材料、能源、信息作為當(dāng)今世界文明的重要支柱，其研究與發(fā)展對(duì)科技進(jìn)步、工程應(yīng)用和人民生活具有重要影響。21世紀(jì)以來，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展、日新月異，人們對(duì)這個(gè)世界的探索更加廣闊和深入。各種工程設(shè)備需要應(yīng)對(duì)的工況愈發(fā)復(fù)雜，這就對(duì)材料的性能提出了更高的要求。

傳統(tǒng)材料的性能主要取決于材料本身的組成，因此其性能的提升主要通過改變材料的成分或優(yōu)化制備技術(shù)。這些方式雖能使材料性能有一定程度的提升，但很難突破自身材料的極限。為了適應(yīng)各種特殊工況的要求，針對(duì)性地滿足某些條件，超構(gòu)材料應(yīng)運(yùn)而生。

超構(gòu)材料（Metamaterial）是本世紀(jì)出現(xiàn)的一個(gè)新的物理名詞，通常將其定義為：一類具有超正常物理特性的人造復(fù)合結(jié)構(gòu)或材料，不適用于天然材料。超構(gòu)材料的特點(diǎn)是通過人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，賦予普通材料超越自身極限的屬性，這種材料設(shè)計(jì)理念極大地解放了材料本身對(duì)性能提升的束縛。

超構(gòu)材料自誕生以來就引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，成為各國特殊功能材料研究的重點(diǎn)。國內(nèi)更是在《中國制造2025》與國家“十三五”規(guī)劃綱要中明確提出，要加大對(duì)新材料如智能材料、超材料等的研發(fā)。

機(jī)械超構(gòu)材料中的負(fù)泊松比超構(gòu)材料

在機(jī)械超構(gòu)材料（Mechanical Metamaterials）中，存在一類特殊結(jié)構(gòu)的人造材料——負(fù)泊松比（Negative Poisson’s Ratio, NPR）超構(gòu)材料。

泊松比的發(fā)現(xiàn)與定義

泊松比由法國科學(xué)家泊松（Simon Denis Poisson，1781 - 1840）最早在1829年發(fā)現(xiàn)并提出。其定義為在彈性加載方向上材料的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變比值的負(fù)數(shù)，即ν = -εx/εy，用于表征材料在與作用力垂直方向上的橫向變形的程度。泊松比的絕對(duì)值越大，表明材料在相同條件下其橫向變形越大。

常見材料的泊松比

自然界中絕大多數(shù)材料具有正的泊松比，約為1/3。例如，聚合物泡沫材料為0.1～0.4，橡膠類材料為0.5，銅為0.27，金屬鋁為0.33等。這些材料縱向拉伸（或壓縮）時(shí)橫向發(fā)生擠壓變形（或拉伸）。而具有負(fù)泊松比的材料在縱向拉伸（或壓縮）時(shí)，其橫向發(fā)生膨脹（或擠壓）變形，因此也有人將其形象地稱為拉脹材料（Auxetics）。

負(fù)泊松比超構(gòu)材料的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

負(fù)泊松比超構(gòu)材料特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其在吸能吸振、抗沖擊、抗壓痕阻力和輕量化方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，已在航空航天、汽車工業(yè)和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。并且各行業(yè)的專家學(xué)者也正在嘗試?yán)眠@些特殊性能為本行業(yè)的突破性進(jìn)展服務(wù)。

負(fù)泊松比超構(gòu)材料在摩擦學(xué)領(lǐng)域的研究意義

超構(gòu)材料優(yōu)異的性能是否適用于摩擦學(xué)領(lǐng)域，在使用過程中需要注意哪些問題，這需要我們摩擦學(xué)工作者通過研究正面回答。

摩擦學(xué)的定義與重要性

摩擦學(xué)（Tribology）是一門研究摩擦與磨損過程中，兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面之間相互作用、變化及其有關(guān)的理論與實(shí)踐的學(xué)科。在各種機(jī)器和機(jī)械裝備中，作相對(duì)運(yùn)動(dòng)的各零、部件間的配合表面，在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦。例如，各種摩擦傳動(dòng)副和制動(dòng)器都是靠摩擦作用才能正常工作。

人們?cè)絹碓角宄卣J(rèn)識(shí)到摩擦學(xué)科學(xué)對(duì)現(xiàn)代化生產(chǎn)和技術(shù)進(jìn)步，以及工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的改進(jìn)與提高所起的重要作用。摩擦學(xué)的研究對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有1/2～1/3的能源以各種形式消耗在摩擦上。而摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因，大約有80%的損壞零件是由于各種形式的磨損引起的。

負(fù)泊松比超構(gòu)材料摩擦學(xué)研究的意義

材料的抗壓減振等力學(xué)特性對(duì)摩擦學(xué)性能具有重要影響。因此，基于負(fù)泊松比超構(gòu)材料優(yōu)異的抗沖擊、吸能吸振、輕量化等特性，對(duì)其展開摩擦學(xué)的探索和研究，對(duì)開發(fā)新的摩擦副材料、實(shí)現(xiàn)摩擦副的輕量化、降低磨損量具有十分重要的意義。

目前，對(duì)負(fù)泊松比超構(gòu)材料，絕大部分研究學(xué)者關(guān)注其力學(xué)性能，對(duì)于其摩擦學(xué)性能的研究鮮有報(bào)道。基于此，使用熔融沉積成型（Fused Deposition Modeling，F(xiàn)DM）3D打印技術(shù)制備試樣，首先研究了3D打印件的摩擦機(jī)制及單層打印層厚對(duì)摩擦學(xué)性能的影響；在此基礎(chǔ)上，對(duì)負(fù)泊松比材料和傳統(tǒng)實(shí)體材料的摩擦學(xué)性能展開系統(tǒng)研究，并在不同載荷工況下進(jìn)行對(duì)比分析，為負(fù)泊松比材料在摩擦學(xué)工程領(lǐng)域的應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

機(jī)械超構(gòu)材料與負(fù)泊松比超構(gòu)材料的發(fā)展

機(jī)械超構(gòu)材料是一類以普通材料為基礎(chǔ)，通過特定的人工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來獲得具備超常規(guī)機(jī)械性能的材料，其主要包含有負(fù)泊松比材料、負(fù)壓縮材料、負(fù)剛度材料和超輕超硬材料等幾類。

負(fù)泊松比超構(gòu)材料作為一種典型的機(jī)械超構(gòu)材料，近年來引起了眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注，并在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能研究和應(yīng)用方面得到了較好的發(fā)展，且已經(jīng)在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了應(yīng)用。

在二十世紀(jì)早期，科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)自然界中少數(shù)物質(zhì)具有負(fù)泊松比特性，比如黃鐵礦、砷、鎘、母牛乳頭的部分皮膚、貓的皮膚等。這在當(dāng)時(shí)被看作是異常現(xiàn)象，人們對(duì)它的關(guān)注還并不多。

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