拉脹高分子

研究表明，拉脹材料所具有的獨(dú)特性能取決于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，為此科學(xué)家們對(duì)拉脹材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機(jī)理做了大量的工作，根據(jù)材料類型的不同，提出了幾種解釋負(fù)泊松比效應(yīng)的機(jī)理。1982年Gibson和Ashby提出具有倒插蜂窩網(wǎng)絡(luò)形狀的結(jié)構(gòu)具有負(fù)泊松比。1989年Evans和Cad-dock提出，關(guān)于拉脹材料的微觀結(jié)構(gòu)有4種不同模型：邊型結(jié)構(gòu)，棒狀結(jié)構(gòu)，箭頭狀結(jié)構(gòu)和卵型塊狀結(jié)構(gòu)。1998年Alderson提出了三段式原纖拉伸理論來解釋多孔狀負(fù)泊松比材料的拉脹機(jī)理。此外，魏高原等提出了由三臂傘狀結(jié)構(gòu)無規(guī)連結(jié)而成的三維拉脹網(wǎng)絡(luò)理論以解釋其拉脹機(jī)理。盡管不同類型的拉脹高聚物其拉脹機(jī)理各有不同，但有一點(diǎn)卻是共同的，即材料宏觀上表現(xiàn)出的拉脹行為是由其微觀上的種種機(jī)制采用某種確定的合作方式來完成的。關(guān)于拉脹機(jī)理的研究還有待進(jìn)一步深入。

研究表明，多孔度小于40%的多孔性固體不可能具有拉脹性，除非固體本身具有拉脹性，但多孔度高可能會(huì)因較低的強(qiáng)度和穩(wěn)定性而限制多孔性拉脹材料的應(yīng)用。對(duì)于這一問題的解決需要一種在分子水平或分子結(jié)構(gòu)上能產(chǎn)生負(fù)泊松比的材料。因此，設(shè)計(jì)和合成在分子水平或分子結(jié)構(gòu)上的拉脹材料成為研究的突破口。

分子水平上拉脹材料的設(shè)計(jì)的最初嘗試是一個(gè)二維周期性六邊形或圓盤集合體，當(dāng)密度很大且切向剛度超過六邊形之間的法向接觸剛度時(shí)，該體系具有拉脹性?？傮w來說，就在分子水平或分子結(jié)構(gòu)上的拉脹材料這一研究方向而言，分子設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)模擬方面涉及的相對(duì)較多，而合成方面的研究涉及的較少，究其原因，一方面可能是因?yàn)樽鳛橐粋€(gè)新興的研究領(lǐng)域，拉脹材料還遠(yuǎn)沒有引起那些技藝高超的合成化學(xué)家們的注意，另一方面更可能是因?yàn)橐酝难芯拷裹c(diǎn)大多數(shù)都集中在具有特殊幾何形狀的規(guī)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上，從合成化學(xué)家的角度來看，即便不考慮高分子的多分散性等特點(diǎn)，要合成由復(fù)雜的多單元組成的二維平面網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)絕非易事。

較之金屬、陶瓷等而言,聚合物內(nèi)部有較多的自由體積，這為負(fù)泊松比所需要的適當(dāng)?shù)姆肿舆\(yùn)動(dòng)空間留出了較大的余地，因而拉脹聚合物是首選的拉脹材料種類。而在拉脹聚合物這一范疇之內(nèi)，線型拉脹聚合物較之網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的拉脹聚合物實(shí)現(xiàn)起來要來得更現(xiàn)實(shí)和簡(jiǎn)便。因而，設(shè)計(jì)和合成在分子水平或分子結(jié)構(gòu)上的線型拉脹聚合物，是最有可能取得突破的一個(gè)方向。近年來，沿著這一思路出發(fā)，選取一些線形芳酰胺型聚合物作為重點(diǎn)研究對(duì)象，幾何學(xué)和計(jì)算機(jī)模擬方面的結(jié)果表明，利用分子鏈與分子鏈之間的氫鍵自組裝，該類聚合物可以形成類倒插蜂窩結(jié)構(gòu)，因此有望獲得負(fù)泊松比。

