大部分工程材料的泊松比為正值，介于0和0.5之間，即受拉時(shí)橫向收縮。然而近年來的研究表明，通過微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比材料，在拉伸時(shí)其橫向反常膨脹(圖1)，故亦稱拉脹材料。此類材料作為負(fù)系數(shù)材料的分支，被認(rèn)為可以強(qiáng)化材料力學(xué)性能，例如提高剪切模量、增大壓痕阻力、甚至自修補(bǔ)等等，因而在在軍事和民用功能材料中具有廣闊應(yīng)用前景。

最近，清華大學(xué)、武漢大學(xué)、德克薩斯大學(xué)的科研人員合作研究發(fā)現(xiàn)，高強(qiáng)度的石墨烯薄膜(抗拉強(qiáng)度約400 MPa)也具有面內(nèi)負(fù)泊松比現(xiàn)象?；趯?shí)驗(yàn)表征數(shù)據(jù)的力學(xué)模型指出石墨烯薄膜具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)特征：?jiǎn)螌邮┚植烤奂擅芘牌瑢樱芘牌瑢舆M(jìn)一步彎曲、折疊、起皺形成復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。模型分析揭示了載荷作用下微結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律及其負(fù)泊松比行為的物理機(jī)制，即沿加載方向的密排片層受拉發(fā)生取向改變，進(jìn)而導(dǎo)致材料厚度方向褶皺被抑制，最終表現(xiàn)為橫向膨脹?；趯?duì)微結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律的理解，實(shí)驗(yàn)提出并驗(yàn)證了通過濕環(huán)境下預(yù)應(yīng)力加載改變材料結(jié)構(gòu)進(jìn)而在較大范圍內(nèi)調(diào)控負(fù)泊松比(-0.25~-0.55)的方法。原位拉曼表征與力學(xué)模型分析一致表明，材料的負(fù)泊松比取決于密排片層的取向度，而理論預(yù)測(cè)通過微結(jié)構(gòu)調(diào)控材料所得面內(nèi)負(fù)泊松比下限為-1，這本質(zhì)上是源于該材料面內(nèi)彈性各向同性的約束。

圖1 具有可調(diào)負(fù)泊松比的石墨烯薄膜。

該工作不僅給出了石墨烯薄膜材料多層級(jí)微結(jié)構(gòu)及其演化規(guī)律的力學(xué)理解，也為設(shè)計(jì)、制備高性能、多功能負(fù)泊松比薄膜材料提供了新思路。論文日前發(fā)表于Nature Communications期刊, 清華大學(xué)博士研究生溫?zé)顭睢⑽錆h大學(xué)副研究員高恩來、德克薩斯大學(xué)博士后胡振興為共同第一作者，清華大學(xué)教授徐志平、李春為共同通訊作者。參與該工作的還有德克薩斯大學(xué)機(jī)械系魯紅兵教授，徐廷戈博士。該工作受到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、武漢大學(xué)和美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。

理論模型解釋了負(fù)泊松比（NPR）行為的機(jī)理

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-10361-3