Для большинства известных материалов характерна следующая закономерность: когда на образец действует растягивающее усилие, происходит увеличение его длины вдоль направления силы, то есть образец вытягивается. Одновременно с этим его поперечное сечение уменьшается. В противоположной ситуации, при действии сжимающей нагрузки, материал сокращается вдоль оси приложения усилия и, наоборот, расширяется поперёк.
Изменения размеров в поперечном направлении относительно продольной деформации описывает физическая величина, известная как коэффициент Пуассона (также именуемый коэффициентом поперечной деформации). Он количественно выражается через отношение поперечной деформации к продольной, взятое со знаком минус:
где ε´ обозначает относительное изменение размеров в поперечном направлении, а ε — относительное удлинение (или укорочение) вдоль направления действия усилия.
Для подавляющего числа материалов наблюдается следующая зависимость: при растяжении ε положительно, а ε´ — отрицательно. При сжатии — наоборот: ε становится отрицательным, в то время как ε´ принимает положительное значение. Следовательно, в большинстве случаев коэффициент Пуассона является положительной величиной.
Однако существуют материалы, демонстрирующие обратную механическую реакцию. У них коэффициент Пуассона может принимать отрицательные значения (µ < 0). Такие материалы называют ауксетичными (или ауксетиками), что происходит от греческого слова «auxetos», означающего «увеличивающийся». Термин введён в научный обиход в 1990 году британским исследователем К. Эвансом.
В отличие от традиционных материалов, ауксетики при растяжении увеличиваются не только в продольном, но и в поперечном направлениях. А при сжатии — наоборот: уменьшаются одновременно по всем осям. Таким образом, как ε, так и ε´ принимают положительные значения при растяжении и отрицательные при сжатии.
Этот уникальный эффект объясняется особенностями внутренней структуры таких материалов, часто напоминающей систему шарнирных соединений. Под действием нагрузки элементы структуры деформируются особым образом, приводя к увеличению размеров в направлениях, обычно противоположных по характеру.
Одной из распространённых форм ауксетиков являются пористые материалы, особенно пенопласты, представляющие собой вспененные полимеры с особым строением. Их структура включает ячейки с вогнутыми стенками, как показано на изображении ниже.
Рис. 1. Структура пенополиуретана, представленная системой ячеек с вогнутыми гранями
Для сравнения на рис. 2, а изображена модель деформации обычного ячеистого материала с положительным значением коэффициента Пуассона. В этом случае структура состоит из шестиугольных ячеек с выпуклыми стенками. При растяжении такие ячейки расширяются вдоль усилия, но сжимаются поперёк.
Рис. 2. Сравнение деформационных схем: а — стандартный ячеистый материал; б, в — ауксетики с вогнутыми ячейками
В отличие от этого, на рис. 2, б и в продемонстрированы ячеистые структуры ауксетиков. Здесь, под действием растягивающей силы, ячейки раскрываются сразу в двух направлениях — продольном и поперечном. Такой эффект становится возможен благодаря геометрии ячеек и их вогнутым границам.
Ауксетичное поведение на макроуровне связано с принципом конструктивного сочетания жёстких и гибких элементов в структуре. Интересно, что аналогичный принцип реализуем и на уровне молекулярной архитектуры. Исследования в области молекулярной механики выявили, что макромолекулы некоторых полимеров имеют конфигурации, способные обеспечивать аналогичный эффект.
На следующем изображении представлен характерный фрагмент молекулярной цепи ауксетичного полимера:
Рис. 3. Конфигурация фрагмента макромолекулы ауксетичного полимера
Наблюдается явное сходство между данным фрагментом и структурой, показанной на рис. 2, б, что подтверждает универсальность принципа.
Некоторые типы композиционных материалов также проявляют ауксетические свойства. Примером может служить ламинатный ауксетичный композит, схема деформации которого представлена ниже. При его растяжении одновременно увеличиваются и длина (CD), и ширина (AB). Несколько таких элементов, объединённых в вертикальный ряд, формируют ауксетичную конструкцию.
Рис. 4. Ламинатный композит с ауксетичным поведением: а — структурное построение; б — схема при деформации
Кроме ламинатов, к числу ауксетичных композитов относятся волокнистые материалы. Один из таких примеров демонстрируется на рисунке ниже.
Рис. 5. Схема растяжения волокнистого ауксетичного композита
Аналогичное поведение наблюдается и на уровне молекулярной структуры в определённых полимерах. Рисунок ниже иллюстрирует подобное молекулярное построение.
Рис. 6. Молекулярная архитектура ауксетичного полимера
Интеграция ауксетичных волокон в композитные структуры существенно улучшает их механические свойства, в частности — ударопрочность и способность к поглощению энергии. Эти материалы находят применение в средствах индивидуальной защиты, таких как бронежилеты, каски, щиты и другие элементы защитного снаряжения.
Кроме того, пористые ауксетики могут использоваться как селективные фильтрующие элементы. При их растяжении диаметр пор увеличивается, обеспечивая прохождение более крупных частиц и позволяя эффективно регулировать фильтрацию по размеру.
