论文总字数：31523字

摘 要

负泊松比材料在受到单轴拉伸时会发生侧向膨胀，而这一独特的力学性能使之成为超材料领域的新星，将其运用到一些机械或工程中可以解决很多问题，因此受到了广大科研工作者的关注与青睐。本文以水晶弹力线为芯部材料、玻璃纤维为包裹材料，通过自制的简易环锭纺织机制备出了一种负泊松比纱线，并对所制得的纱线进行表面处理与人工切割成短纤维，将其加入到水泥基材料中，希望能凭借其优异的负泊松比效应对水泥基材料起到一定增强作用。通过测定纤维力学性能，对加入纤维后的水泥基材料进行抗压、抗折强度测试、CT扫描以及SEM微观形貌观察等来研究负泊松比纤维对水泥基材料的增强作用。

本文通过以上试验发现，以水晶弹力线为芯部材料、玻璃纤维为包裹材料的负泊松比纤维对水泥基材料的力学性能增强作用不明显，对此分析了试验结果不理想的原因，并在此基础上提出了部分改进方案与措施。此外还结合3D打印技术对负泊松比纤维进行初步制备，探索负泊松比纤维的新型制备技术。

关键词：负泊松比效应，负泊松比纤维，水泥基材料，力学性能，微观测试

ABSTRACT

The negative Poisson's ratio material will undergo lateral expansion when subjected to uniaxial stretching, and this unique mechanical property makes it a new star in the field of metamaterials. Applying it to some machinery or engineering can solve many problems, so it is subject to The attention and favor of the majority of scientific research workers. In this paper, a crystal elastic wire is used as the core material and the glass fiber is used as the wrapping material. A negative Poisson yarn is prepared by a self-made simple ring spinning machine, and the prepared yarn is subjected to surface treatment and manual cutting. Short fiber is added to the cement-based material, and it is hoped that the cement-based material can be enhanced by its excellent negative Poisson's ratio effect. By measuring the mechanical properties of the fiber, the cement-based materials added to the fiber were tested for compressive strength, flexural strength, CT scan and SEM microscopic morphology to study the reinforcing effect of negative Poisson's ratio fiber on cement-based materials.

Through the above experiments, it is found that the negative poisson-spinning fiber with crystal elastic wire as the core material and glass fiber as the wrapping material has no obvious effect on the mechanical properties of the cement-based material, and the reasons for the unsatisfactory test results are analyzed. Based on this, some improvement plans and measures are proposed. In addition, the preliminary preparation of negative Poisson's fiber was carried out in combination with 3D printing technology, and a new preparation technology of negative Poisson's ratio fiber was explored.

KEY WORDS: negative poisson's ratio effect, helix fiber, cement based material, mechanical properties, microscopic test

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2负泊松比材料分类 2

1.2.1负泊松比复合材料 2

1.2.2分子负泊松比材料 2

1.2.3多孔负泊松比材料 3

1.3负泊松比材料性能 3

1.3.1弹性模量与剪切模量 3

1.3.2压痕阻力 4

1.3.3弯曲特点 4

1.4负泊松比材料的应用 5

1.5负泊松比纤维 6

1.6负泊松比纤维增强水泥基材料 8

1.73D打印技术 8

1.8本文主要研究内容 9

第二章 原材料及试验方案 10

2.1试验仪器 10

2.2试验原材料及性能 10

2.2.1纤维制备原材料 10

2.2.2砂浆原材料 11

2.3.1负泊松比纤维设计 13

2.3.2砂浆配合比 13

2.4试验方案设计 13

2.5测试方法 14

2.5.1负泊松比纤维力学性能测试 14

2.5.2砂浆抗压抗折强度测试 14

2.5.3CT扫描 14

2.5.4扫描电镜微观分析 15

2.5.53D打印 16

2.6本章小结 16

第三章 负泊松比纤维的制备和力学性能测试 17

3.1简易环锭纺织机的设计与制作 17

3.1.1设计思路 17

3.1.2简易环锭纺织机的制作 17

3.2纱线负泊松比效应观察 19

3.3负泊松比纱线表面处理 19

3.4负泊松比纱线力学性能测试及分析 21

3.5本章小结 22

第四章 负泊松比纤维增强水泥基材料 23

4.1纤维切割 23

4.2试块成型与养护 23

4.3CT测试 23

4.4抗压抗折强度测试 25

4.6本章小结 30

第五章 3D打印负泊松比纤维 31

5.1打印原材料抗拉强度测试 31

5.23D打印负泊松比纤维 32

5.3本章小结 34

第六章 结论与展望 35

参考文献 37

致 谢 40

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

超材料一词是从英文单词“Metamaterial”^[1]翻译而来的，最早出现在物理学领域，但目前仍未对其确切定义，一般的文献中认为超材料就是具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料^[2]。那么超材料所具备的自然界不存在的性质必然是通过人为创造的。因此,人们可以通过将材料内部结构进行各种层次的有序排列实现对各种物理量的调制,从而获得自然界中在该层次上无序或无结构的材料所不具备的物理性质^[3]。同时，超材料所表现出的超常物理特性广泛涉及声、光、热、力、电磁学领域，使其在工业、军事等领域具有十分广阔的应用前景^[4]。

泊松比的标准定义为：在材料的比例极限内，由均匀分布的纵向应力所引起的横向应变与相应的纵向应变之比的绝对值。最早由法国著名数学家Simeom Denis Poisson发现并提出。其数学表达式为：

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