现代功能材料中的负泊松比现象

作为基本的弹性变量,泊松比(Poisson’s ratio)定义为在垂直与加载方向与加载方向之间的形变量比值。它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,为衡量材料受力下的弹性形变提供了最基本的度量标准,并在材料和力学等领域得到广泛的应用。

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200多年前法国科学家泊松最先提出和指出这个概念以来,泊松比作为力学领域的基础参数之一,一直是衡量材料形变的一项重要指标。同时泊松比与材料的其他力学性能密切关联,比如杨氏模量和体积模量。所以泊松比数值(大小)直接影响材料的力学相关性能。但日常生活和实验结果表明自然界中绝大部分材料表现出正泊松比(0~0.5)。近年,负泊松比(是指材料在拉伸时其侧面会反常地膨胀,或者被压缩使该材料膨胀 Negative Poisson’s ratio(NPR)),也开始广受关注,成为负系数材料的重要一支。相对于传统具有正泊松比的材料,负泊松比材料能大大强化力学性能:能增强材料的剪切模量、增加平面应变断裂韧性、增大压痕阻力、甚至损失后可以自修补等等。基于这些优异的性能,负泊松比材料在功能材料中扮演重要的角色,在航空、军事、机械材料、传感器等行业具有广泛应用的一个领域。

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最近南方科技大学物理系陈朗和深圳大学材料学院黄传威合作,综述了负泊松比材料的研究进展,包括负泊松比材料理论研究、天然和人工制备,特别是当前各类热门材料(包括生物材料,有机大分子材料,3-D打印材料,金属有机骨架材料和碳纳米管、黑磷以及诸多电子氧化物外延薄膜等低维材料)的负泊松比现象。分析了负泊松比材料所具备的几何/内在晶体结构,确定材料结构-负泊松比特性之间的关系。探索泊松比随材料结构和外界环境(温度和压强)的可变性,通过比较各类调控方式,寻找负泊松比材料,并对未来负泊松比材料的力学性能研究及应用进行了展望。
通过回顾这些工作,作者强调了材料泊松比随结构/外场的可变性,尽管这是探索负泊松比的最有效手段之一,而这点往往被大家忽略(通常认为某类材料的泊松比是常数)。我们相信,可调控的负泊松比现象将会为新材料的研究打开了一扇窗户,并为基于负泊松比的力学相关材料提供新的思路和发展。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201601363)上。