越拉越粗??？“拉脹材料”的奇妙效應

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

材料的特殊性能決定了它們的應用價值。因此具有負泊松比的“拉脹材料”很早就引起了大家的關注。它在受壓時材料/結構向內部聚集，瞬時密度增大，外部表現出較高的剛度?？衫闷涮岣叩募羟心Ａ?、抗斷裂性能、回彈韌性以及抗缺口性來避免材料在受到外界沖擊力時的應力集中[1]，換句話講，與橡膠、鋼材等傳統材料不同，它不會因為拉伸而變“弱”，而是非常擅長吸收能量。因此，利用拉脹材料的吸收能量和抗斷裂的能力，人們已經在很多領域利用它達到不同的“效果”。

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

拉脹材料在機械載荷下其內部孔徑可以同向放大或縮小，將其用于航天器的過濾器可以通過控制孔徑將孔中的物質及時清理，可補償由于過濾器結垢、沖洗或改變過濾器或催化劑結構的響應而引起的壓降增加[2]。并且，其“拉脹”變形結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。

在國防領域中，拉脹材料對力的傳輸和反射具有較強的干擾作用，因此可以用來在受到強烈驟變的外力時有效分散或降低應力，這樣可以具有更好的保護效果。因此它們可以用來作為防彈衣、子彈和彈殼使用。拉脹防彈層可吸收彈頭或彈片的動能，對低速彈頭或彈片有明顯的防護效果，在控制一定的凹陷情況下可減輕對人體胸、腹部的傷害[3]。

此外，在聲學領域，相比普通泡沫，負泊松比材料具有特殊的彈性和對聲音的吸收能力，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進行隔音[4]。

最后，在生物醫(yī)學領域，拉脹材料的多孔結構可為細胞遷移和營養(yǎng)物質傳輸提供空間，同時其同向壓縮變形可以高效率為細胞傳遞應力刺激，促進細胞增殖、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節(jié)的曲率吻合，這與人體骨組織的工程學結構完美呼應，可以作為傳統多孔結構的增強替代品來進行骨組織支架的應用[5]。此外，它還具有良好的機械強度和穩(wěn)定性，在提高支架孔隙率的同時可以有足夠的強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?、動脈支架、人造椎間盤、智能繃帶和脊柱植入物等等。

作品來源

本作品是在中國科協生物力學科學傳播專家團隊、中國生物材料學會生物力學科學傳播團隊樊瑜波教授、王麗珍教授指導下完成。

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)學工程高精尖創(chuàng)新中心科普教育基地、中國生物材料學會材料生物力學分會

資助

本作品由中國生物材料學會精品科普項目資助

參考文獻：

[1] 任鑫, 張相玉. 負泊松比材料和結構的研究進展 [J]. 力學學報, 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. 負泊松比針織結構及其應用 [J]. 紡織導報, 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.

[5] Lakes R. Foam structures with a negative poisson's ratio [J]. Science, 1987, 235: 1038-1040.