Ауксетики - это структуры или материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона . При растяжении они становятся толще перпендикулярно приложенной силе. Это происходит из-за их особой внутренней структуры и того, как она деформируется при одноосной нагрузке на образец. Ауксетики могут быть одиночными молекулами , кристаллами или определенной структурой макроскопической материи. [1] [2]
Ожидается, что такие материалы и конструкции будут обладать механическими свойствами, такими как высокое поглощение энергии и сопротивление разрушению . Ауксетики могут быть полезны в таких применениях, как бронежилеты , [3] упаковочный материал, наколенники и налокотники, прочный амортизирующий материал и губчатые швабры.
История
Термин « ауксетик» происходит от греческого слова auxetikos ( αὐξητικ ), что означает «то, что имеет тенденцию к увеличению» и имеет корень в слове auxesis ( αὔξησις ), означающем «увеличение» (существительное). Эта терминология была введена профессором Кеном Эвансом из Университета Эксетера . [4] [2] Один из первых искусственно созданных ауксетических материалов, RFS-структура (ромбовидная складчатая структура), была изобретена в 1978 году берлинским исследователем К. Питчем. Хотя он не использовал термин ауксетик, он впервые описывает лежащий в основе рычажный механизм, и его нелинейная механическая реакция, поэтому считается изобретателем ауксетической сети. Самый ранний опубликованный пример материала с отрицательной постоянной Пуассона принадлежит А.Г. Колпакову в 1985 г. «Определение средних характеристик упругих каркасов»; следующий синтетический ауксетический материал был описан в Science в 1987 году под названием « Пенные структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона» [1] RS Lakes из Университета Висконсин в Мэдисоне . Слово auxetic для обозначения этого свойства, вероятно, началось в 1991 г. [5]
В 1985 г. были опубликованы проекты композитов с перевернутой гексагональной ячейкой периодичности (ауксетический шестиугольник), обладающих отрицательными коэффициентами Пуассона [6].
Характеристики
Обычно ауксетические материалы имеют низкую плотность , что позволяет шарнирным участкам ауксетических микроструктур изгибаться. [7]
На макроуровне ауксетическое поведение можно проиллюстрировать с помощью неэластичной струны, намотанной на эластичный шнур. Когда концы конструкции растягиваются, неэластичная струна распрямляется, а эластичный шнур растягивается и наматывается на нее, увеличивая эффективный объем конструкции. Ауксетическое поведение на макроуровне также может быть использовано для разработки продуктов с улучшенными характеристиками, таких как обувь, основанная на структурах ауксетических вращающихся треугольников, разработанных Гримой и Эвансом. [8] [9] [10]
Примеры
Примеры ауксетических материалов включают:
- Ауксетическая полиуретановая пена [11] [12]
- α-Кристобалит . [13]
- Жидкокристаллические полимеры с вращающимися поперечными стержнями потенциально могут быть ауксетичными. Экспериментальные исследования по производству материалов, ауксетиков в молекулярном масштабе (а также в макроскопическом смысле) до сих пор редко были успешными. [14]
- Кристаллические материалы: Li, Na, K, Cu, Rb, Ag, Fe, Ni, Co, Cs, Au, Be, Ca, Zn, Sr, Sb, MoS., БАСОи другие. [15] [16] [17]
- Некоторые породы и минералы [18]
- Графен , который можно сделать ауксетическим путем введения вакансионных дефектов [19] [20]
- Углеродные алмазоподобные фазы [21]
- Неуглеродные нанотрубки [22] [23]
- Живая костная ткань (хотя это только подозрение) [18]
- Сухожилия в пределах нормального диапазона движений. [24]
- Конкретные варианты полимеров политетрафторэтилена, таких как Gore-Tex [25]
- Бумага, несколько видов. Если бумагу растянуть в направлении плоскости, она будет расширяться в направлении толщины из-за своей сетевой структуры. [26] [27]
- Несколько типов складок оригами, таких как ромбовидная складчатая структура (RFS), складчатая структура в елочку (FFS) или складка миура , [28] [29] и другие периодические узоры, полученные из нее. [30] [31]
- Специально разработанные конструкции, предназначенные для демонстрации специально разработанных коэффициентов Пуассона. [33] [34] [35] [36] [37] [38]
- Цепные органические молекулы. Недавние исследования показали, что органические кристаллы, такие как н- парафины и подобные им, могут демонстрировать ауксетическое поведение. [39]
- Обработанные иглопробивные нетканые материалы. Из-за сетевой структуры таких тканей протокол обработки с использованием тепла и давления может преобразовывать обычные (не ауксетические) нетканые материалы в ауксетические. [40] [41]
- Корк имеет почти нулевой коэффициент Пуассона. Это делает его хорошим материалом для герметизации винных бутылок.
