拉脹高分子應(yīng)用前景及展望

由于具有負泊松比，拉脹高分子材料擁有諸多獨特性能，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)用于防護衣、防護設(shè)備、防護帽、防彈背心、護腿、護膝或護套。由長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耐壓抗震性能。在生物醫(yī)學(xué)方面，人造拉脹血管可增強血管壁對血液跳動的反應(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，因而將在國防領(lǐng)域如核潛艇制造上有重要應(yīng)用。

總之，作為一個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、生物醫(yī)學(xué)、傳感器和其它領(lǐng)域。2100433B

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，但多孔度高可能會因較低的強度和穩(wěn)定性而限制多孔性拉脹材料的應(yīng)用。對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)生負泊松比的材料。因此，設(shè)計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)計的最初嘗試是一個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，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)計和計算機模擬方面涉及的相對較多，而合成方面的研究涉及的較少，究其原因，一方面可能是因為作為一個新興的研究領(lǐng)域，拉脹材料還遠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為以往的研究焦點大多數(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，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，這為負泊松比所需要的適當(dāng)?shù)姆肿舆\動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)的拉脹聚合物實現(xiàn)起來要來得更現(xiàn)實和簡便。因而，設(shè)計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研究對象，幾何學(xué)和計算機模擬方面的結(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)，因此有望獲得負泊松比。

研究表明，拉脹材料所具有的獨特性能取決于其特殊的微觀結(jié)構(gòu)，為此科學(xué)家們對拉脹材料的微觀結(jié)構(gòu)與形變機理做了大量的工作，根據(jù)材料類型的不同，提出了幾種解釋負泊松比效應(yīng)的機理。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泊松比材料的拉脹機理。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理。盡管不同類型的拉脹高聚物其拉脹機理各有不同，但有一點卻是共同的，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制采用某種確定的合作方式來完成的。關(guān)于拉脹機理的研究還有待進一步深入。

拉脹高分子泡沫聚合物

1987年，美國學(xué)者Lakes將普通聚氨酯泡沫放入鋁制模具中，進行三維壓縮后再對其進行加熱、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特定設(shè)計的圓筒形密閉室內(nèi)，用烘箱提供輔助加熱，同時加熱和加壓一定時間，之后抽真空保持一段時間，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發(fā)現(xiàn)負泊松比效應(yīng)的存在，并提出這種拉脹聚四氟乙烯具有節(jié)點-微纖的微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)是由節(jié)點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泊松比纖維來增強。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復(fù)合材料主要的失效機理。Evans的研究表明，拉脹纖維可延緩纖維的拔出，因為拉脹纖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等對利用拉脹纖維提高纖維拔出力的概念進行了驗證，與使用正泊松比纖維的試件相比，拉脹纖維鎖死機理使試件能夠承受的最大荷載提高了2倍。

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

“拉脹”一詞意為“受拉膨脹”。1987年，美國R.萊克斯通通過簡單加工方法制備出世界上第一個拉脹材料——泊松比在-0.7左右的接近各項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、高模拉脹高分子，并以高分子亞穩(wěn)態(tài)理論闡明其拉脹機制，正受到重視。

強度脹接基本原理

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。橡膠脹接是利用機械壓力使特種橡膠長度縮短，直徑增大，從而帶動換熱管擴張達到脹接的目的。爆炸脹接是利用炸藥在換熱管內(nèi)有效長度內(nèi)爆炸，使換熱管貼緊管板而達到脹接目的。這些脹接方法具有生產(chǎn)效率高，勞動強度低，密封性能好等特點。

強度脹接主要適用

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

脹縮波（dilatational wave）是體波的一種，其傳播方向同質(zhì)點振動方向一致，傳播過程是沿著波前進的方向出現(xiàn)疏密不同的部分。實質(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。

強度脹接簡介

是指保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。常用的脹接有非均勻脹接（機械滾珠脹接）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。

強度脹接脹接方法

機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，從而達到緊固與密封的目的。