Ауксетичные материалы находят применение в области сенсорных технологий, включая пьезоэлектрические преобразователи. Установлено, что размещение пьезоэлемента между двумя ауксетичными электродами позволяет добиться значительно более выраженной реакции на внешнее механическое воздействие. Это усиление происходит за счёт уникального деформационного поведения ауксетиков, способствующего более плотному контакту с пьезоэлектриком при нагрузке.
Ауксетический эффект проявляется также в особых типах текстильных структур, принципы формирования которых представлены на схеме ниже (рис. 7). Конструкция ткани, основанная на использовании шнуров, обёрнутых высокопрочной нитью, обеспечивает увеличение общей толщины при растяжении за счёт изгиба волокон. Такой эффект особенно отчётливо выражен в многожильных композициях, формирующих ауксетичную ткань.
Рис. 7. Схема формирования ауксетичной ткани: а – обычный шнур, толщина которого уменьшается при растяжении; б – шнур, обернутый тонкой прочной нитью, растяжение которой приводит к увеличению суммарной толщины шнура за счет его изгиба; в – два параллельных шнура, обернутых тонкой прочной нитью; г – набор шнуров, обернутых тонкой прочной нитью (ауксетичная ткань)
В медицинской отрасли ауксетические материалы также находят разнообразные применения. Так, экспериментальные исследования подтвердили возможность использования ауксетичного политетрафторэтилена (широко известного как тефлон) при изготовлении сосудистых протезов большого диаметра. Ауксетики, обладающие пористой структурой, представляют интерес как материал для создания подкладок и подушек, используемых при длительном лежачем положении пациентов, снижая риск развития пролежней за счёт адаптивных деформационных свойств.
Более того, существует ряд природных объектов, в которых обнаруживаются ауксетические характеристики. Некоторые типы горных пород, включая гранит с сетью микротрещин, а также определённые разновидности песчаника, обладают аналогичным поведением при приложении механической нагрузки. Из древесных материалов ауксетичные эффекты зафиксированы у сильно анизотропной древесины — например, у берёзы и хвойных пород.
Не менее интересны проявления ауксетичности в биологических тканях. Так, трубчатые кости человека демонстрируют поведение, сходное с поведением пористых ауксетиков. Удивительным биологическим примером можно считать эритроциты, которые в процессе деформации ведут себя ауксетично благодаря структуре их наружного белкового каркаса, играющего ключевую роль в деформационной устойчивости клетки.
В контексте прикладных инженерных решений ауксетики могут использоваться для создания функциональных механических элементов — например, интеллектуальных фиксаторов или заклёпок, деформация которых при нагружении обеспечивает более плотное прилегание к сопряжённым поверхностям. Это позволяет добиться не только повышения прочности соединений, но и повышения их эксплуатационной надёжности в динамических условиях.
Таким образом, практическое значение ауксетиков многогранно и охватывает как область медицины и материаловедения, так и передовые технологии машиностроения и сенсорики, где критически важна адаптивность материала к изменяющимся внешним условиям.
Интересные факты:
- В природе ауксетичные свойства проявляют трубчатые кости, берёзовая древесина, некоторые пористые горные породы и даже эритроциты человека — красные кровяные тельца.
- При растяжении ауксетик становится толще, а не тоньше, как обычные материалы.
- Специально разработанные ауксетики могут фильтровать частицы разного размера, просто изменяя форму под нагрузкой.
- В пулеустойчивых жилетах ауксетичные волокна способны лучше поглощать кинетическую энергию удара.
- Некоторые ауксетики можно напечатать на 3D-принтере — при этом можно точно задавать нужную форму ячеек, чтобы управлять их поведением.
- Ауксетики можно использовать в протезировании сосудов, потому что их свойства помогают адаптироваться к пульсирующему кровотоку.
- Удивительно, но молекулярные цепи некоторых полимеров формируют структуры, которые ведут себя точно так же, как крупные механические аналоги на макроуровне.
Заключение:
Ауксетичные материалы представляют собой одно из самых захватывающих направлений современной науки о материалах. Их уникальное поведение при механических нагрузках разрушает привычные представления о деформации и открывает новые горизонты в инженерии, биомедицине и смарт-технологиях.
От природных образцов до высокотехнологичных композитов — ауксетики демонстрируют универсальность принципа, лежащего в основе их структуры. Управление внутренней геометрией ячеек или молекул позволяет создавать материалы, способные адаптироваться к внешним условиям, защищать, фильтровать, усиливать отклики и даже лечить.
Понимание природы и возможностей ауксетиков может стать ключом к созданию нового поколения интеллектуальных материалов, которые не просто выдерживают нагрузки, а реагируют на них разумно.
Александр работал над проектами по внедрению комплексных решений для диагностики и оптимизации работы металлорежущих станков. Он регулярно публикует статьи о передовых методах резки, наплавки и покрытий, а также освещает новинки в сфере литейного производства и полимерных композиционных материалов — включая технологии контактного формования и сварку.