作为材料的弹性参数之一,泊松比(Poisson’s Ratio)定义为加载时横向应变与纵向应变比率的负数。自两个世纪前法国科学家泊松提出这个概念以来,泊松比与弹性模量作为材料的基础弹性参数,为衡量材料结构受载能力与形变提供了基本度量。
大部分工程材料的泊松比为正值,介于0和0.5之间,即受拉时横向收缩。然而近年来的研究表明,通过微结构的设计可实现负泊松比材料,在拉伸时其横向反常膨胀(图1),故亦称拉胀材料。此类材料作为负系数材料的分支,被认为可以强化材料力学性能,例如提高剪切模量、增大压痕阻力、甚至自修补等等,因而在在军事和民用功能材料中具有广阔应用前景。
最近,清华大学、武汉大学、德克萨斯大学的科研人员合作研究发现,高强度的石墨烯薄膜(抗拉强度约400 MPa)也具有面内负泊松比现象。基于实验表征数据的力学模型指出石墨烯薄膜具有多层级结构特征:单层石墨烯局部聚集成密排片层,密排片层进一步弯曲、折叠、起皱形成复杂网络结构。模型分析揭示了载荷作用下微结构的演化规律及其负泊松比行为的物理机制,即沿加载方向的密排片层受拉发生取向改变,进而导致材料厚度方向褶皱被抑制,最终表现为横向膨胀。基于对微结构及其演化规律的理解,实验提出并验证了通过湿环境下预应力加载改变材料结构进而在较大范围内调控负泊松比(-0.25~-0.55)的方法。原位拉曼表征与力学模型分析一致表明,材料的负泊松比取决于密排片层的取向度,而理论预测通过微结构调控材料所得面内负泊松比下限为-1,这本质上是源于该材料面内弹性各向同性的约束。
图1 具有可调负泊松比的石墨烯薄膜。
该工作不仅给出了石墨烯薄膜材料多层级微结构及其演化规律的力学理解,也为设计、制备高性能、多功能负泊松比薄膜材料提供了新思路。论文日前发表于Nature Communications期刊, 清华大学博士研究生温烨烨、武汉大学副研究员高恩来、德克萨斯大学博士后胡振兴为共同第一作者,清华大学教授徐志平、李春为共同通讯作者。参与该工作的还有德克萨斯大学机械系鲁红兵教授,徐廷戈博士。该工作受到了国家自然科学基金委、武汉大学和美国国家科学基金会资助。
理论模型解释了负泊松比(NPR)行为的机理
版权与免责声明:
(1) 凡本网注明"来源:颗粒在线"的所有作品,版权均属于颗粒在线,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用上述作品。已获本网授权的作品,应在授权范围内使用,并注明"来源:颗粒在线"。违反上述声明者,本网将追究相关法律责任。
(2)本网凡注明"来源:xxx(非颗粒在线)"的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责,且不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网下载使用,必须保留本网注明的"稿件来源",并自负版权等法律责任。
(3)如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。