CN102175512B - 一种具有负泊松比性能的试件 - Google Patents

Abstract

一种具有负泊松比性能的试件，该试件是在基底材料内嵌入多个弧形体，试件左右两侧的弧形体呈镜像对称分布，同一侧的弧形体弯曲弧度相同，等间隔分布。弧形体的弹性模量、刚度与基底材料不同，在试件的基底材料固化过程中，在试件的受力方向上嵌入弧形体，或者在试件的基底材料固化后，拔出在试件的受力方向上嵌入的弧形体，或者在整块基底材料的试件上，通过强化、机械加工出弧形体，或者通过化学反应形成弧形体。弧形体包含纤维增强弧形体，气泡削弱弧形体，弧形状的缝隙，多级弯曲弧形体，多弧度弯曲弧形体，鱼鳞状弧形体。该试件在弧形体切向受拉时其垂直方向有膨胀性，受压时其垂直方向有收缩和挤缩性，可广泛应用于复合板材、深水作业、航天航空等领域。

Description

一种具有负泊松比性能的试件

技术领域

本发明涉及一种具有负泊松比性能的试件，该具有负泊松比性能的试件可广泛应用于复合板材、深水作业、航天航空等领域。

背景技术

在我们所常用的试件材料当中，其泊松比的范围大部分都是在0～0.5之内，其中绝大多数试件材料的泊松比都在0.2～0.4之间，尽管如此，仍然存在少数的试件材料具有负泊松比的性质，例如：单晶硫化矿的泊松比为-0.14、α-cristobalite的泊松比也可达到-0.5，理论上，负泊松比的特殊性质早在1968年由B.M.Lempriere利用弹性应变能理论证明，同向性材料的泊松比范围为-1～0.5，而非同向性材料的泊松比范围则必须符合：

的条件。

通常，泊松比μ的定义如下：

$\mathrm{\μ}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\ϵ}}_y}$

其中，ε_x为材料的横向应变；ε_y为材料的纵向应变，当一般材料受拉伸载荷时，两侧收缩；反之，受压缩时，两侧膨胀，因此一般试件材料的泊松比都是正值，而负泊松比试件材料因具有冲击吸收力、损坏抵抗力、凹陷抵抗力等特性，所以这类试件材料与其他材料相比具有很大的优势。

本发明所要介绍的则是一种有别于常规试件材料的具有负泊松比性质的结构材料，此试件的负泊松比特性，并非来自试件材料本身的机械性质，而是由于试件的特殊结构。

发明内容

本发明涉及一种具有负泊松比性能的试件，所述试件是在基底材料1内嵌入多个弧形体2，所述试件左右两侧的弧形体2呈镜像对称分布，所述试件同一侧的弧形体2弯曲弧度相同，且等间隔分布。

所述弧形体2的弹性模量、刚度与基底材料1不同，在所述试件的基底材料1固化过程中，在所述试件的受力方向上嵌入弧形体2，或者在所述试件基底材料1固化后，拔出在所述试件的受力方向上嵌入的弧形体2，或者在整块基底材料1的试件上，通过强化、机械加工出弹性模量、刚度与基底材料1不同的弧形体2，或者通过化学反应形成弹性模量、刚度与基底材料1不同的弧形体2。

所述弧形体2包含纤维增强的弧形体3，在所述试件的基底材料1固化过程中，在所述试件的受力方向上，使纤维等间隔地沿弧形状掺杂于基底材料1内。

所述纤维增强的弧形体3，包含人工制备试件，和通电线匝5产生磁场6使磁性纤维4弯曲定向排布制备试件。

所述弧形体2包含气泡削弱的弧形体7，在所述试件的基底材料1固化前，在所述试件的受力方向上，沿等间隔的弧形状搅动液态基底材料1，使气泡沿等间隔的弧形状产生。

所述弧形体2包含弧形状的缝隙8，在所述试件的受力方向上挖出弧形状等间隔缝隙8，或者在基底材料1固化后抽出预先嵌入的弧形体2。

所述弧形体2包含多级弯曲的弧形体9，每一级的弯曲都是由更细一级的弯曲组成。

所述弧形体2包含多弧度弯曲的弧形体10，在所述试件的受力方向上有多个弧度。

所述弧形体2包含鱼鳞状的弧形体11，在所述试件的受力方向上有多个鱼鳞状排列的弧度。

附图说明

附图1本发明具有负泊松比性能的试件其结构示意图；

附图2具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2包含纤维增强的弧形体3；

附图3具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2为纤维增强弧形体3时，纤维弯曲定向排布包含通电线匝5产生磁场6使磁性纤维4弯曲定向排布；

附图4具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2包含气泡削弱基底形成的弧形体7；

附图5具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2包含缝隙8；

附图6具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2包含多级弯曲的弧形体9；

附图7具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2包含多弧度弯曲的弧形体10；

附图8具有负泊松比性能的试件其结构示意图，其中的弧形体2包含鱼鳞状的弧形体11；

附图9具有负泊松比性能的试件制备装置示意图；

附图10负泊松比性能试件其性能测试时电阻应变计的布片示意图。

具体实施方式

本发明的具有负泊松比性能的试件其结构如附图1所示，该试件是在基底材料1内嵌入弧形体2，且在该试件的同一侧有多个弧形体2，该试件同一侧的弧形体2的弯曲弧度相同，等间隔分布，该试件左右两侧的弧形体2呈镜像对称分布；

该试件的弧形体2的弹性模量、刚度与基底材料1不同，在该试件基底材料1固化过程中，在该试件的受力方向上嵌入弧形体2，或者在该试件的基底材料1固化后，拔出在该试件的受力方向上嵌入的弧形体2，或者在整块基底材料1的试件上，通过强化、机械加工出弹性模量、刚度与基底材料1不同的弧形体2，或者通过化学反应形成弹性模量、刚度与基底材料1不同的弧形体2；

该试件具有负泊松比性能，在弧形体2切向受拉时其垂直方向有膨胀性，在弧形体2切向受压时其垂直方向有收缩和挤缩性的力学性能；

该试件，弧形体2的弧度越大，试件的负泊松比性能越明显；

该试件，弧形体2的间隔越小，个数越多，试件的负泊松比性能越明显；

该试件，弧形体2的弹性模量与基底材料1的弹性模量差别越大，试件的负泊松比性能越明显，所述的弹性模量差别分为两种：第一种是弧形体2的弹性模量比基底材料1的弹性模量大，例如弧形体2为钢片，基底材料1为树脂、石蜡等；第二种是弧形体2的弹性模量比基底材料1的弹性模量小，例如弧形体2为树脂或石蜡，基底材料1为铝、铁等金属材料；

该试件，弧形体2包含纤维增强的弧形体3，在该试件的基底材料1固化过程中，在该试件的受力方向上，使纤维等间隔地沿弧形状掺杂于基底材料1内，制备试件，如附图2所示；

该试件，纤维增强的弧形体3，纤维等间隔地沿弧形状掺杂于基底材料1内，包含人工制备试件，和通电线匝5产生磁场6使磁性纤维4弯曲定向排布制备试件，如附图3所示；

该试件，弧形体2包含气泡削弱的弧形体7，在该试件的基底材料1固化前，在该试件的受力方向上，沿等间隔的弧形状搅动液态基底材料1，使气泡沿等间隔的弧形状产生，制备试件，如附图4所示；

该试件，弧形体2包含弧形状的缝隙8，在该试件的受力方向上挖出弧形状等间隔缝隙8，或者在基底材料1固化后抽出预先嵌入的弧形体2，如附图5所示；

该试件，弧形体2包含多级弯曲的弧形体9，每一级的弯曲都是由更细一级的弯曲组成，在该试件的受力方向上，最宏观的弧形为一级弯曲，如附图1所示的弧形体2，一级弯曲由二级弯曲组成，二级弯曲由三级弯曲组成，如附图6所示，依此类推，多级下的弯曲弧形为微纳观尺度的弧形；

该试件，弧形体2包含多弧度弯曲的弧形体10，在该试件的受力方向上有多个弧度，如附图7所示；

该试件，弧形体2包含鱼鳞状的弧形体11，在该试件的受力方向上有多个鱼鳞状排列的弧度，如附图8所示；

附图1是具有负泊松比性能的试件的结构示意图，其中弧形体2为钢片，基底材料1为树脂，制备试件的具体实施工艺如下：

采用附图9所述制备装置制备试件，附图9中12为长方形外框，在长方形外框12内嵌入带微槽的垫块13和垫块15，在垫块13和垫块15的微槽中插入铁片14，附图9中螺栓17与零件16垂直紧固配合，当旋转螺栓17的螺母时，螺栓17和零件16同时推动垫块13，使垫块13与垫块15之间的距离变短，此时铁片14弯曲成附图1所述的弧形体2，在长方形外框12内浇注液态的树脂，使树脂填充至铁片与铁片之间，树脂固化以后即为附图1所述的基底材料1，实施过程中采用凡士林为脱模剂，便于将附图1所述的具有负泊松比性能的试件从附图9所述的制备装置中完好地取出来。具体的脱模工艺为：将凡士林涂抹在长方形外框12的内壁，树脂固化以后，往回旋转螺栓17的螺母，使螺栓17和零件16同时脱离垫块13，轻敲该试件，使该试件连同垫块13和垫块15一起从长方形外框12内脱落，垫块13和垫块15在该试件加载时具有加强该试件端头的作用，便于该试件泊松比性能的测试。

负泊松比性能测试：

采用应变电测法对制备的具有负泊松比性能的试件进行泊松比性能测试。

如附图10所示：应变计R₁、R₃分别粘贴在该试件具有弧形弯曲的正、反面，应变计R₂、R₄分别粘贴在该试件无弧形弯曲的左、右侧，应变计R₁、R₃、R₂、R₄所测应变值分别为ε₁、ε₃、ε₂、ε₄，为了有效地消除加载偏心的影响，该试件的横向应变值ε_x、纵向应变ε_y分别为：

