Ауксетики - Auxetics

Auxetische Materialien.wiki.png

Ауксетики находятся структуры или материалы которые имеют отрицательный Коэффициент 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 молекулы, кристаллы или конкретная структура макроскопического вещества. такие материалы и структуры должны иметь механические свойства, такие как высокие поглощение энергии и перелом сопротивление. Ауксетики могут быть полезны в таких приложениях, как бронежилет,[1] упаковочный материал, наколенники и налокотники, прочный амортизирующий материал и губчатые швабры.

Период, термин ауксетический происходит от Греческий слово αὐξητικός (auxetikos), которое означает «то, что имеет тенденцию к увеличению» и имеет корень в слове αὔξησις, или вспомогательный, что означает «увеличение» (существительное). Эта терминология была введена профессором Кеном Эвансом из Эксетерский университет.[2][3]Один из первых искусственно созданных ауксетических материалов, структура RFS (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 связан с Колпаков А.Г. в 1985 г. «Определение средних характеристик упругих каркасов»; следующий синтетический ауксетический материал был описан в Наука в 1987 году под названием "Пена структуры с отрицательным коэффициентом Пуассона »[4] автор: R.S. Озера из Университет Висконсина в Мэдисоне. Использование слова ауксетический Называть это свойство, вероятно, начали в 1991 году.[5]

В 1985 г. были опубликованы конструкции композитов с перевернутой ячейкой гексагональной периодичности (ауксетический шестиугольник), обладающих отрицательными коэффициентами Пуассона.[6]

Обычно ауксетические материалы имеют низкую плотность, что позволяет шарнирным участкам ауксетических микроструктур изгибаться.[7]

На макроуровне ауксетическое поведение можно проиллюстрировать с помощью неэластичный шнурок наматывается 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 можно использовать для разработки продуктов с улучшенными характеристиками, таких как обувь на основе структур ауксетических вращающихся треугольников, разработанных Гримой и Эвансом.[8][9][10]

В обуви ауксетический дизайн позволяет подошве увеличиваться в размерах во время ходьбы или бега, тем самым повышая гибкость.

Примеры ауксетических материалов включают:

