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《自然·通讯》:具有可调负泊松比的碳纳米结构薄膜

发布日期:2019-06-05  点击数:  作者:

作为材料的弹性参数之一,泊松比(Poisson’s Ratio)定义为加载时横向应变与纵向应变比率的负数。自两个世纪前法国科学家泊松提出这个概念以来,泊松比与弹性模量作为材料的基础弹性参数,为衡量材料结构受载能力与形变提供了基本度量。

大部分工程材料的泊松比为正值,介于00.5之间,即受拉时横向收缩。然而近年来的研究表明,通过微结构的设计可实现负泊松比材料,在拉伸时其横向反常膨胀(1),故亦称拉胀材料。此类材料作为负系数材料的分支,被认为可以强化材料力学性能,例如提高剪切模量、增大压痕阻力、甚至自修补等等,因而在在军事和民用功能材料中具有广阔应用前景。

最近,我院力学系与清华大学化学系、力学系、德克萨斯大学机械系的科研人员合作研究发现,高强度的石墨烯薄膜(抗拉强度约400 MPa)也具有面内负泊松比现象。基于实验表征数据的力学模型指出石墨烯薄膜具有多层级结构特征:单层石墨烯局部聚集成密排片层,密排片层进一步弯曲、折叠、起皱形成复杂网络结构。模型分析揭示了载荷作用下微结构的演化规律及其负泊松比行为的物理机制,即沿加载方向的密排片层受拉发生取向改变,进而导致材料厚度方向褶皱被抑制,最终表现为横向膨胀。基于对微结构及其演化规律的理解,实验提出并验证了通过湿环境下预应力加载改变材料结构进而在较大范围内调控负泊松比(-0.25~-0.55)的方法。原位拉曼表征与力学模型分析一致表明,材料的负泊松比取决于密排片层的取向度,而理论预测通过微结构调控材料所得面内负泊松比下限为-1,这本质上是源于该材料面内弹性各向同性的约束。

该工作不仅给出了石墨烯薄膜材料多层级微结构及其演化规律的力学理解,也为设计、制备高性能、多功能负泊松比薄膜材料提供了新思路。论文日前发表于Nature Communications期刊, 清华大学博士研究生温烨烨、我院副研究员高恩来、德克萨斯大学博士后胡振兴为共同第一作者,清华大学教授徐志平、李春为共同通讯作者。参与该工作的还有德克萨斯大学机械系鲁红兵教授,徐廷戈博士。该工作受到了国家自然科学基金委、武汉大学和美国国家科学基金会资助。

论文链接:

 https://www.nature.com/articles/s41467-019-10361-3?tdsourcetag=s_pcqq_aiomsg


                                             

1 具有可调负泊松比的碳纳米结构薄膜示意图。