广州大学 土木工程学院 广东广州 510006
摘要：随着科学技术的日益发展，工艺水平也在不断提升，人们对于那些具备着特殊力学性能的新材料愈发的关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。其中，负泊松比材料广受人们关注。负泊松比材料有着很多特殊的性能，与传统材料相比，负泊松比材料在受到拉伸时，垂直于拉应力的方向会发生膨胀。正是由于这种特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能。
关键词：负泊松材料；负泊松比；结构
一、引言
目前已知的传统材料在自身强度及应对一些机体变形等方面很难满足人们的需求，随着工艺水平的提升，人们对于具备着特殊性能的新材料愈发关注，而这类新材料往往有着一般材料所不具备的力学性能。其中，负泊松比材料广受人们关注。负泊松比材料有着很多特殊的性能，与传统材料相比，该材料在受到拉伸时，垂直于拉应力的方向会发生膨胀。正是由于这种特殊的性质，使得负泊松比材料在很多领域，都表现出与传统材料所不同的优秀的物理和力学性能。包括弹性模量、剪切模量、热冲击强度等。各种具备负泊松比效应的新型结构、材料不断地被制备出来，负泊松比材料、结构的应用得到迅速发展[1]。等通过实验发现在机械荷载下的抗变形能力而不是体积变化时，泊松比可作为比较任何材料在弹性应变时性能的基本度量；国内的周丽，张平等提出了一种新的柔性蜂窝结构，并讨论其在飞机中的应用；Alderson[2]已成功制得用作增强纤维的细丝状和纤维状负泊松比聚合物材料，该材料除了可用于汽车车体、缓冲器复合材料外，还可用作防弹背心等。由此可见，负泊松比材料已经应用于航空、国防、纺织等各行各业中。
二、负泊松比材料的种类
负泊松比材料主要分为多孔状负泊松比材料、微孔聚合负泊松比材料以及分子水平拉胀聚合物。
（一）多孔状负泊松比材料
多孔状负泊松比材料主要分为蜂窝状负泊松比材料和泡沫状负泊松比材料。
由大量多边形孔在平面上聚集形成的二维结构，由于其形状类似于蜂房的六边形结构而被称为“蜂窝”材料。最早的蜂窝状拉胀材料是在 Gibson 和 Asbby [3]在1982 年设计出的嵌合倒插六边形。这种蜂窝状倒插六边形可看成是常规蜂窝状六边形的上下两个定点内插形成斜边的“肋骨”。在受到单轴拉伸作用时，斜边“肋骨”滑移。魏高原等人通过机械加工在乙烯－ 醋酸乙烯共聚物板材上制出凹式蜂窝状结构，从而制成拉胀多孔材料。Evans 等人与 1999 年利用飞秒激光切割技术在聚酯薄片上切割出孔径在 1mm 左右的凹式蜂窝结构，制得泊松比为-2的拉胀滤网。
（二）微孔聚合负泊松比材料
1989 年，第一种具有拉胀效应的多微孔聚合物得以发现。英国研究学者在对材料进行分析时发现经特别加工制得的多孔聚四氟乙烯树脂具有拉胀性，其泊松比可达-12。而这种膨胀后的PTFE，由于其具有复杂的纤维结点结构，表现出低至-12负泊松比。其中起关键作用的，是取代蜂窝状和泡沫状倒插结构的“纤束-结点”网结构。在形变机理上，结点通过纤维的移动发生平移变换，从而产生拉胀效果。
（三）分子水平拉胀聚合物
据报道许多分子水平的无机和金属类材料也存在拉胀效应。Baughman 指出，69% 的立方晶系元素金属在对应方向上具有负泊松比。此外，一些具有特殊微观结构的聚合物和某些晶体材料，如沸石、二氧化硅晶体也具有负的泊松比。1992 年，Keskar 等运用耦合能和赝势计算，分别得出 α-方晶石的泊松比为-0.17和-0.20，此结果与实验值非常接近。等离子晶体和凝胶晶体也被证实在某些方向上具有负的泊松比。
三、负泊松比材料的微观结构与形变机理
