[科普中国]-拉胀高分子

拉胀高分子（auxetic polymer）是指具有受拉伸时其垂直方向膨胀（拉胀性）和（或）受挤压是垂直方向收缩（挤缩性）的力学性能的高分子化合物。是一种负泊松比（横向变形系数）材料。1

简介自然界的大多数材料具有正泊松比，即它们受到拉伸时横截面面积将变小，而受到压缩时横截面面积将增大2。与之相反，拉胀材料是具有负泊松比的材料，具有受拉时其垂直方向膨胀和（或）受挤压时收缩的力学特性，即拉胀性。负泊松比的发现最早可追溯到19世纪下叶，Voigt利用经典弹性理论计算得出立体对称的黄铁矿具有- 1/7的泊松比。20世纪80年代以来，随着对拉胀性及这一性质所导致的材料其它一些性质改善的深入认识，拉胀材料的相关研究变得日益活跃。2004年和2008年分别在波兰和英国召开了第一届和第二届拉胀材料国际会议，Physica Status Solidi B为此两次专门开辟了专栏刊载相关论文。在拉胀材料的报道中，虽然拉胀金属和拉胀陶瓷也有报道，但以拉胀高分子材料的报道居多。

“拉胀”一词意为“受拉膨胀”。1987年，美国R.莱克斯通通过简单加工方法制备出世界上第一个拉胀材料——泊松比在-0.7左右的接近各项同性的聚氨酯泡沫塑料。拉胀高分子作为新型的结构和功能材料，在品种和产量上已初具规模，如杨氏模量在0.2GPa左右的拉胀超高分子量聚乙烯、以拉胀聚氨酯泡沫塑料为夹心层的三明治复合板，以及拉胀聚酯滤网等。从分子水平上合成出高强、高模拉胀高分子，并以高分子亚稳态理论阐明其拉胀机制，正受到重视。1

拉胀高分子材料的种类泡沫聚合物1987年，美国学者Lakes将普通聚氨酯泡沫放入铝制模具中，进行三维压缩后再对其进行加热、冷却和松弛处理，制成了泊松比为-0.7的拉胀聚氨酯泡沫，这是世界上第一个人工制造的拉胀泡沫塑料。自此，拉胀泡沫的研究开始活跃起来。例如，Martz等把低密度聚乙烯泡沫放入一个特定设计的圆筒形密闭室内，用烘箱提供辅助加热，同时加热和加压一定时间，之后抽真空保持一段时间，再引入空气使其变回常压（即大气压），可使聚乙烯泡沫产生负泊松比的凹型结构。

微孔聚合物1989年，Evans和Caddock在研究多孔聚四氟乙烯的性能时发现负泊松比效应的存在，并提出这种拉胀聚四氟乙烯具有节点-微纤的微结构，微结构是由节点通过微纤相互连接而成，其复杂的微结构导致产生拉胀效应。聚四氟乙烯拉胀效应的研究揭示：其它聚合物可通过特殊加工方法，使其具有类似聚四氟乙烯的微结构，从而呈现出负泊松比效应。目前，该方法已成功应用于制造拉胀超高分子量聚乙烯、聚丙烯、尼龙和涤纶。有学者以柔软的高分子做连续相,软刚性高分子做分散相，制得了泊松比小至- 9的拉胀共混聚烯烃材料。

拉胀纤维2002年，Alderson等利用聚丙烯在159℃、螺杆转速10 r/min（1.05 rad/s）和卷绕速度2 m/min（0.03m/s）下挤出的熔融纺丝工艺，将聚丙烯制成最早的拉胀纤维，该纤维泊松比为- 0.6± 0.05。2005年，Ravirala等在拉胀聚丙烯纤维的基础上成功制备了拉胀涤纶纤维和拉胀尼龙纤维。涤纶纤维在225℃、螺杆转速5 r/min（0.525 rap/s）和卷绕速度5 m/min（0.075 m/s）下能获得拉胀性；而尼龙纤维在195℃、螺杆转速10 r/min（1.05 rad/s、）和卷绕速度2m/min（0.03m/s）下也能获得拉胀性。

