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拉胀材料

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拉胀材料

拉胀材料（Auxetics）也称为负泊松比材料，是泊松比为负值的结构或材料[1]。一般材料在拉伸时，垂直于拉伸方向的部分会收缩。但拉胀材料在拉伸时，垂直拉伸方向的部分会膨胀，这是因为其特殊内部构造，以及在单轴施力下的形变方式有关。拉胀材料可能是单分子、晶体，或是特别的巨观结构。

有拉胀特性的材料及结构多半会有高吸震及高断裂抵抗的能力。拉胀材料可用在像防弹背心[2]、包装材料、护膝及护肘、强健吸震材料及胶棉拖把。

历史

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auxetic一词源自希腊文的αὐξητικός（auxetikos），意思是“倾向于增加”。这个词是由艾希特大学的Ken Evans教授所创[3][4]。

由柏林的研究者K. Pietsch在1978年发明的RFS结构（钻石折叠结构），是首批人工合成的拉胀材料之一[5]，K. Pietsch没有使用auxetic一词，不过他第一个描述其底层的杠杆特性以及其非线性的力学特性，因此视为是拉胀网状材料的发明者。 最早发表的负泊松常数论文是由A. G. Kolpakov在1985年提出《确认弹性网络的平均特性》（Determination of the average characteristics of elastic frameworks）。下一个有关合成拉胀材料的论文是在1987年的《科学》期刊，标题是《负泊松比的泡沬结构》（Foam structures with a Negative Poisson's Ratio）[6]，是威斯康星大学麦迪逊分校的R.S. Lakes所提出。auxetic一词的使用大约是在1991年开始[7]。在1985年开始发表用周期性凹六边形单元（有负泊松比特性）建构复合结构的设计[8][9][10][11]。

特性

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有拉胀材料的鞋子，在走路或跑步时其大小会改变

一般而言，拉胀材料是低密度的物质，因此其中允许有类似杠杆，可以变形的拉胀微结构[12]。

巨观下，拉胀特性可以用非弹性的弦绕在弹性的绳子上来说明。当结构的末端受力拉开时，非弹性的弦伸直，弹性绳伸展并绕在其周围，因此增加了结构的有效体积。巨观下的拉胀特性也可以用来开发有强化机能的产品，例如由Grima及Evans开发，以拉胀可旋转三角形结构为基础的鞋子[13][14][15]

常见的拉胀材料

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以下一些拉胀材料的例子：

  • 拉胀聚氨酯泡沫[16][17]。
  • α-方硅石（英语：Cristobalite）[18]。
  • 特定的岩石及矿物[19]。
  • 石墨烯，可以透过引入晶格空位使其有拉胀性[20][21]。
  • 活的动物骨骼组织（这个只是推测）[19]。
  • 在正常运动范围内的肌腱[22]。
  • 特殊的聚四氟乙烯聚合物，例如Gore-Tex[23]。
  • 一些特殊的纸张。若纸张在平行纸面的方向受力拉伸，由于其网状的结构，其厚度也会增加[24][25]
  • 一些折纸形成的结构，例如钻石折叠结构（Diamond-Folding-Structure、也简称为RFS）、人字纹（英语：Herringbone pattern）折叠结构（FFS）或是三浦折叠[26][27]，或是由这些折叠衍生的周期性图案[28][29]。
  • 一些为呈现负泊松比而设计的特制结构[30][31]。
  • 链状有机分子。近期的研究发现像是n-烷烃或是类似结构的有机晶体可能会有拉胀特性[32]。
  • 加工过的针刺不织布。因为其纤维的网状结构，应用热和压力的加工方案可以让不织布具有拉胀特性[33][34]。

木栓不是拉胀材料，但其泊松比几乎为0，因此适合用来作酒瓶的瓶塞[35][36]

相关条目

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参考资料

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  1. ^ Nana Ho. 柚子帽是真的！BMW 參考柚子皮結構做防護配件，保護性能提升 20%. 科技新报. 2017-10-04 [2019-08-08]. （原始内容存档于2019-08-07）. 
  2. ^ Hook's law. The Economist. 2012-12-01 [2013-03-01]. （原始内容存档于2013-02-28）. 
  3. ^ Quinion, Michael, Auxetic, 1996-11-09 [2009-01-02], （原始内容存档于2009-02-17） .
  4. ^ Evans, Ken, Auxetic polymers: a new range of materials., Endeavour, 1991, 15 (4): 170–174, doi:10.1016/0160-9327(91)90123-S .
  5. ^ RFS-Struktur (Rauten-Falt-Struktur) （页面存档备份，存于互联网档案馆）, In: Materialblog.de
  6. ^ Lakes, R.S., Foam structures with a negative Poisson's ratio, Science, 1987-02-27, 235 (4792): 1038–40, Bibcode:1987Sci...235.1038L, PMID 17782252, doi:10.1126/science.235.4792.1038. 
  7. ^ Evans, Ken, Auxetic polymers: a new range of materials, Endeavour, 1991, 15 (4): 170–174, doi:10.1016/0160-9327(91)90123-S .
  8. ^ Kolpakov, A.G. Determination of the average characteristics of elastic frameworks. Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 1985, 49 (6): 739–745. Bibcode:1985JApMM..49..739K. doi:10.1016/0021-8928(85)90011-5. 
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外部链接

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