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【科普】负泊松比热塑性树脂设计
来源:公众号:高分子先进智造 | 作者: 高分子先进智造 | 发布时间: 2021-10-28 | 81 次浏览 | 分享到:

公众号:高分子先进智造




负泊松比(Negative Poisson’s Ratio)效应是指受拉伸时,材料在弹性范围内横向发生膨胀,而受压缩时,材料的横向反而发生收缩。这种现象在热力学上是可能的,但通常材料中并没有普遍观察到负泊松比效应的存在。近年来发现的一些特殊结构的材料具有负泊松比效应。由于其奇特的性能而倍受广泛关注。


负泊松比热塑性材料机理

负泊松比材料具有一些特殊的性质,具体表现在弹性模量与切变模量、压痕阻力、能量吸收等方面。材料的弹性模量E 和切变模量G 与泊松比υ密切相关,其关系如下图所示。当泊松比由正变负时,抗剪能力显著提高。尤其当泊松比为-1 时,切变模量远远超过弹性模量。此时,材料将变得极易可压缩,但难以剪切。值得注意的是,负泊松比材料的弹性模量并不总是恒定的,还受密度比和体积变化率的影响。一般而言,当材料处于拉伸状态时,弹性模量随体积压缩比的增大而减小;处于压缩状态时,弹性模量随体积压缩比的增大而增大。通俗来讲,负泊松比材料受压时材料向内部聚集,瞬时密度增大,外部表现出较高的刚度。




其中:εj表示横向应变收缩,εi表示纵向应变收缩。j, i表示相互垂直的坐标轴。





负泊松比热塑性材料性能优势

负泊松比材料作为一种新材料具有众多的优越性能,比如剪切模量大、不易产生压陷凹痕、断裂韧性好、耐疲劳和吸能率高等。较高的剪切模量,使得负泊松比泡沫更适合作飞机机身蒙皮泡沫夹芯结构的填充材料,可以在减轻机身重量的同时抵抗机身蒙皮承受较高扭转载荷时造成的剪切破坏。耐疲劳和较高的吸能率,使得负泊松比泡沫在汽车保险杠、电器包装等方面具有明显的优势,而且成本低。负泊松比材料由于承受压缩载荷时横向会发生收缩,所以当物体与负泊松比材料接触时,接触点附近的负泊松比材料会向物体汇聚,从而使接触点局部密度增加,出现硬化现象,不易产生压陷凹痕。



    

负泊松比热塑性材料结构 

加工过的聚四氟乙烯(PTFE)的微孔聚合物结构盘状结构和原纤维具有高度的各向异性,泊松比为负,在施加的载荷下,是由于相互连接的结节和纤维组成的网络。




超高分子量聚乙烯(UHMWPE)挤压工艺可以实现结节-原纤结构。结节扩张横向和原纤维被推开的同时产生较大的负泊松比的值。




PP/PTFE/EVA共混,实现互穿网络不相容结构,拉伸过程中,空洞放大实现负泊松比效应。



             


     

展望

目前负泊松比热塑性材料还处在开发阶段,主要是应用效果不明显或者力学性能较差,没有稳定的生产设备和工艺,也没有建立起应用评价规范。我司开发基于拉伸流变的共混设备,加工上实现加工易分解、难加工高分子材料,功能上实现更大程度上的取向排布和互穿排布。因此拉伸流变共混设备对热塑性材料的微结构具有协同调整作用,将为负泊松比热塑性材料的开发带来积极的信号。









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