Смотрите также
- Акустический метаматериал
- Механический метаматериал
- Метаматериал
- Параллелогон
- Zetix , тип коммерчески производимого ауксетического материала.
Рекомендации
- ^ Б Lakes, RS (27 февраля 1987), "Пена структуры с отношением НЕДОСТАТКОМ Пуассона", Science , 235 (4792): 1038-40, Bibcode : 1987Sci ... 235.1038L , DOI : 10.1126 / science.235.4792. 1038 , PMID 17782252 , S2CID 21386778 .
- ^ а б Эванс, Кен (1991), "ауксетические полимеры: новый диапазон материалов.", Endeavor , 15 (4): 170-174, DOI : 10.1016 / 0160-9327 (91) 90123-S ,.
- ^ «Закон Крюка» . Экономист . 1 декабря 2012 . Проверено 1 марта 2013 года .
- ^ Куинион, Майкл (9 ноября 1996), Auxetic.
- ^ Эванс, Кен (1991), "ауксетические полимеры: новый диапазон материалов", Endeavor , 15 (4): 170-174, DOI : 10.1016 / 0160-9327 (91) 90123-S ,.
- ^ Колпаков, АГ (1985). «Определение средних характеристик упругих каркасов». Журнал прикладной математики и механики . 49 (6): 739–745. Bibcode : 1985JApMM..49..739K . DOI : 10.1016 / 0021-8928 (85) 90011-5 .
- ↑ Натяжка воображения - 7 июня 1997 - New Scientist Space
- ^ Грима, JN; Эванс, KE (2000). «Ауксетическое поведение вращающихся квадратов». Журнал материаловедения Letters . 19 (17): 1563–1565. DOI : 10,1023 / A: 1006781224002 . S2CID 138455050 .
- ^ Грима, JN; Эванс, KE (2006). «Ауксетическое поведение вращающихся треугольников». Журнал материаловедения . 41 (10): 3193–3196. Bibcode : 2006JMatS..41.3193G . DOI : 10.1007 / s10853-006-6339-8 . S2CID 137547536 .
- ^ «Пресс-релиз о продукте Nike Free 2016» .
- ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «Об успешном производстве ауксетических пенополиуретанов: требования к материалам, стратегия обработки и механизм преобразования». Полимер . 87 : 98–107. DOI : 10.1016 / j.polymer.2016.01.076 .
- ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «При комнатной температуре, почти мгновенное изготовление ауксетических материалов с постоянным коэффициентом Пуассона при большой деформации». Современные материалы . 28 (14): 2822–2826. DOI : 10.1002 / adma.201505650 . PMID 26861805 .
- ^ Еганех-Хаэри, Амир; Weidner, Donald J .; Париз, Джон Б. (31 июля 1992 г.). «Эластичность α-Кристобалита: диоксид кремния с отрицательным коэффициентом Пуассона». Наука . 257 (5070): 650–652. Bibcode : 1992Sci ... 257..650Y . DOI : 10.1126 / science.257.5070.650 . ISSN 0036-8075 . PMID 17740733 . S2CID 137416819 .
- ^ Верма, Пратик; Он, Чаобин; Гриффин, Ансельм К. (23 августа 2020 г.). «Последствия для ауксетического отклика в жидких кристаллических полимерах: рассеяние рентгеновских лучей и молекулярное моделирование, заполняющее пространство». Physica статус солидов (б) : 2000261. DOI : 10.1002 / pssb.202000261 .
- ^ Гольдштейн, Р.В.; Городцов В.А.; Лисовенко, Д.С. (2013). «Классификация кубических ауксетиков». Physica Status Solidi B . 250 (10): 2038–2043. DOI : 10.1002 / pssb.201384233 .
- ^ Городцов В.А.; Лисовенко Д.С. (2019). «Экстремальные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона гексагональных кристаллов». Механика материалов . 134 : 1–8. DOI : 10.1016 / j.mechmat.2019.03.017 .