  • Ауксетический полиуретан пена[11][12]
  • α-Кристобалит.[13]
  • Жидкокристаллические полимеры с вращающимися поперечными стержнями потенциально могут быть ауксетичными. Экспериментальные исследования по производству ауксетических материалов 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., БАСО и 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 подозревается)[18]
  • Сухожилия в пределах нормального диапазона движений.[24]
  • Конкретные варианты политетрафторэтилен полимеры, такие как Гор-Текс[25]
  • Бумага, несколько видов. Если бумагу растянуть в направлении плоскости, она будет расширяться в направлении своей толщины из-за своей сетевой структуры.[26][27]
  • Несколько типов складок оригами, такие как ромбовидная складывающаяся структура (RFS), елочка -складчатая структура (FFS) или миура фолд,[28][29] и другие периодические модели, производные от него.[30][31]
Производство ауксетических метаматериалов путем введения узорчатых микроструктурных разрезов с использованием прямого лазерная резка. Тонкая резиновая поверхность с перфорированной архитектурой покрывает сферическую поверхность (оранжевого цвета)[32]
  • 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 n-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]
  • Пробка имеет почти нулевой коэффициент Пуассона. Это делает его хорошим материалом для герметизации винных бутылок.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ "Закон Крюка". Экономист. 1 декабря 2012 г.. Получено 1 марта 2013.
  2. ^ Куинион, Майкл (9 ноября 1996 г.), Ауксетический.
  3. ^ Эванс, Кен (1991), «Ауксетические полимеры: новый диапазон материалов», Стремление, 15 (4): 170–174, Дои:10.1016 / 0160-9327 (91) 90123-С.
  4. ^ Озера, Р. (27 февраля 1987 г.), «Пенные конструкции с отрицательным коэффициентом Пуассона», Наука, 235 (4792): 1038–40, Bibcode:1987Научный ... 235.1038Л, Дои:10.1126 / science.235.4792.1038, PMID  17782252, S2CID  21386778.
  5. ^ Эванс, Кен (1991), "Ауксетические полимеры: новый диапазон материалов", Стремление, 15 (4): 170–174, Дои:10.1016 / 0160-9327 (91) 90123-С.
  6. ^ Колпаков, А.Г. (1985). «Определение средних характеристик упругих каркасов». Журнал прикладной математики и механики. 49 (6): 739–745. Bibcode:1985JApMM..49..739K. Дои:10.1016/0021-8928(85)90011-5.
  7. ^ Пробуждение воображения - 7 июня 1997 г. - New Scientist Space
  8. ^ Грима, JN; Эванс, KE (2000). «Ауксетическое поведение вращающихся квадратов». Журнал материаловедения Letters. 19 (17): 1563–1565. Дои:10.1023 / А: 1006781224002. S2CID  138455050.
  9. ^ Грима, JN; Эванс, KE (2006). «Ауксетическое поведение вращающихся треугольников». Журнал материаловедения. 41 (10): 3193–3196. Bibcode:2006JMatS..41.3193G. Дои:10.1007 / s10853-006-6339-8. S2CID  137547536.
  10. ^ «Пресс-релиз о продукте Nike Free 2016».
  11. ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «Об успешном производстве ауксетических пенополиуретанов: требования к материалам, стратегия обработки и механизм преобразования». Полимер. 87: 98–107. Дои:10.1016 / j.polymer.2016.01.076.
  12. ^ Ли, Ян; Цзэн, Чанчунь (2016). «При комнатной температуре, почти мгновенное изготовление ауксетических материалов с постоянным коэффициентом Пуассона при большой деформации». Передовые материалы. 28 (14): 2822–2826. Дои:10.1002 / adma.201505650. PMID  26861805.
  13. ^ 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:1992Научный ... 257..650Y. Дои:10.1126 / science.257.5070.650. ISSN  0036-8075. PMID  17740733. S2CID  137416819.
  14. ^ Верма, Пратик; Он, Чаобин; Гриффин, Ансельм К. (23 августа 2020 г.). «Последствия для ауксетической реакции в жидких кристаллических полимерах: рассеяние рентгеновских лучей и молекулярное моделирование, заполняющее пространство». физический статус solidi (b): 2000261. Дои:10.1002 / pssb.202000261.
  15. ^ Goldstein, R.V .; Городцов, В.А .; Лисовенко, Д.С. (2013). «Классификация кубических ауксетиков». Физика Статус Solidi B. 250 (10): 2038–2043. Дои:10.1002 / pssb.201384233.
  16. ^ Городцов, В.А .; Лисовенко, Д.С. (2019). «Экстремальные значения модуля Юнга и коэффициента Пуассона гексагональных кристаллов». Механика материалов. 134: 1–8. Дои:10.1016 / j.mechmat.2019.03.017.
  17. ^ Грима-Корниш, Дж. Велла-Зарб, Л; Грима, Дж. Н. (2020). «Отрицательная линейная сжимаемость и ауксетичность в арсенате бора». Annalen der Physik. 532 (5): 1900550. Bibcode:2020AnP ... 53200550G. Дои:10.1002 / andp.201900550.