近年来‚科学家们通过先进的仪器设备、有效的数学推导、有限元分析、蒙特卡洛法、拓扑优化法（topology optimization）[5]等手段对负泊松比材料的微观结构与形变机理做了大量的工作。根据材料类型的不同‚目前已提出了几种解释负泊松比效应的机理。可以明确的是‚负泊松比材料所具有的独特性能取决于其特殊的微观结构，负泊松比泡沫与普通泡沫在内部微观结构上有很大差异，这是由材料本身的结构所引起的。
人们认为正是由于通过热机械处理的方法使得普通泡沫从一般的六角蜂窝状微孔单元结构到具有内凹结构‚肋与肋之间形成凹角的这一转变‚才使材料呈现负泊松比效应。在外力的作用下‚负泊松比泡沫的微孔单元通过肋的展开‚肋角的改变，肋的薄厚变化以及肋与肋之间的褶曲（flexure）、弯曲（bend）、铰链（hinge）作用来实现负泊松比效应。
四、负泊松比材料的性质
负泊松比材料的性质按其结构和功能可以分为：抗压性/抗冲击性、抗断裂性、曲面同性、渗透可变性及吸能隔振性。
（一）抗压性/抗冲击性
在局部冲击载荷作用下，传统正泊松比材料沿压力方向被压缩并沿垂直载荷方向向四周扩展。相反，如果对各向同性负泊松比材料施加同样的压力，材料竖向发生收缩的同时横向也会收缩，使材料向受冲击的区域汇集，材料的局部密度瞬间增大，具有抵抗压痕的效果。
（二）抗断裂性
研究发现负泊松比材料具有比传统材料更好的抗断裂性，并且负泊松比材料的裂纹更不易发展。人们通过试验研究发现，负泊松比层压板中裂缝发展需要更多的能量。与非负泊松比材料相比，负泊松比材料具有其几乎两倍的抗断裂性。同样地，负泊松比复合材料的抗断裂性几乎是传统复合材料的两倍。
（三）曲面同性
当对材料施加平面外弯矩时，会产生横向曲率.传统材料会产生马鞍形的变形，其横向曲率与弯曲主曲率方向相反。而负泊松比材料会产生拱形变形，其横向曲率与主曲率方向一致，这种拱形变性特征也称为曲面同向性.。对于纯弯作用下的板或者梁，在变形时若发生拱形变形可以有效的减轻损伤，这种罕见的特性在医疗领域也具有广泛的应用潜力。
（四）渗透可变性
大多数的负泊松比材料具有多孔微结构，利用其孔洞尺寸随外力作用发生变化的特性可制造过滤器，Alderson 等对负泊松比聚氨酯泡沫进行了玻璃珠传输试验，证实负泊松比过滤器与传统过滤器相比在大规模传输中的效率大大提高。
（五）吸能隔振性
吸能隔振是多孔材料的普遍优点，而负泊松比多孔材料由于其特殊的内部构造和特殊的变形特性较传统多孔材料更具优越性，可有效降低冲击力。在比较正泊松比蜂窝结构和负泊松比蜂窝结构在单向压缩下的应力应变曲线之后，可以发现，在加载初期，正泊松比蜂窝结构应力随应变呈线性增长，而负泊松比蜂窝结构的弹性模量逐渐增大，到了应力平台阶段，负泊松比蜂窝结构具有更高的应力平台，其应力- 应变曲线与横坐标轴的包络面积较大，表明负泊松比材料具有更优的吸能特性。
五、总结
负泊松比材料由于其具有的特殊性质，材料本身或其结构机制都有广泛的应用前景。首先泊松比材料可以直接用于某些特殊领域，如医疗、航空航天、国防等重要领域；其次负泊松比材料可与其他材料一起，用于提高材料本身的性能。但是负泊松比材料的制造成本仍然太高，在未来如何控制成本，研究更多、制备更多的负泊松比材料，是我们应当考虑的。
参考文献：
[1]史炜，杨伟，李忠明，谢邦互，杨鸣波.负泊松比材料研究进展[J].高分子通报，2003（06）：48-57.
[2]于靖军，谢岩，裴旭.负泊松比超材料研究进展[J].机械工程学报，2018，54（13）：1-14.
[3]杨呜波，阳霞，李忠明，冯建民.负泊松比材料的结构与性能[J].高分子材料科学与工程，2001（06）：15-18+24.
[4]任鑫，张相玉，谢亿民.负泊松比材料和结构的研究进展[J].力学学报，2019，51（03）：656-687.
[5]黄智，王万录，廖克俊，李正，冯庆，刘高斌.具有负泊松比材料的研究进展[J].材料导报，2002（10）：49-51.
作者简介：
吴忠坤，1997年出生，男，汉族，安徽合肥人，广州大学硕士研究生，研究方向：建筑与土木工程。