越拉越粗?。俊袄洸牧稀钡钠婷钚?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。它在受壓時材料/結(jié)構(gòu)向內(nèi)部聚集，瞬時密度增大，外部表現(xiàn)出較高的剛度?？衫闷涮岣叩募羟心Ａ俊⒖箶嗔研阅?、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(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(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(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濾器可以通過控制孔徑將孔中的物質(zhì)及時清理，可補償由于過濾器結(jié)垢、沖洗或改變過濾器或催化劑結(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。

在國防領(lǐng)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(yīng)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(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(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)胞遷移和營養(yǎng)物質(zhì)傳輸提供空間，同時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)的增強替代品來進(jìn)行骨組織支架的應(yīng)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(xié)生物力學(xué)科學(xué)傳播專家團隊、中國生物材料學(xué)會生物力學(xué)科學(xué)傳播團隊樊瑜波教授、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、中國生物材料學(xué)會材料生物力學(xué)分會

資助

本作品由中國生物材料學(xué)會精品科普項目資助

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, 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, 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.