复合材料拉胀复合材料可分为两类。第一类是由普通材料通过内部结构的特别设计形成的拉胀复合材料；另一类制作拉胀复合材料的办法就是引入负泊松比纤维来增强。众所周知，复合材料最脆弱的部分在基体与纤维的界面处，而纤维拔出是纤维增强复合材料主要的失效机理。Evans的研究表明，拉胀纤维可延缓纤维的拔出，因为拉胀纤维通过合理匹配基体与纤维的泊松比能够保持其界面，使纤维在拔出时发生径向膨胀，从而与基体有效地锁死因而不被轻易拔出。2005年，Alderson等对利用拉胀纤维提高纤维拔出力的概念进行了验证，与使用正泊松比纤维的试件相比，拉胀纤维锁死机理使试件能够承受的最大荷载提高了2倍。

拉胀机理研究表明，拉胀材料所具有的独特性能取决于其特殊的微观结构，为此科学家们对拉胀材料的微观结构与形变机理做了大量的工作，根据材料类型的不同，提出了几种解释负泊松比效应的机理。1982年Gibson和Ashby提出具有倒插蜂窝网络形状的结构具有负泊松比。1989年Evans和Cad-dock提出，关于拉胀材料的微观结构有4种不同模型：边型结构，棒状结构，箭头状结构和卵型块状结构。1998年Alderson提出了三段式原纤拉伸理论来解释多孔状负泊松比材料的拉胀机理。此外，魏高原等提出了由三臂伞状结构无规连结而成的三维拉胀网络理论以解释其拉胀机理。尽管不同类型的拉胀高聚物其拉胀机理各有不同，但有一点却是共同的，即材料宏观上表现出的拉胀行为是由其微观上的种种机制采用某种确定的合作方式来完成的。关于拉胀机理的研究还有待进一步深入。

拉胀高分子材料的研究方向及热点问题研究表明，多孔度小于40%的多孔性固体不可能具有拉胀性，除非固体本身具有拉胀性，但多孔度高可能会因较低的强度和稳定性而限制多孔性拉胀材料的应用。对于这一问题的解决需要一种在分子水平或分子结构上能产生负泊松比的材料。因此，设计和合成在分子水平或分子结构上的拉胀材料成为研究的突破口。

分子水平上拉胀材料的设计的最初尝试是一个二维周期性六边形或圆盘集合体，当密度很大且切向刚度超过六边形之间的法向接触刚度时，该体系具有拉胀性。总体来说，就在分子水平或分子结构上的拉胀材料这一研究方向而言，分子设计和计算机模拟方面涉及的相对较多，而合成方面的研究涉及的较少，究其原因，一方面可能是因为作为一个新兴的研究领域，拉胀材料还远没有引起那些技艺高超的合成化学家们的注意，另一方面更可能是因为以往的研究焦点大多数都集中在具有特殊几何形状的规整网络结构上，从合成化学家的角度来看，即便不考虑高分子的多分散性等特点，要合成由复杂的多单元组成的二维平面网络结构绝非易事。

较之金属、陶瓷等而言,聚合物内部有较多的自由体积，这为负泊松比所需要的适当的分子运动空间留出了较大的余地，因而拉胀聚合物是首选的拉胀材料种类。而在拉胀聚合物这一范畴之内，线型拉胀聚合物较之网络结构的拉胀聚合物实现起来要来得更现实和简便。因而，设计和合成在分子水平或分子结构上的线型拉胀聚合物，是最有可能取得突破的一个方向。近年来，沿着这一思路出发，选取一些线形芳酰胺型聚合物作为重点研究对象，几何学和计算机模拟方面的结果表明，利用分子链与分子链之间的氢键自组装，该类聚合物可以形成类倒插蜂窝结构，因此有望获得负泊松比。

应用前景及展望由于具有负泊松比，拉胀高分子材料拥有诸多独特性能，比如，优越的抗冲击韧性、优异的弹性和抗剪性、吸音和吸振性等等。拉胀材料有良好的能量吸收性，可应用于防护衣、防护设备、防护帽、防弹背心、护腿、护膝或护套。由长纤线或纱线传送活性介质导致拉胀纺织品因拥有消炎、防臭、药物释放能力而成为智能型纺织品的材料，并且拉胀纺织品能提高服装压力舒适性。拉胀材料用作铺路材料可显著增强耐压抗震性能。在生物医学方面，人造拉胀血管可增强血管壁对血液跳动的反应而耐破裂。在海洋深水作业方面，拉胀高分子材料将表现出很高的液压稳定性，因而将在国防领域如核潜艇制造上有重要应用。

总之，作为一个潜力巨大的新材料品种，拉胀高分子材料有望应用于纺织品、工业、航天、防护、生物医学、传感器和其它领域。

本词条内容贡献者为:

李雪梅 - 副教授 - 西南大学