越拉越粗??？“拉脹材料”的奇妙效應(yīng)

在了解了泊松比以及負(fù)泊松比材料之后，我們可以這樣概括：負(fù)泊松比材料是一種拉伸不變細(xì)反而變粗的材料。

材料的特殊性能決定了它們的應(yīng)用價(jià)值。因此具有負(fù)泊松比的“拉脹材料”很早就引起了大家的關(guān)注。它在受壓時(shí)材料/結(jié)構(gòu)向內(nèi)部聚集，瞬時(shí)密度增大，外部表現(xiàn)出較高的剛度。可利用其提高的剪切模量、抗斷裂性能、回彈韌性以及抗缺口性來(lái)避免材料在受到外界沖擊力時(shí)的應(yīng)力集中[1]，換句話講，與橡膠、鋼材等傳統(tǒng)材料不同，它不會(huì)因?yàn)槔於儭叭酢?，而是非常擅長(zhǎng)吸收能量。因此，利用拉脹材料的吸收能量和抗斷裂的能力，人們已經(jīng)在很多領(lǐng)域利用它達(dá)到不同的“效果”。

首先，由于拉脹材料在受到外力擠壓或拉伸時(shí)不會(huì)像普通材料那樣，形成馬鞍形而是會(huì)變成圓頂狀，可以用來(lái)制作夾板的中間體增強(qiáng)材料，以此來(lái)提高夾板的安全性能。因此，它可以應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域作為夾層板的復(fù)合元件。

拉脹材料在機(jī)械載荷下其內(nèi)部孔徑可以同向放大或縮小，將其用于航天器的過(guò)濾器可以通過(guò)控制孔徑將孔中的物質(zhì)及時(shí)清理，可補(bǔ)償由于過(guò)濾器結(jié)垢、沖洗或改變過(guò)濾器或催化劑結(jié)構(gòu)的響應(yīng)而引起的壓降增加[2]。并且，其“拉脹”變形結(jié)合形狀記憶材料可以用于具有形狀記憶功能的可伸展天線。

在國(guó)防領(lǐng)域中，拉脹材料對(duì)力的傳輸和反射具有較強(qiáng)的干擾作用，因此可以用來(lái)在受到強(qiáng)烈驟變的外力時(shí)有效分散或降低應(yīng)力，這樣可以具有更好的保護(hù)效果。因此它們可以用來(lái)作為防彈衣、子彈和彈殼使用。拉脹防彈層可吸收彈頭或彈片的動(dòng)能，對(duì)低速?gòu)楊^或彈片有明顯的防護(hù)效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對(duì)人體胸、腹部的傷害[3]。

此外，在聲學(xué)領(lǐng)域，相比普通泡沫，負(fù)泊松比材料具有特殊的彈性和對(duì)聲音的吸收能力，因此也用于隔音材料。在隔音頭盔以及錄音室隔音板中使用拉脹材料來(lái)進(jìn)行隔音[4]。

最后，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，拉脹材料的多孔結(jié)構(gòu)可為細(xì)胞遷移和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)傳輸提供空間，同時(shí)其同向壓縮變形可以高效率為細(xì)胞傳遞應(yīng)力刺激，促進(jìn)細(xì)胞增殖、分化，提高新組織的生成速率。

拉脹材料在彎曲變形時(shí)具有同步的圓頂形曲率，可以完美地與人體中的脊柱和膝關(guān)節(jié)的曲率吻合，這與人體骨組織的工程學(xué)結(jié)構(gòu)完美呼應(yīng)，可以作為傳統(tǒng)多孔結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)替代品來(lái)進(jìn)行骨組織支架的應(yīng)用[5]。此外，它還具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在提高支架孔隙率的同時(shí)可以有足夠的強(qiáng)度抵抗周圍組織施加的載荷，防止支架發(fā)生塌陷變形，為組織再生提供穩(wěn)定空間?？梢杂糜谏锇昴?、動(dòng)脈支架、人造椎間盤、智能繃帶和脊柱植入物等等。

作品來(lái)源

本作品是在中國(guó)科協(xié)生物力學(xué)科學(xué)傳播專家團(tuán)隊(duì)、中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)生物力學(xué)科學(xué)傳播團(tuán)隊(duì)樊瑜波教授、王麗珍教授指導(dǎo)下完成。

作者：姚艷、石煙祝、于佳玉、楊鑫怡、黃慧雯

支持單位：北京市生物醫(yī)學(xué)工程高精尖創(chuàng)新中心科普教育基地、中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)材料生物力學(xué)分會(huì)

資助

本作品由中國(guó)生物材料學(xué)會(huì)精品科普項(xiàng)目資助

參考文獻(xiàn)：

[1] 任鑫, 張相玉. 負(fù)泊松比材料和結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展 [J]. 力學(xué)學(xué)報(bào), 2019, 51: 656-687.

[2] Alderson A, Rasburn J, Ameer-Beg S, et al. An auxetic filter: A tuneable filter displaying enhanced size selectivity or defouling properties [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2000, 39: 654-665.

[3] 馬丕波, 常玉萍. 負(fù)泊松比針織結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用 [J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2015, 47-50.

[4] Liu Y, Hu H, Lam J K C, et al. Negative poisson’s ratio weft-knitted fabrics [J]. Textile Research Journal, 2010, 80: 856-863.

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