負泊松比材料的案例
負泊松比材料簡介
【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??；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 西南大學黃進教授和甘霖副教授提出負泊松比結構力學強化輕質化生物基材料的普適性方法：軸向/徑向控比粘彈性壓縮多孔材料負泊松比結構化
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 ：一種在4 K超低溫條件下具有超彈性的負泊松比共價交聯聚酰亞胺氣凝膠
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 25，調控電磁波的傳播方向1-使用石墨烯調制雙曲材料等頻線實現負折射 ￥2500
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 
材料 | 東麗開發支持100μm厚膜高分辨率的負型光敏聚酰亞胺涂覆液
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。
展開 具有多種功能的還原氧化石墨烯/聚合物基多孔超材料
來源 | Nature Communications
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背景介紹
氣凝膠、泡沫和海綿等多孔材料具有許多獨特的機械、熱學、電學和化學性能，在隔熱、吸附、傳感器、催化、儲能等方面具有廣闊的應用前景。各種柔性多孔材料，包括可壓縮的、可彎曲的和可拉伸的多孔材料，已經通過優化它們的多孔微結構而得到廣泛的研究。其中，可拉伸氣凝膠和泡沫尤其具有吸引力，因為它們在柔性應變/壓力傳感器、可拉伸導體、柔性電池、柔性超級電容器、可拉伸電磁干擾(EMI)屏蔽材料、可拉伸熱管理材料等方面具有潛在的應用前景。雖然可壓縮和可彎曲氣凝膠和泡沫已經被廣泛研究和報道，但關于可拉伸氣凝膠和泡沫的報道卻少得多。許多特殊設計的結構，如細胞和層狀結構，可以賦予多孔材料高壓縮性和彈性。然而，氣凝膠和泡沫的高度多孔結構通常在拉伸時容易破裂。實現高度可拉伸的氣凝膠和泡沫是一個巨大的挑戰。
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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。
展開 哈爾濱工業大學：首次以通訊單位在《Science》發文
論文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/363/6428/723
陶瓷氣凝膠以其低密度、低熱導率和良好的耐火、耐腐蝕特性而被認為是理想的隔熱材料。然而，質脆以及晶化誘導的粉碎行為使得陶瓷氣凝膠常常在顯著的溫度梯度變化或者長期的高溫暴露中表現出嚴重的強度退化甚至結構崩塌的現象。鑒于極端條件下的隔熱要求相應的材料具備異常優異的穩定性，因此同時具備強大的機械和熱學穩定性就成為陶瓷氣凝膠在隔熱領域進一步發展應用的主要障礙。
哈工大李惠教授和加州大學洛杉磯分校的黃昱、段鑲鋒（共同通訊作者）報道了一種具有雙曲結構的三維hBN陶瓷氣凝膠，同時具有負的熱膨脹系數和負的泊松比，具備超輕、高力學強度和超級隔熱三大特點。
研究團隊利用三維石墨烯氣凝膠模板設計合成了同時具有強大的機械和熱學穩定性的氮化硼（hBNAGs）以及碳化硅（βSiCAGs）陶瓷氣凝膠材料。
這類陶瓷材料由納米層狀雙窗格壁組成，整體呈現出超低密度的雙曲線構造形態。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。同時此種氣凝膠還表現出超低的熱導率（在真空中約為2.4 mW/m·K，在空氣中約為20 mW/m·K），因此研究人員認為基于上述新型陶瓷氣凝膠可以設計理想的超級隔熱系統并在航天器等領域有所應用。
2019年2月15日，相關成果以題為“Double-negative-indexceramic aerogels for thermal superinsulation”的文章在線發表在Science上。
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