自然界的大多數(shù)材料具有正泊松比，即它們受到拉伸時(shí)橫截面面積將變小，而受到壓縮時(shí)橫截面面積將增大 。與之相反，拉脹材料是具有負(fù)泊松比的材料，具有受拉時(shí)其垂直方向膨脹和（或）受擠壓時(shí)收縮的力學(xué)特性，即拉脹性。負(fù)泊松比的發(fā)現(xiàn)最早可追溯到19世紀(jì)下葉，Voigt利用經(jīng)典彈性理論計(jì)算得出立體對(duì)稱的黃鐵礦具有- 1/7的泊松比。20世紀(jì)80年代以來，隨著對(duì)拉脹性及這一性質(zhì)所導(dǎo)致的材料其它一些性質(zhì)改善的深入認(rèn)識(shí)，拉脹材料的相關(guān)研究變得日益活躍。2004年和2008年分別在波蘭和英國(guó)召開了第一屆和第二屆拉脹材料國(guó)際會(huì)議，Physica Status Solidi B為此兩次專門開辟了專欄刊載相關(guān)論文。在拉脹材料的報(bào)道中，雖然拉脹金屬和拉脹陶瓷也有報(bào)道，但以拉脹高分子材料的報(bào)道居多。

“拉脹”一詞意為“受拉膨脹”。1987年，美國(guó)R.萊克斯通通過簡(jiǎn)單加工方法制備出世界上第一個(gè)拉脹材料——泊松比在-0.7左右的接近各項(xiàng)同性的聚氨酯泡沫塑料。拉脹高分子作為新型的結(jié)構(gòu)和功能材料，在品種和產(chǎn)量上已初具規(guī)模，如楊氏模量在0.2GPa左右的拉脹超高分子量聚乙烯、以拉脹聚氨酯泡沫塑料為夾心層的三明治復(fù)合板，以及拉脹聚酯濾網(wǎng)等。從分子水平上合成出高強(qiáng)、高模拉脹高分子，并以高分子亞穩(wěn)態(tài)理論闡明其拉脹機(jī)制，正受到重視。

拉脹高分子泡沫聚合物

1987年，美國(guó)學(xué)者Lakes將普通聚氨酯泡沫放入鋁制模具中，進(jìn)行三維壓縮后再對(duì)其進(jìn)行加熱、冷卻和松弛處理，制成了泊松比為-0.7的拉脹聚氨酯泡沫，這是世界上第一個(gè)人工制造的拉脹泡沫塑料。自此，拉脹泡沫的研究開始活躍起來。例如，Martz等把低密度聚乙烯泡沫放入一個(gè)特定設(shè)計(jì)的圓筒形密閉室內(nèi)，用烘箱提供輔助加熱，同時(shí)加熱和加壓一定時(shí)間，之后抽真空保持一段時(shí)間，再引入空氣使其變回常壓（即大氣壓），可使聚乙烯泡沫產(chǎn)生負(fù)泊松比的凹型結(jié)構(gòu)。

拉脹高分子微孔聚合物

1989年，Evans和Caddock在研究多孔聚四氟乙烯的性能時(shí)發(fā)現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng)的存在，并提出這種拉脹聚四氟乙烯具有節(jié)點(diǎn)-微纖的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)是由節(jié)點(diǎn)通過微纖相互連接而成，其復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)導(dǎo)致產(chǎn)生拉脹效應(yīng)。聚四氟乙烯拉脹效應(yīng)的研究揭示：其它聚合物可通過特殊加工方法，使其具有類似聚四氟乙烯的微結(jié)構(gòu)，從而呈現(xiàn)出負(fù)泊松比效應(yīng)。目前，該方法已成功應(yīng)用于制造拉脹超高分子量聚乙烯、聚丙烯、尼龍和滌綸。有學(xué)者以柔軟的高分子做連續(xù)相,軟剛性高分子做分散相，制得了泊松比小至- 9的拉脹共混聚烯烴材料。

拉脹高分子拉脹纖維

2002年，Alderson等利用聚丙烯在159℃、螺桿轉(zhuǎn)速10 r/min（1.05 rad/s）和卷繞速度2 m/min（0.03m/s）下擠出的熔融紡絲工藝，將聚丙烯制成最早的拉脹纖維，該纖維泊松比為- 0.6± 0.05。2005年，Ravirala等在拉脹聚丙烯纖維的基礎(chǔ)上成功制備了拉脹滌綸纖維和拉脹尼龍纖維。滌綸纖維在225℃、螺桿轉(zhuǎn)速5 r/min（0.525 rap/s）和卷繞速度5 m/min（0.075 m/s）下能獲得拉脹性；而尼龍纖維在195℃、螺桿轉(zhuǎn)速10 r/min（1.05 rad/s、）和卷繞速度2m/min（0.03m/s）下也能獲得拉脹性。

