Материаловедение

Ауксетичные материалы

Для большинства материалов харктернро следующее: при приложении к образцу материала растягивающего усилия он удлиняется, т.е. его продольная длина увеличивается, а поперечное сечение, наоборот, уменьшается, а при приложении сжимающего усилия он укорачивается, т.е. его продольная длина уменьшается, а поперечное сечение, наоборот, увеличивается. Величина, показывающая, во сколько раз изменяется поперечное сечение деформируемого образца материала при его растяжении или сжатии, называется коэффициентом Пуассона (коэффициентом поперечной деформации), который определяется как отношение поперечной деформации к продольной деформации, взятое со знаком минус:

где ε´ – поперечная деформация (относительное изменение размера в поперечном направлении); ε – продольная деформация (относительное изменение размера в продольном направлении).

Для большинства материалов деформация ε´ отрицательна при растяжении и положительна при сжатии, а деформация ε, наоборот, положеительна при растяжении и отрицательна при сжатии, т.е. коэффициент Пуассона имеет положительные значения.

Вместе с тем, существуют материалы, для которых значения коэффициента Пуассона отрицательны (µ < 0). Их называют ауксетичными материалами, или ауксектиками (от греческого «auxetos» — «разбухающий») (название предложено в 1990 г. английским ученым К. Эвансом). Для таких материалов поперечное сечение образца увеличивается при приложении растягивающего усилия, и, соответственно, уменьшается при приложении сжимающего усилия, т.е. деформации ε´ и ε положительны при растяжении и отрицательны при сжатии.

Утолщение ауксектиков в направлении, перпендикулярном приложенной растягивающей силе, происходит из-за их шарнирноподобной структуры, которая деформируется при растяжении.

Одним из наиболее распространенных видов ауксетиков являются ячеистые материалы (пороматериалы), в частности, пенопласты (вспененные пластмассы), структура которых характеризуется наличием ячеек с вогнутыми стенками (рис. 1).

Структура пенополиуретана, состоящая из ячеек с вогнутыми стенками

Рис. 1. Структура пенополиуретана, состоящая из ячеек с вогнутыми стенками

На рис. 2, а показана (для сравнения) схема деформирования обычного ячеистого материала с положительным коэффициентом Пуассона, структура которого образована шестиугольными ячейками с выпуклыми стенками. Под действием приложенной одноосной растягивающей нагрузки ячейки расширяются в направлении растяжения и одновременно сокращаются в поперечном направлении.

Схемы деформирования обычного ячеистого материала (а) и ячеистых ауксетиков (б, в)

Рис. 2. Схемы деформирования обычного ячеистого материала (а) и ячеистых ауксетиков (б, в)

На рис. 2, б, в показаны схемы деформирования ячеистых ауксетиков, структуры которых образованы различными по конфигурации ячейками с вогнутыми стенками. Под действием приложенной одноосной растягивающей нагрузки ячейки расширяются как в направлении растяжения, так и в поперечном направлении.

Проявление ауксетичного эффекта в ячеистых материалах обусловлено особенностями их строения на макроскопическом уровне, осуществляемого по принципу структурно-механического сочетания жестких и податливых элементов структуры. Следует заметить, что этот принцип может быть перенесен также на микроскопический (молекулярный) уровень. Например, методами молекулярной механики установлено, что ауксетичный эффект может наблюдаться в полимерах, фрагменты макромолекул которых имеют вид, показанный на рис. 3.

Фрагмент макромолекулы ауксетичного полимера

Рис. 3. Фрагмент макромолекулы ауксетичного полимера

Нетрудно видеть, что такие фрагменты подобны по конфигурации элементам структуры ячеистого ауксетика, изображенной на рис. 2, б.

К ауксетикам относятся некоторые виды композиционных материалов. На рис. 4 показана схема деформирования ауксетичного композита ламинатного типа. При его растяжении увеличение ширины (AB) прямо пропорционально увеличению длины (CD). Если вертикально совместить ряд таких конструкций, то полученный при этом «штабель» будет проявлять ауксетичный эффект.

Ауксетичный композит ламинатного типа

Рис. 4. Ауксетичный композит ламинатного типаа – структура; б – схема деформирования

На рис. 5 показана схема деформирования ауксетичного волокнистого композита.

Схема деформирования ауксетичного волокнистого композита

Рис. 5. Схема деформирования ауксетичного волокнистого композита

Следует заметить, что подобная схема деформирования, проявляющаяся на молекулярном уровне, присуща полимерам с молекулярным строением, изображенным на рис. 6.

Молекулярное строение ауксетичного полимера

Рис. 6. Молекулярное строение ауксетичного полимера

В композитах, армированных ауксетичными волокнами или тканями, значительно повышается прочность, что делает их перспективными для применения в ударо- и энергопоглощающих конструкциях, а также в средствах индивидуальной защиты (жилеты, шлемы, щитки).

Пористые ауксетичные материалы могут служить в качестве фильтрующих элементов. При их растяжении размер пор возрастает, позволяя проходить более крупным частицам; тем самым регулируется размерная селективность фильтра.

Ауксетики применяются в пьезоэлектрических преобразователях, усиливая отклик пьезоэлектрика, помещенного между двумя ауксетичными электродами, на прилагаемую нагрузку.

Экспериментально показана возможность использования ауксетичного политетрафторэтилена (тефлона) в качестве протезов для крупных кровеносных сосудов. Кроме того, ауксетичные пороматериалы могут найти еще одно применение в медицине: в качестве подушек и прокладок для лежачих больных, предотвращая образование у них «пролежней».

Ауксетичный эффект может проявляться в тканях, структурные особенности которых представлены на рис. 7.

Схема формирования ауксетичной ткани

Рис. 7. Схема формирования ауксетичной тканиа – 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)

Практический интерес к ауксетикам обусловлен возможностью создания на их основе изделий с особыми деформационнопрочностными характеристиками. Ауксетики можно использовать для изготовления интеллектуальных элементов крепежных соединений типа фиксаторов и заклепок, которые при наложении нагрузки плотнее прилегают к сопряженной поверхности, увеличивая несущую нагрузку соединения.

Ауксетики встречаются в природе, в частности, среди минералов. Ауксетичные эффекты наблюдаются в некоторых образцах гранитных пород, содержащих микротрещины, а также пористых песчаниках. Они также экспериментально установлены для сильно анизотропной древесины березы и хвойных пород.

Ауксетичные свойства могут проявлять пористые биоткани, в частности, трубчатые кости человека. Экзотическим представителем ауксетиков являются эритроциты, при деформировании которых определяющую роль играет конформация внешнего белкового скелета.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *