[发明专利]一种仿生负泊松比材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于功能高分子泡沫材料，涉及材料的胞体结构和排列方式以及力学性能，特别涉及仿生负泊松比材料及其制备方法。

背景技术

泊松比(v)是材料的一种力学性能。法国数学家西蒙·泊松将它定义为：材料的横向应变(ε_x)与纵向应变(ε_y)之负商。用公式表示

v＝-ε_x/ε_y    (1)

根据这一定义，通常，我们见到的大多数材料具有正的泊松比，因为它们受到拉伸时就像拉伸一根弹性皮条那样横向变细，压缩时就像压缩一块橡皮那样横向膨胀。然而，也存在有少数负泊松比材料，现在常称其为拉胀材料(auxetic materials)。这类材料有着新颖的变形性：拉伸时其横向不是变细而是变粗，压缩时其横向不是膨胀而是收缩。在日常生活中，这类材料很少见到。

受负泊松比的影响，这类材料的一些力学性能优于非拉胀材料，包括抗凹陷能力、损坏抵抗力、冲击吸收力、损坏允许公差、平面应变破坏强度、回弹力、剪切模量等。这些优异的力学性能使其展示出广泛而诱人的应用前景。如，改变应力可以改变拉胀材料孔隙的透过性，使其成为潜在的智能过滤材料；又如，用拉胀材料制成的人造血管，因血液流过时产生的切应力作用而变厚，其使用寿命大大提高；当将它应用在海底电缆的外包装、车辆保险杠、道路缓冲装置时，其安全性和耐用性都将高于正泊松比材料。诸如此类的应用还将出现在火箭、飞机、隔音设备、电子产品等等众多产业，有些还可能是非拉胀材料不可替代的。因此，改变通用高分子材料的泊松比可以使其功能化或高性能化。

1987年Lakes教授在Science上发表文章，介绍了首次人工制备的负泊松比聚氨酯泡沫塑料，之后，拉胀材料的研究得到了迅速发展。目前，人们通过不同的方法制备出一些拉胀材料，如：胞体聚四氟乙烯、超高分子聚乙烯、液晶高分子、金属泡沫等。在自然界，人和动物及矿物中的拉胀现象也被发现，如：人腿多孔骨、猫皮、α-方晶石等。人们通过对所获得的拉胀材料的研究，发现材料的拉胀性主要是由于材料内部特殊的微结构(即拉胀结构)决定的。

现已发现或设计出多种拉胀结构，如凹蜂巢结构、纤束-节点结构、键连砖块结构等等。分析这些不同的拉胀结构，你会发现它们有着共同的特点：它们的结构均一，其基本单元(单个胞体或几个胞体的组合)本身就具有拉胀意义。如图1所示的几种拉胀结构的拉胀机理。

关于植物的拉胀现象至今未见报道。组成植物的细胞多为一些非凹陷的常规形状，由这些常规形状组成的材料通常不具有拉胀性。如，由类蜂巢结构组成的软木塞，由立柱状结构组成的轻质木材等，它们的泊松比均不为负值。然而，我们在对向日葵杆泡沫芯(向日葵杆的结构示意图见图2)进行径向压缩时，却意外地看到垂直于受力方向发生了收缩现象(压缩卸载后的样品光学照片见图3)。进一步测试发现，其泊松比效应在0＜ε_x＜80％的测试范围内均有存在，泊松比与压缩应变关系图见图4。

研究表明，向日葵杆泡沫芯结构，是一种复合结构。它由内外两部分组成，从横切面观察，中心(其直径占整个泡沫芯直径的1/3～2/3)是比较规则的六角蜂巢结构(其电镜照片见图5a、c)，而外围是由拉长的六角胞体组成(其电镜照片见图5a、d)，这些胞体由内到外，仅是沿径向逐渐伸长(其电镜照片见图5a、b)，形成了中心对称的发散状结构(计算机模拟的整体结构见图6)。可以看到：它没有凹陷的胞体，且基本单元——单个胞体或几个胞体的组合本身也不具拉胀性。这是它的显著结构特征，区别于文献已报道的各种拉胀结构。

进一步研究表明，向日葵杆泡沫芯表现出负泊松比的主要原因，是材料的径向杨氏模量远大于切向，且杨氏模量沿径向的梯度递增对负泊松比的产生有较好的协同作用。材料的这些特性，主要取决于外围胞体的长细比、排列方式及取向度。另外，单纯的中心胞体没有负泊松比。

经测试，向日葵杆外围泡沫芯的径向杨氏模量是切向或轴向的5～6倍，是中心的2倍，且由中心向外沿径向呈梯度递增，半径每增加3mm，径向杨氏模量与切向杨氏模量的比就提高1倍。测试结果见表1。成分分析及微观结构研究表明，内外泡沫的主要成分——纤维素、半纤维素、木质素，以及相对结晶度和平均微纤丝角没有明显差异，壁厚等也未有明显改变。这表明内外杨氏模量的变化主要来自胞体的几何结构和排列方式。

表1.不同样品的平均力学性能

表中数据均为5个样品的平均值。样品的大小为6mm³的正方体，由中心向外半径增加的梯度是3mm。