拉脹高分子復(fù)合材料

拉脹復(fù)合材料可分為兩類。第一類是由普通材料通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特別設(shè)計(jì)形成的拉脹復(fù)合材料；另一類制作拉脹復(fù)合材料的辦法就是引入負(fù)泊松比纖維來增強(qiáng)。眾所周知，復(fù)合材料最脆弱的部分在基體與纖維的界面處，而纖維拔出是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料主要的失效機(jī)理。Evans的研究表明，拉脹纖維可延緩纖維的拔出，因?yàn)槔浝w維通過合理匹配基體與纖維的泊松比能夠保持其界面，使纖維在拔出時(shí)發(fā)生徑向膨脹，從而與基體有效地鎖死因而不被輕易拔出。2005年，Alderson等對(duì)利用拉脹纖維提高纖維拔出力的概念進(jìn)行了驗(yàn)證，與使用正泊松比纖維的試件相比，拉脹纖維鎖死機(jī)理使試件能夠承受的最大荷載提高了2倍。

由于具有負(fù)泊松比，拉脹高分子材料擁有諸多獨(dú)特性能，比如，優(yōu)越的抗沖擊韌性、優(yōu)異的彈性和抗剪性、吸音和吸振性等等。拉脹材料有良好的能量吸收性，可應(yīng)用于防護(hù)衣、防護(hù)設(shè)備、防護(hù)帽、防彈背心、護(hù)腿、護(hù)膝或護(hù)套。由長(zhǎng)纖線或紗線傳送活性介質(zhì)導(dǎo)致拉脹紡織品因擁有消炎、防臭、藥物釋放能力而成為智能型紡織品的材料，并且拉脹紡織品能提高服裝壓力舒適性。拉脹材料用作鋪路材料可顯著增強(qiáng)耐壓抗震性能。在生物醫(yī)學(xué)方面，人造拉脹血管可增強(qiáng)血管壁對(duì)血液跳動(dòng)的反應(yīng)而耐破裂。在海洋深水作業(yè)方面，拉脹高分子材料將表現(xiàn)出很高的液壓穩(wěn)定性，因而將在國(guó)防領(lǐng)域如核潛艇制造上有重要應(yīng)用。

總之，作為一個(gè)潛力巨大的新材料品種，拉脹高分子材料有望應(yīng)用于紡織品、工業(yè)、航天、防護(hù)、生物醫(yī)學(xué)、傳感器和其它領(lǐng)域。2100433B

強(qiáng)度脹接基本原理

液壓脹接與液袋脹接的基本原理相同，都是利用液體壓力使換熱管產(chǎn)生塑性變形。橡膠脹接是利用機(jī)械壓力使特種橡膠長(zhǎng)度縮短，直徑增大，從而帶動(dòng)換熱管擴(kuò)張達(dá)到脹接的目的。爆炸脹接是利用炸藥在換熱管內(nèi)有效長(zhǎng)度內(nèi)爆炸，使換熱管貼緊管板而達(dá)到脹接目的。這些脹接方法具有生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低，密封性能好等特點(diǎn)。

強(qiáng)度脹接主要適用

強(qiáng)度脹接主要適用于設(shè)計(jì)壓力小于等于4.0MPa；設(shè)計(jì)溫度小于等于300°C；操作中無劇烈振動(dòng)、無過大溫度波動(dòng)及無明顯應(yīng)力腐蝕等場(chǎng)合。

脹縮波（dilatational wave）是體波的一種，其傳播方向同質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向一致，傳播過程是沿著波前進(jìn)的方向出現(xiàn)疏密不同的部分。實(shí)質(zhì)上，脹縮波的傳播是由于介質(zhì)中各體元發(fā)生壓縮和拉伸的變形，并產(chǎn)生使體元回復(fù)原狀的縱向彈性力而實(shí)現(xiàn)的。因此脹縮波只能在拉伸壓縮的彈性介質(zhì)中傳播，一般的固體、液體、氣體都具有拉伸和壓縮彈性，所以它們都能傳遞脹縮波。

強(qiáng)度脹接簡(jiǎn)介

是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強(qiáng)度的脹接。常用的脹接有非均勻脹接（機(jī)械滾珠脹接）和均勻脹接（液壓脹接、液袋脹接、橡膠脹接和爆炸脹接等）兩大類。

強(qiáng)度脹接脹接方法

機(jī)械滾珠脹接為最早的脹接方法，到2012年仍在大量使用。它利用滾脹管伸入插在管板孔中的管子的端部，旋轉(zhuǎn)脹管器使管子直徑增大并產(chǎn)生塑性變形，而管板只產(chǎn)生彈性變形。取出脹管器后，管板彈性恢復(fù)，使管板與管子間產(chǎn)生一定的及壓力而貼合在一起，從而達(dá)到緊固與密封的目的。