２０１８．１１科学技术创新 一７一
拉胀型结构变形特性 的研究
李 卓然 （山西省 交通科 学研 究院 ，山西 太原 ０３０００６）
摘 要 ：拉胀型材料具有拉伸 时，出至于拉伸方向的横截面面积变大的特性。这一独特的材料特性归结于材料 中独特的结构 单元 体 ，这 也 意味 着这 种结 构单元 会在 结构 工程 中产 生千 变万化 的 应 用。为 了使 这 种单 元得 以应 用 ，本 文对 于拉胀 型 单元 结构进
图 １ 在拉 伸 状态 下非 拉胀 型材 料和 拉胀 型材 料 的变形
候 ，材 料变 形后 的形状 不 会发 生改 变旧。 拉胀 型 材料 其 中一 种提 高 了 的结构 性 能就 是 提升 了压 陷 阻
目前拉胀型材料主要 由以下四种单元体构成ｆ８１，如图 ２所 力 。当材料 受 到撞击 的时候 ，对 于非拉 胀 型材料 ，造成 材料 横 向
垂 直 于材 料拉 伸方 向的横截 面会 变 大这 一特 性【１］。随后 ，Ｌｏｖｅ在
１９２８年发现 了负泊松比材料存在的证据，即为黄铁矿 田。这种
具有 负泊松比性质的材料被命名为“拉胀型材料”翻。接下来 ，更
多 的拉 胀 型材 料被 发掘 ，例 如单 晶体 和磁 性 薄膜嘲。与 此 同时 ，
也 有 一 些 生 物材 料 同样 存 在这 种 拉 胀 性 质 ，比如猫 皮 肤 ［６１和 牛
乳头 皮 肤 。泊 松 比的定 义 为 ｖ＝一ｓ／ｓｉ。其 中 ８。是 横 向应变 ￡ｉ是
纵 向应 变 。泊 松 比体 现 了当物体 进行 拉 伸或 者压 缩变 形 的时候
一
横截 面 的 改变 如 图 ｌ（ｂ）。
行 了研 究 。 关键 词 ：拉 胀型 材料 ；负泊松 比 ；内凹六边 形 ，结构 单元 体 ；各 向异性 ；结构 应 用
Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｕｘｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｈａｔ， ｗｈｅｎ ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ， ｔｈｅｙ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ，ｒａｔｈｅｒ ｔｈａｎ ｃｏｎ－
可 以负无 限小ｌｌｏｌ。一 些各 向异性 的复 合 和层 压制 品例如 塑料 和
碳 纤 维 ，可 以在 不 同变形 方 向具 有 正 负 两 种泊 松 比值 ，而 且 在
一 些情 况下 ，泊松 比的 比值 可 以大 于 ０．５，也 可 以小 于一１…１。
对 于 一１＜ ｖ＜０．５，泊 松 比 的上 限值 ｖ＝Ｏ．５意 味着 材料 变 形
』．． 一 ．．． 』．．． ．．
一
（１）内凹六边形单元体 ；（２）一边凹陷的三角形 ；（㈧３）－ Ｔ－－性蜂窝结构 ；（４）拉胀型分
子 的 液 晶 聚 合 物
图 ２ 拉胀 型材 料 的结构 单 下 限 ，意 味着 泊松 比值
ｔｒａｃｔｉｏｎ，ｉｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｎｏｖｅｌ ｂｅｈａｖｉｏｕｒ ｏｆ ａｎ ａｕｘｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｄｕｅ ｔｏ ｔｈｅ ｕｎｉｑｕｅ
ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａｌ；ｉｔ ｉｓ ａｎｔｉｃｉｐａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅｒｅ ｗｉｌｌ ｂｅ ａ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅｓｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｉｎ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ
ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ． Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｐｐｌｙ ｔｈｅ ａｕｘｅｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｕｘｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ａｕｘｅｔｉｃ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｍｕｓｔ ｂｅ
ｓｔｕｄｉｅｄ．
Ｋ ｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ａｕｘｅｔｉｃ ｍａｔｅｒｉａｌ；Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｐｏｉｓｓｏｎ’Ｓ ｒａｔｉｏ；Ｓｔｒｕ ｃｔｕｒｅ ｃｅ１１；Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ；Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
后的体积会保持不变 ，例如泊松 比比值为 ０．５的橡胶 ，它几乎是
不可被压缩的［９１。对于泊松比值小于 ０．５的材料，当材料变形时 ，
材 料 的 体积 会 增 加 。例如 被 熟 知 的被 用 于 密 封酒 瓶 的软 木 材
（ｂ）拉胀型材料
料 ，是～种几乎 ０泊松 比的材料 ，当它被施予轴 向荷载的时候 可以是它轻易地被拔出或者塞进酒瓶里面㈦。当 ｖ＝一１的时
中图 分类 号 ：ＴＵ９７３＋．２３
文献 标识 码 ：Ａ
文章编 号 ：２０９６—４３９０（２０１８）１１－０００７—０５
自然界 大 部分 材料 的泊 松 比在 ０．２到 ０．５之 间 ，通 常状 况 下
当材料被拉伸的时候 ，垂直于材料拉伸方 向的横截面会变小 ，
如 图 １ｆａ１所示 。然而 Ｓａｉｎｔ—Ｖｅｎａｎｔ提 出会 有某 种材 料拉 伸 的时 ，
图 ３
示 。
“流动”以及受撞击区域下材料密度增加 ，结果造成了材料硬度
１ 拉胀 型 材料 的特 性
的下降。但是对于拉胀型材料 ，对于拉胀型材料 ，撞击造成 了周
基 于热力 学 理论 的弹性应 变 能 ，表 明对 于 各 向同性 材 料也 围 区域 材 料 的膨 胀 ，这 一 行 为 导致 了撞 击 下 部 的 材料 密度 增 就是均质性材料 ，泊松 比的值可以介于一１到 ０．５之间［９１。对于各 加 。结 果 ，材料 的硬 度 （压 陷 阻力 ，Ｈ）增 加 以抵 抗撞 击 。
一 ８一 科 学技 术创新 ２０１８．１１
非 拉 胀 型 材料
拉 胀型 材料
率● （ａ）
（ｂ）
Ｄ
（ａ）非拉胀型材料和拉胀型材料在受到撞击时候 的变形图，表 明硬度 （压 陷阻
力 。Ｈ）的提升㈣。（ｂ）拉胀型材料抵抗撞击时候结构 单元的变形和移动 图 图 ６ 一 种二 维 内凹拉 胀型 分 子结构 ，结构 被标 示 为 （１，４）［９１