  18. ^ а б Берк, Мария (7 июня 1997 г.), "Растяжка воображения", Новый ученый, 154 (2085): 36
  19. ^ Grima, J. N .; Winczewski, S .; Mizzi, L .; Grech, M. C .; Cauchi, R .; Gatt, R .; Attard, D .; Wojciechowski, K.W .; Рыбицки Дж. (2014). «Настройка графена для достижения свойств отрицательного коэффициента Пуассона». Передовые материалы. 27 (8): 1455–1459. Дои:10.1002 / adma.201404106. PMID  25504060.
  20. ^ 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. Дои:10.1002 / andp.201700330. ISSN  1521-3889.
  21. ^ Рысаева, Л.Х .; Баимова, J.A .; Лисовенко, Д.С .; Городцов, В.А .; Дмитриев, С.В. (2019). «Упругие свойства фуллеритов и алмазоподобных фаз».. Физика Статус Solidi B. 256 (1): 1800049. Bibcode:2019PSSBR.25600049R. Дои:10.1002 / pssb.201800049.
  22. ^ Goldstein, R.V .; 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. Дои:10.1134 / S1029959914020027. S2CID  137267947.
  23. ^ 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. Дои:10.1088 / 1361-648X / ab3a04. PMID  31398716.
  24. ^ 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». Acta Biomater. 24: 201–208. Дои:10.1016 / j.actbio.2015.06.018. PMID  26102335.
  25. ^ Ауксетические материалы, 9 марта 2001 г..
  26. ^ Баум и др. 1984, журнал Tappi, Эрн, О. Э. (1965): Вариации толщины бумаги при растяжении, Svensk Papperstidn. 68 (5), 141.
  27. ^ Верма, Пратик; Шофнер, М.Л .; Гриффин, AC (2013). «Деконструкция ауксетического поведения бумаги». Физика Статус Solidi B. 251 (2): 289–296. Bibcode:2014ПССБР.251..289В. Дои:10.1002 / pssb.201384243.
  28. ^ Марк, Шенк (2011). Складчатые конструкции оболочки, кандидатская диссертация (PDF). Кембриджский университет, Клэр-колледж.
  29. ^ Lv, Cheng; Кришнараджу, Дипакшьям; Конжевод, Горан; Ю, Хунъюй; Цзян, Ханьцин (2015). «Механические метаматериалы на основе оригами». Научные отчеты. 4: 5979. Дои:10.1038 / srep05979. ЧВК  4124469. PMID  25099402.
  30. ^ Эйдини, Марьям; Паулино, Глаусио Х. (2015). «Раскрытие свойств метаматериалов в листах, сложенных зигзагообразно». Достижения науки. 1 (8): e1500224. arXiv:1502.05977. Bibcode:2015SciA .... 1E0224E. Дои:10.1126 / sciadv.1500224. ISSN  2375-2548. ЧВК  4643767. PMID  26601253.
  31. ^ Эйдини, Марьям (2016). «Зигзагообразно-фальцованные листовые ячеистые механические метаматериалы». Письма об экстремальной механике. 6: 96–102. arXiv:1509.08104. Дои:10.1016 / j.eml.2015.12.006. S2CID  118424595.
  32. ^ Мицци, Люк; Сальвати, Энрико; Спаггиари, Андреа; Тан, Джин-Чонг; Корсунский, Александр Михайлович (2020). «Двумерные листы из 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.
  33. ^ Тимо Бюкманн; и другие. (Май 2012 г.). «Специально разработанные трехмерные механические метаматериалы, изготовленные методом оптической литографии с прямой лазерной записью». Передовые материалы. 24 (20): 2710–2714. Дои:10.1002 / adma.201200584. PMID  22495906.
  34. ^ Грима-Корниш, Джеймс Н .; Грима, Джозеф Н .; Эванс, Кеннет Э. (2017). «О структурных и механических свойствах поли (фенилацетилен) ферменных гексагональных иерархических наносетей». Физика Статус Solidi B. 254 (12): 1700190. Bibcode:2017PSSBR.25400190G. Дои:10.1002 / pssb.201700190. HDL:10871/31485. ISSN  1521-3951.
  35. ^ 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. Дои:10.1098 / rspa.2014.0538. ISSN  1364-5021.
  36. ^ Carta, Джорджио; Брун, Мишель; Бальди, Антонио (2016). «Дизайн пористого материала с изотропным отрицательным коэффициентом Пуассона». Механика материалов. 97: 67–75. Дои:10.1016 / j.mechmat.2016.02.012.
  37. ^ 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. Дои:10.1016 / j.jmps.2016.02.010. S2CID  85547530.
  38. ^ 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. Дои:10.1016 / j.compositesb.2012.03.018.
  39. ^ Стеценко, М (2015). «Определение упругих постоянных углеводородов тяжелых нефтепродуктов с использованием метода молекулярно-динамического моделирования». Журнал нефтегазовой науки и техники. 126: 124–130. Дои:10.1016 / j.petrol.2014.12.021.
  40. ^ Верма, Пратик; Лин, А; Вагнер, КБ; Шофнер, М.Л .; Гриффин, AC (2015). «Вызвание ауксетического поведения вне плоскости в нетканых материалах, пробитых иглой». Физика Статус Solidi B. 252 (7): 1455–1464. Bibcode:2015ПССБР.252.1455В. Дои:10.1002 / pssb.201552036.
  41. ^ 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». Физика Статус Solidi B. 253 (7): 1270–1278. Bibcode:2016PSSBR.253.1270V. Дои:10.1002 / pssb.201600072. ISSN  1521-3951.

внешние ссылки