應力-應變行為：硬且韌、軟且韌。PBS-NPR材料內部的取向胞元結構導致了PBS-NPR壓縮性能均呈現各向異性，可以滿足不同應用領域對于材料力學性能的個性化需求。相對于PBS超臨界發泡材料, PBS-NPR材料的軸向壓縮模量增加了359%，徑向壓縮模量增加了68%，軸向部分壓縮模量比徑向部分壓縮模量高904%；同時，軸向部分屈服強度比PBS超臨界發泡材料高840%，徑向部分屈服強度比PBS超臨界發泡材料高191%。該結果表明，軸向與徑向控比粘彈性壓縮引起的負泊松比結構化實現了輕質化PBS多孔材料的高力學性能。
這種軸向與徑向控比粘彈壓縮負使輕質化生物基材料高性能化的方法，不僅大幅提升了輕質化生物基材料的力學性能，同時避免了傳統化學或物理改性手段的帶來的制造成本與技術難度增加及相關不可控因素。
展開 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）。
圖3：（a）不同交聯程度PI氣凝膠的DSC曲線；（b）不同交聯程度PI氣凝膠的體積收縮率；（c）PI氣凝膠的密度；（d）PI氣凝膠的放射狀形貌以及力學壓縮過程的有限元模擬；（e）PI氣凝膠在不同壓縮應變條件下的泊松比。
得益于共價交聯的化學結構、高孔隙率和負泊松比的結構特性，PI氣凝膠具有良好的壓縮回彈性，即使在99%的極限壓縮應變下，仍然能完全回彈（圖4a，b）。更重要的是，這種壓縮回彈性在高溫573 K、77 K低溫， 4 K的超低溫條件下，以及ΔT=569 K （4 K到573 K）熱沖擊后，都能夠得以保持（圖4c，視頻）。這種在4 K超低溫條件下具有優異壓縮回彈性的PI氣凝膠在未來的深空探索中將具有良好的應用前景。
圖4：（a）PI氣凝膠柔韌性以及在99%壓縮應變下的回彈性照片；（b）不同交聯程度的PI氣凝膠在99%壓縮應變下的壓縮回彈曲線；（c）PI氣凝膠在不同溫度下的壓縮回彈照片；（d）PI氣凝膠在ΔT=569 K （4 K到573 K）熱沖擊前后的壓縮回彈曲線。
展開 論文重點：通過給石墨烯施加不同的電壓，實現了電磁波從正折射到負折射的轉變。
模型介紹：
作者在雙曲材料MoO3上一半區域覆蓋上石墨烯。然后在沒有覆蓋石墨烯的MoO3上面放上一個金納米棒，讓平面電磁波激發出金納米棒的偶極共振，偶極共振在雙曲材料上傳播，其波前為雙曲線，表明波是發散的。但是當波穿越同上一定電壓的石墨烯后，波前變為橢圓，表面波匯聚了。作者將石墨烯費米能級EF從0加到0.66eV，實驗上和仿真上都觀測到了波從發散到匯聚的現象，這個現象的本質是波的傳播從正折射轉變為負折射了，實現了正負折射的可調可控轉變。
下面是使用comsol繪制的動態圖
下面是我對正文圖片中仿真結果的復現
圖2
圖3
最后是付費內容，包含上面展示的所有復現結果，即論文圖2cd,圖3d的復現，如下。
展開 CINNO Research產業資訊，東麗株式會社(TORAY，簡稱：東麗)日前官網宣布，新開發出負型光敏聚酰亞胺涂覆液材料。該聚酰亞胺涂覆液材料，在具有良好的耐熱性、機械性和粘接性的同時，分辨率有很大提高，可應對100μm厚膜的高精細圖案加工。
根據東麗公司官網顯示，在5G、6G高速通信中，由于需要進行高速率、大容量的數據通信，造成智能手機等移動終端所搭載的電子部件數量在不斷增加。因此，就必須要實現電子部件的小型化和高密度化安裝。與此同時，對使用在電子部件絕緣層的聚酰亞胺涂覆液材料，則提出了更精細的加工要求。
迄今為止，耐化學特性和高可靠性的負型光敏聚酰亞胺涂覆材料在絕緣層中被大量使用。但由于光透射率低的緣故，當厚度增加到50μm以上就會導致感光性下降，從而無法再進行精細加工。此外，由于硬化后的熱應力高，翹曲量變大，也造成了加工過程可靠性降低的問題。
東麗憑借多年來積累的功能性聚酰亞胺的研發技術，通過提高光透射率并控制光反應性，成功開發出可加工100μm厚度、直徑10微米的引腳負型光敏聚酰亞胺涂覆材料。另外，通過控制曝光時光反應產生的聚酰亞胺樹脂的交聯密度，降低硬化收縮，使得與一般的聚酰亞胺材料相比，可以將熱應力控制在一半以下，以減輕翹曲。
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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。
文獻來源
2023年2月10日的science論文《 Gate-tunable negative refraction of mid-infrared polaritons 》，通訊作者是國家納米科學中心戴慶研究員，西班牙光子科學研究所Javier García de Abajo教授。
論文重點：通過給石墨烯施加不同的電壓，實現了電磁波從正折射到負折射的轉變。
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CINNO Research產業資訊，東麗株式會社(TORAY，簡稱：東麗)日前官網宣布，新開發出負型光敏聚酰亞胺涂覆液材料。該聚酰亞胺涂覆液材料，在具有良好的耐熱性、機械性和粘接性的同時，分辨率有很大提高，可應對100μm厚膜的高精細圖案加工。 根據東麗公司官網顯示，在5G、6G高速通信中，由于需要進行高速率、大容量的數據通信，造成智能手機等移動終端所搭載的電子部件數量在不斷增加。因此，就必須要
聚合物彈性材料在超低溫環境下通常會失去彈性，表現出明顯的低溫脆性。然而，太空中的平均溫度只有2~3 K，這對于在低溫環境下工作的航天器中聚合物彈性材料的使用是一個巨大的挑戰。盡管已經報道的石墨烯氣凝膠、氮化硼氣凝膠、二氧化硅納米纖維氣凝膠等在超低溫環境下表現出良好的彈性
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）。
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。
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。
