负泊松比(拉胀)材料相关资料收集

负泊松比 拉胀 材料相关资料收集负泊松比 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 Materialpoisson s ratio rubber 0 50 gold0 42 saturated clay0 40 0 50 magnesium0 35 titanium0 34 copper0 33 aluminium alloy0 33 clay0 30 0 45 stainless steel0 30 0 31 steel0 27 0 30 cast iron0 21 0 26 sand0 20 0 45 concrete0 20 glass0 18 0 3 foam0 10 0 40 cork 0 00 auxeticsnegative 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 K E 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 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 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 B D 凯达克 Caddock 和 K E 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 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 A C 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 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 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