科学普及 | 拉胀材料应用何处？ “材料生物力学中泊松比的奥妙”系列科普图文（二）

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今日为您带来入选项目成果——中国生物材料学会材料生物力学分会“材料生物力学中泊松比的奥妙”系列科普（二）——拉胀材料应用何处？欢迎关注。

在了解了泊松比以及负泊松比材料之后，我们可以这样概括：负泊松比材料是一种拉伸不变细反而变粗的材料。

材料的特殊性能决定了它们的应用价值。因此具有负泊松比的“拉胀材料”很早就引起了大家的关注。它在受压时材料/结构向内部聚集，瞬时密度增大，外部表现出较高的刚度。可利用其提高的剪切模量、抗断裂性能、回弹韧性以及抗缺口性来避免材料在受到外界冲击力时的应力集中[1]，换句话讲，与橡胶、钢材等传统材料不同，它不会因为拉伸而变“弱”，而是非常擅长吸收能量。因此，利用拉胀材料的吸收能量和抗断裂的能力，人们已经在很多领域利用它达到不同的“效果”。

首先，由于拉胀材料在受到外力挤压或拉伸时不会像普通材料那样，形成马鞍形而是会变成圆顶状，可以用来制作夹板的中间体增强材料，以此来提高夹板的安全性能。因此，它可以应用在航空航天领域作为夹层板的复合元件。

拉胀材料在机械载荷下其内部孔径可以同向放大或缩小，将其用于航天器的过滤器可以通过控制孔径将孔中的物质及时清理，可补偿由于过滤器结垢、冲洗或改变过滤器或催化剂结构的响应而引起的压降增加[2]。并且，其“拉胀”变形结合形状记忆材料可以用于具有形状记忆功能的可伸展天线。

在国防领域中，拉胀材料对力的传输和反射具有较强的干扰作用，因此可以用来在受到强烈骤变的外力时有效分散或降低应力，这样可以具有更好的保护效果。因此它们可以用来作为防弹衣、子弹和弹壳使用。拉胀防弹层可吸收弹头或弹片的动能，对低速弹头或弹片有明显的防护效果，在控制一定的凹陷情况下可减轻对人体胸、腹部的伤害[3]。

此外，在声学领域，相比普通泡沫，负泊松比材料具有特殊的弹性和对声音的吸收能力，因此也用于隔音材料。在隔音头盔以及录音室隔音板中使用拉胀材料来进行隔音[4]。

最后，在生物医学领域，拉胀材料的多孔结构可为细胞迁移和营养物质传输提供空间，同时其同向压缩变形可以高效率为细胞传递应力刺激，促进细胞增殖、分化，提高新组织的生成速率。

拉胀材料在弯曲变形时具有同步的圆顶形曲率，可以完美地与人体中的脊柱和膝关节的曲率吻合，这与人体骨组织的工程学结构完美呼应，可以作为传统多孔结构的增强替代品来进行骨组织支架的应用[5]。此外，它还具有良好的机械强度和稳定性，在提高支架孔隙率的同时可以有足够的强度抵抗周围组织施加的载荷，防止支架发生塌陷变形，为组织再生提供稳定空间。可以用于生物瓣膜、动脉支架、人造椎间盘、智能绷带和脊柱植入物等等。

作品来源

本作品在中国科协生物力学科学传播专家团队、中国生物材料学会生物力学科学传播团队樊瑜波教授、王丽珍教授指导下完成。

作者：姚艳、石烟祝、于佳玉、杨鑫怡、黄慧雯

支持单位：北京市生物医学工程高精尖创新中心科普教育基地、中国生物材料学会材料生物力学分会

资助

本作品由中国生物材料学会精品科普项目资助

参考文献：

[1] 任鑫, 张相玉. 负泊松比材料和结构的研究进展 [J]. 力学学报, 2019, 51: 656-687.

[2] Alderson A, Rasburn J, Ameer-Beg S, et al. An auxetic filter: A tuneable filter displaying enhanced size selectivity or defouling properties [J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2000, 39: 654-665.

[3] 马丕波, 常玉萍. 负泊松比针织结构及其应用 [J]. 纺织导报, 2015, 47-50.

[4] Liu Y, Hu H, Lam J K C, et al. Negative poisson’s ratio weft-knitted fabrics [J]. Textile Research Journal, 2010, 80: 856-863.

[5] Lakes R. Foam structures with a negative poisson's ratio [J]. Science, 1987, 235: 1038-1040.