拉脹材料

拉脹材料

拉脹材料（Auxetics）也稱為負泊松比材料，是泊松比為負值的结构或材料[1]。一般材料在拉伸時，垂直于拉伸方向的部份會收縮。但拉脹材料在拉伸時，垂直拉伸方向的部份會膨脹，這是因為其特殊內部構造，以及在單軸施力下的形變方式有關。拉脹材料可能是單分子、晶體，或是特別的巨觀結構。

有拉脹特性的材料及結構多半會有高吸震及高斷裂抵抗的能力。拉脹材料可用在像防彈背心[2]、包裝材料、護膝及護肘、強健吸震材料及膠棉拖把。

歷史

auxetic一詞源自希腊文的αὐξητικός（auxetikos），意思是「傾向於增加」。這個詞是由艾希特大學的Ken Evans教授所創[3][4]。

由柏林的研究者K. Pietsch在1978年發明的RFS結構（鑽石摺疊結構），是首批人工合成的拉脹材料之一[5]，K. Pietsch沒有使用auxetic一詞，不過他第一個描述其底層的槓桿特性以及其非線性的力學特性，因此視為是拉脹網狀材料的發明者。 最早發表的負泊松常數論文是由A. G. Kolpakov在1985年提出《確認彈性網路的平均特性》（Determination of the average characteristics of elastic frameworks）。下一個有關合成拉脹材料的論文是在1987年的《科學》期刊，標題是《負泊松比的泡沬結構》（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一詞的使用大約是在1991年開始[7]。在1985年開始發表用週期性凹六邊形單元（有負泊松比特性）建構複合結構的設計[8][9][10][11]。

特性

有拉脹材料的鞋子，在走路或跑步時其大小會改變

一般而言，拉脹材料是低密度的物質，因此其中允許有類似槓桿，可以變形的拉脹微結構[12]。

巨觀下，拉脹特性可以用非弹性的弦繞在弹性的繩子上來說明。當結構的末端受力拉開時，非弹性的弦伸直，弹性繩伸展並繞在其周圍，因此增加了結構的有效體積。巨觀下的拉脹特性也可以用來開發有強化機能的產品，例如由Grima及Evans開發，以拉脹可旋轉三角形結構為基礎的鞋子[13][14][15]

常見的拉脹材料

以下一些拉脹材料的例子：

• 拉脹聚氨酯泡沫[16][17]。
• α-方矽石（英语：Cristobalite）[18]。
• 特定的岩石及礦物[19]。
• 石墨烯，可以透過引入晶格空位使其有拉脹性[20][21]。
• 活的動物骨骼組織（這個只是推測）[19]。
• 在正常運動範圍內的肌腱[22]。
• 特殊的聚四氟乙烯聚合物，例如Gore-Tex[23]。
• 一些特殊的紙張。若紙張在平行紙面的方向受力拉伸，由於其網狀的結構，其厚度也會增加[24][25]
• 一些摺紙形成的結構，例如鑽石摺疊結構（Diamond-Folding-Structure、也簡稱為RFS）、人字纹（英语：Herringbone pattern）摺疊結構（FFS）或是三浦摺疊[26][27]，或是由這些摺疊衍生的週期性圖案[28][29]。
• 一些為呈現負泊松比而設計的特製結構[30][31]。
• 鏈狀有機分子。近期的研究發現像是n-烷烃或是類似結構的有機晶體可能會有拉脹特性[32]。
• 加工過的針刺不織布。因為其纖維的網狀結構，應用熱和壓力的加工方案可以讓不織布具有拉脹特性[33][34]。

木栓不是拉脹材料，但其泊松比幾乎為0，因此適合用來作酒瓶的瓶塞[35][36]

相關條目

• 聲學超材料（英语：Acoustic metamaterials）
• 力學超材料（英语：Mechanical metamaterials）
• 超材料
• Zetix（英语：Zetix），一種已商品化的拉脹材料
• 六角平行多邊形

參考資料

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%. 科技新報. 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. 
9. Almgren, R.F. An isotropic three-dimensional structure with Poisson's ratio=-1. Journal of Elasticity. 1985, 15 (4): 427–430. doi:10.1007/bf00042531. 
10. Theocaris, P.S.; Stavroulakis, G.E.; Panagiotopoulos, P.D. Negative Poisson's ratio in composites with star-shaped inclusions: a numerical homogenization approach .. Archive of Applied Mechanics. 1997, 67 (4): 274–286. Bibcode:1997AAM....67..274T. doi:10.1007/s004190050117. 
11. Theocaris, P.S.; Stavroulakis, G.E. The homogenization method for the study of variation of Poisson's ratio in fiber composites. Archive of Applied Mechanics. 1998, 69 (3–4): 281–295. Bibcode:1998AAM....68..281T. doi:10.1007/s004190050165. 
12. A stretch of the imagination - 7 June 1997 - New Scientist Space. [2019-08-07]. （原始内容存档于2015-05-01）. 
13. Grima, JN; Evans, KE. Auxetic behavior from rotating squares. Journal of Materials Science Letters. 2000, 19 (17): 1563–1565. doi:10.1023/A:1006781224002. 
14. Grima, JN; Evans, KE. Auxetic behavior from rotating triangles. Journal of Materials Science. 2006, 41 (10): 3193–3196. Bibcode:2006JMatS..41.3193G. doi:10.1007/s10853-006-6339-8. 
15. Nike Free 2016 product press release. （原始内容存档于2018-11-05）. 
16. Li, Yan; Zeng, Changchun. On the successful fabrication of auxetic polyurethane foams: Materials requirement, processing strategy and conversion mechanism. Polymer. 2016, 87: 98–107. doi:10.1016/j.polymer.2016.01.076. 
17. Li, Yan; Zeng, Changchun. Room‐Temperature, Near‐Instantaneous Fabrication of Auxetic Materials with Constant Poisson's Ratio over Large Deformation. Advanced Materials. 2016, 28 (14): 2822–2826. PMID 26861805. doi:10.1002/adma.201505650. 
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外部連結

• Materials with negative Poisson's ratio （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• Auxetic foam in youtube （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• General Information about Auxetic Materials