${\mathrm{\ϵ}}_x=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_3}{2},$ ${\mathrm{\ϵ}}_y=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2+{\mathrm{\ϵ}}_4}{2}$

泊松比μ为：

$\mathrm{\μ}=-\frac{{\mathrm{\ϵ}}_x}{{\mathrm{\ϵ}}_y}$

采用电子万能试验机对制备的具有负泊松比性能的试件进行压缩实验，采用电阻应变仪记录应变计R₁、R₃、R₂、R₄的应变读数ε₁、ε₃、ε₂、ε₄，测试计算该试件的泊松比数值大小。

试件的制备具体参数及负泊松比测试结果：

采用附图9所述制备装置制备具体的负泊松比性能的试件，附图9中长方形外框12的内壁尺寸为88×27mm，嵌入的垫块13和垫块15的尺寸为4×27mm，垫块13和垫块15的微槽间距从该试件左侧边沿至右侧边沿分别为3mm、3mm、3mm、9mm、3mm、3mm、3mm，该试件左侧3mm等间隔插入3片铁片14，镜像对称插入3片铁片14，在铁片14平直时垫块13和垫块15的带微槽的两个面之间的距离为70.1mm，旋转附图9中的螺栓17的螺母，螺栓17和零件16同时推动垫块13向垫块15方向移动0.5mm，铁片14弯曲成图1所述的弧形体2，在长方形外框12内浇注液态的上海鹤明测试仪器有限公司生产的水晶王树脂，制备出具有负泊松比性能的试件，如附图5所示在该试件上粘贴4枚标距为20mm的电阻应变计，在电子万能试验机上做压缩实验，实验测试所得的原始数据参见表1，由于加载偏心及电阻应变仪零点不一致，表1中第一次测试与第二次测试的ε₁、ε₃、ε₂、ε₄读数有差异，但不影响泊松比测试结果的重复性。表2为具有负泊松比性能的试件的泊松比测试结果统计。从表2可见，制备的具有负泊松比性能的试件的泊松比在小载荷时负泊松比效应显著，应力0.99MPa时泊松比为-1.118，随着载荷的逐渐增加，负泊松比效应减弱，逐渐变为正泊松比性能。

表1 具有负泊松比性能的试件泊松比测试原始数据

    (弧形体2为钢片，基底材料1为树脂)

表2 具有负泊松比性能的试件泊松比测试结果统计

    (弧形体2为钢片，基底材料1为树脂)

Claims (8)

1.一种具有负泊松比性能的试件，其特征在于：所述试件是在基底材料(1)内嵌入多个弧形体(2)，所述试件左右两侧的弧形体(2)呈镜像对称分布，所述试件同一侧的弧形体(2)弯曲弧度相同，且等间隔分布；所述弧形体(2)的弹性模量、刚度与基底材料(1)不同，在所述试件基底材料(1)固化过程中，在所述试件的受力方向上嵌入弧形体(2)，或者在所述试件的基底材料(1)固化后，拔出在所述试件的受力方向上嵌入的弧形体(2)，或者在整块基底材料(1)的试件上，通过强化、机械加工出弹性模量、刚度与基底材料(1)不同的弧形体(2)，或者通过化学反应形成弹性模量、刚度与基底材料(1)不同的弧形体(2)。

2.根据权利要求1所述的具有负泊松比性能的试件，所述弧形体(2)包含纤维增强的弧形体(3)，在所述试件的基底材料(1)固化过程中，在所述试件的受力方向上，使纤维等间隔地沿弧形状掺杂于基底材料(1)内。

3.根据权利要求2所述的具有负泊松比性能的试件，所述纤维增强的弧形体(3)，包含人工制备试件，和通电线匝(5)产生磁场(6)使磁性纤维(4)弯曲定向排布制备试件。

4.根据权利要求1所述的具有负泊松比性能的试件，所述弧形体(2)包含气泡削弱的弧形体(7)，在所述试件的基底材料(1)固化前，在所述试件的受力方向上，沿等间隔的弧形状搅动液态基底材料(1)，使气泡沿等间隔的弧形状产生。

5.根据权利要求1所述的具有负泊松比性能的试件，所述弧形体(2)包含弧形状缝隙(8)，在所述试件的受力方向上挖出弧形状等间隔缝隙(8)，或者在基底材料(1)固化后抽出预先嵌入的弧形体(2)。

6.根据权利要求1所述的具有负泊松比性能的试件，所述弧形体(2)包含多级弯曲的弧形体(9)，每一级的弯曲都是由更细一级的弯曲组成。

7.根据权利要求1所述的具有负泊松比性能的试件，所述弧形体(2)包含鱼鳞状的弧形体(11)，在所述试件的受力方向上有多个鱼鳞状排列的弧度。

8.根据权利要求1所述的具有负泊松比性能的试件，所述试件具有负泊松比性能，在弧形体(2)切向受拉时其垂直方向具有膨胀性，在弧形体(2)切向受压时其垂直方向具有收缩和挤缩性的力学性能。

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