负泊松比金属橡胶材料的形变机理、制备方法和力学性能研究

目前研制出的负泊松比材料较少，而且多为高分子和复合材料，自身强度和硬度较低，承载能力小，无法在武器装备等具有较大振动、冲击载荷的环境下应用。因此，本项目提出了一种新型的具有负泊松比的金属橡胶材料的制备方法。即以普通金属橡胶内部不同形态的金属螺旋丝受压时体现的泊松比特性和具有负泊松比的泡沫和复合材料的制备方法为参考，通过调整制备工艺，研究、制备此种新型材料。该材料不仅可以提高普通金属橡胶的力学性能，具有更好的吸声特性，而且具有一定的承载能力，能够满足航空航天、舰艇船舶、武器装备、交通运输等领域减振降噪的需要。同时，本项目还将对负泊松比金属橡胶材料的形变机理、制备方法及其力学性能进行理论和试验研究。基于金属橡胶细观结构特征的金属螺旋单元模型的建立，为研究引起负泊松比效应的机理提供了一种新思路、新模型；在此基础上，金属橡胶泊松比本构关系的建立，为负泊松比金属橡胶的工程应用奠定了基础。

本项目解决了负泊松比金属橡胶制备工艺和本构模型等关键科学问题，提出并成功研制了一种高承载能力（弹性模量范围5-100MPa）、大阻尼性能（损耗因子0.2~0.3）、泊松比数值最小可以控制在-0.1左右的金属橡胶材料，理论与试验相结合研究了其力学性能的影响参数及规律。.本项目圆满完成了《项目计划任务书》中规定的研究目标和研究任务，超额完成了各项考核指标。在本学科有影响的国际国内期刊上发表论文18篇（均标注本基金项目资助），其中SCI检索9篇，EI检索7篇；培养博士研究生4名、硕士研究生2名。.（1）负泊松比金属橡胶材料的形变机理研究.建立了金属橡胶材料“螺旋卷”微元体模型，建立了三种接触状态螺旋卷接触对的力学模型，根据扫描得到的金属橡胶材料各切面金属螺旋丝的分布特征和接触状态统计数据，确定金属橡胶材料不同形态、不同接触状态的螺旋卷微元体的数量和比例，建立金属橡胶材料模压成型方向和非成型方向的本构关系，以此为基础建立了金属橡胶材料的泊松比模型，实现了泊松比的预测。.（2）负泊松比金属橡胶材料的制备方法研究.通过控制金属橡胶毛坯各层的编织方式、取向角以及各层之间的质量配比和重叠度来调整金属橡胶材料的多层编织工艺，控制金属螺旋丝的轴线与承载方向的角度；通过采用收缩型双轴压缩，并进行加热、冷却和松弛等特殊处理来调整成型工艺，进一步控制金属螺旋丝的轴线与承载方向的角度和金属螺旋丝之间的接触状态，进而控制金属橡胶的泊松比特性，最终制备出了负泊松比金属橡胶样件。本项目初步制定了负泊松比金属橡胶材料的工艺流程和工艺规范。.（3）负泊松比金属橡胶材料力学特性的试验研究.对负泊松比金属橡胶材料的制备工艺、宏观力学性能及其参数影响规律进行了全面的试验研究。试验结果不仅验证了本文研制的金属橡胶材料的泊松比特性以及所建立的泊松比模型的有效性和准确性，而且为负泊松比金属橡胶构件的推广应用提供了必不可少的设计规范。