- ^ Грима-Корниш, Дж. Н.; Велла-Зарб, Л; Грима, Дж. Н. (2020). «Отрицательная линейная сжимаемость и ауксетичность в арсенате бора». Annalen der Physik . 532 (5): 1900550. Bibcode : 2020AnP ... 53200550G . DOI : 10.1002 / andp.201900550 .
- ^ а б Берк, Мария (7 июня 1997 г.), "Полоса воображения" , New Scientist , 154 (2085): 36
- ^ Грима, JN; Winczewski, S .; Mizzi, L .; Греч М.С. Cauchi, R .; Gatt, R .; Attard, D .; Войцеховски, KW; Рыбицки Дж. (2014). «Настройка графена для достижения отрицательных свойств коэффициента Пуассона». Современные материалы . 27 (8): 1455–1459. DOI : 10.1002 / adma.201404106 . PMID 25504060 .
- ^ Грима, Джозеф Н .; Греч, Майкл С .; Грима-Корниш, Джеймс Н .; Гатт, Рубен; Аттард, Дафна (2018). «Гигантское ауксетическое поведение в сконструированном графене». Annalen der Physik . 530 (6): 1700330. Bibcode : 2018AnP ... 53000330G . DOI : 10.1002 / andp.201700330 . ISSN 1521-3889 .
- ^ Рысаева, Л.Х .; Баимова, Я; Лисовенко Д.С.; Городцов В.А.; Дмитриев, С.В. (2019). «Упругие свойства фуллеритов и алмазоподобных фаз» . Physica Status Solidi B . 256 (1): 1800049. Bibcode : 2019PSSBR.25600049R . DOI : 10.1002 / pssb.201800049 .
- ^ Гольдштейн, Р.В.; Городцов В.А.; Лисовенко Д.С.; Волков, М.А. (2014). «Отрицательный коэффициент Пуассона для кубических кристаллов и нано / микротрубок». Физическая мезомеханика . 17 (2): 97–115. DOI : 10.1134 / S1029959914020027 . S2CID 137267947 .
- ^ Брюханов И.А.; Городцов В.А.; Лисовенко Д.С. (2019). «Хиральные нанотрубки Fe с отрицательным коэффициентом Пуассона и эффектом Пойнтинга. Атомистическое моделирование». Журнал физики: конденсированное вещество . 31 (47): 475304. Bibcode : 2019JPCM ... 31U5304B . DOI : 10,1088 / 1361-648X / ab3a04 . PMID 31398716 .
- ^ Гатт Р., Велла Вуд М., Гатт А., Зарб Ф., Формоза С., Аззопарди К. М., Каша А., Агиус Т. П., Шембри-Висмайер П., Аттард Л., Чоккалингам Н., Грима Дж. Н. (2015). «Отрицательные коэффициенты Пуассона в сухожилиях: неожиданный механический ответ» (PDF) . Acta Biomater . 24 : 201–208. DOI : 10.1016 / j.actbio.2015.06.018 . PMID 26102335 .
- ^ Ауксетические материалы , 9 марта 2001 г..
- ^ Баум и др. 1984, журнал Tappi, Эрн, О.Е. (1965): Вариации толщины бумаги при растяжении, Svensk Papperstidn. 68 (5), 141.
- ^ Верма, Пратик; Шофнер, М.Л .; Гриффин, AC (2013). «Деконструкция ауксетического поведения бумаги». Physica Status Solidi B . 251 (2): 289–296. Bibcode : 2014PSSBR.251..289V . DOI : 10.1002 / pssb.201384243 .
- ^ Марк, Шенк (2011). Складчатые конструкции оболочки, кандидатская диссертация (PDF) . Кембриджский университет, Клэр-колледж.
- ^ Lv, Cheng; Кришнараджу, Дипакшьям; Конжевод, Горан; Ю, Хунъюй; Цзян, Ханьцин (2015). «Механические метаматериалы на основе оригами» . Научные отчеты . 4 : 5979. DOI : 10.1038 / srep05979 . PMC 4124469 . PMID 25099402 .
- ^ Эйдини, Марьям; Паулино, Глаусио Х. (2015). «Раскрытие свойств метаматериалов в листах, сложенных зигзагообразно» . Наука продвигается . 1 (8): e1500224. arXiv : 1502.05977 . Bibcode : 2015SciA .... 1E0224E . DOI : 10.1126 / sciadv.1500224 . ISSN 2375-2548 . PMC 4643767 . PMID 26601253 .
- ^ Эйдини, Марьям (2016). «Зигзагообразно-фальцованные листовые ячеистые механические метаматериалы». Письма об экстремальной механике . 6 : 96–102. arXiv : 1509.08104 . DOI : 10.1016 / j.eml.2015.12.006 . S2CID 118424595 .
- ^ Мицци, Люк; Сальвати, Энрико; Спаггиари, Андреа; Тан, Джин-Чонг; Корсунский, Александр Михайлович (2020). «Двумерные листы ауксетического метаматериала с высокой эластичностью, изготовленные методом прямой лазерной резки» . Международный журнал механических наук . 167 : 105242. дои : 10.1016 / j.ijmecsci.2019.105242 . ISSN 0020-7403 .
- ^ Тиемо Бюкманн; и другие. (Май 2012 г.). «Специально разработанные трехмерные механические метаматериалы, изготовленные методом оптической литографии с прямой лазерной записью». Современные материалы . 24 (20): 2710–2714. DOI : 10.1002 / adma.201200584 . PMID 22495906 .
- ^ Грима-Корниш, Джеймс Н .; Грима, Джозеф Н .; Эванс, Кеннет Э. (2017). «О структурных и механических свойствах поли (фенилацетилен) ферменных гексагональных иерархических наносетей». Physica Status Solidi B . 254 (12): 1700190. Bibcode : 2017PSSBR.25400190G . DOI : 10.1002 / pssb.201700190 . hdl : 10871/31485 . ISSN 1521-3951 .
- ^ Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель (2014). «Ауксетические двумерные решетки с коэффициентом Пуассона, произвольно близким к -1» . Труды Королевского общества A: математические, физические и инженерные науки . 470 (2172): 20140538. arXiv : 1407.5679 . Bibcode : 2014RSPSA.47040538C . DOI : 10,1098 / rspa.2014.0538 . ISSN 1364-5021 .
- ^ Carta, Джорджио; Брун, Мишель; Бальди, Антонио (2016). «Конструкция пористого материала с изотропным отрицательным коэффициентом Пуассона». Механика материалов . 97 : 67–75. DOI : 10.1016 / j.mechmat.2016.02.012 .
- ^ Кабрас, Луиджи; Брун, Мишель (2016). «Класс ауксетических трехмерных решеток». Журнал механики и физики твердого тела . 91 : 56–72. arXiv : 1506.04919 . Bibcode : 2016JMPSo..91 ... 56C . DOI : 10.1016 / j.jmps.2016.02.010 . S2CID 85547530 .
- ^ Каминакис, Н; Ставроулакис, Г. (2012). «Оптимизация топологии для совместимых механизмов с использованием эволюционно-гибридных алгоритмов и приложений для проектирования ауксетических материалов». Композиты Часть B Инжиниринг . 43 (6): 2655–2668. DOI : 10.1016 / j.compositesb.2012.03.018 .
- ^ Стеценко, М (2015). «Определение упругих постоянных углеводородов тяжелых нефтепродуктов с использованием метода молекулярно-динамического моделирования» . Журнал нефтегазовой науки и техники . 126 : 124–130. DOI : 10.1016 / j.petrol.2014.12.021 .
- ^ Верма, Пратик; Линь, А; Вагнер, КБ; Шофнер, М.Л .; Гриффин, AC (2015). «Вызвание ауксетического поведения вне плоскости в нетканых материалах, пробитых иглой». Physica Status Solidi B . 252 (7): 1455–1464. Bibcode : 2015PSSBR.252.1455V . DOI : 10.1002 / pssb.201552036 .
- ^ Верма, Пратик; Shofner, Meisha L .; Лин, Анджела; Вагнер, Карла Б .; Гриффин, Ансельм К. (2016). «Индукция ауксетической реакции в иглопробивных нетканых материалах: влияние температуры, давления и времени». Physica Status Solidi B . 253 (7): 1270–1278. Bibcode : 2016PSSBR.253.1270V . DOI : 10.1002 / pssb.201600072 . ISSN 1521-3951 .
Внешние ссылки
- Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона.
- Ауксетическая пена в YouTube
- Общая информация об ауксетических материалах