金属纤维多孔材料负泊松比效应的产生机理和关键孔结构形成机制研究

Metallic fiber porous materials are newly found to be the materials with the most negative poisson’s ratio(ν<-18), and are promising on the applications in high sensitive strain transducer due to this property. The auxetic effect is directly affected by the characters of pore structure and constituting material of metallic fiber porous materials while the formation mechanism of this property is not well explained. In this project, the green fiber felt of 316L stainless steel with the diameter at the level of micron will be used to fabricate the metallic fiber porous materials with negative poisson’s ratio. To clarified the formation mechanism of the auxetic effect of this materials the micro-mechanical behaviors will be in-situ observed, simultaneous the finite element method based on the real pore structure will be used to study the strain and stress field.On these basis the pore structure will be optimized and the effect of fabricating technology on the formation of critical pore structure will be studied, aiming to obtain the metallic fiber porous materials with lower poisson’s ratio. This project will enhance not only the studies on the formation mechanism of auxetic effect, but also the developments of the metallic fiber porous materials .

金属纤维多孔材料是新发现的负泊松比效应最大的材料(泊松比ν<-18)，超低的泊松比使其在高灵敏度应变传感器方面有良好的应用前景。金属纤维多孔材料的负泊松比特性直接受微观孔结构特征和材料属性的影响，其产生机理尚未得到合理的解释。本项目以微米丝径的316L不锈钢纤维毛毡为原料，制备具有负泊松比效应的金属纤维多孔材料，原位观察金属纤维多孔材料的微观变形过程，同时采用基于材料真实孔结构的有限元力学模型研究其应力应变场，澄清其负泊松比效应的产生机理。在此基础上对材料孔结构进行优化设计，并研究制备工艺对关键孔结构形成的影响规律，制备出负泊松比效应更强的金属纤维多孔材料。本项目不仅可以促进金属纤维多孔材料负泊松比效应的机理研究，而且将促进对这种材料的性能改进。

金属纤维多孔材料是目前报道的负泊松比效应最强的材料，在高灵敏度应变传感器领域具有重要应用前景。本项目开展了金属纤维多孔材料负泊松比效应的产生机理研究，系统研究金属纤维多孔材料在原位拉伸过程中微观孔结构的变形过程。研究表明负泊松比效应是由于内凹纤维在被拉直过程中将相邻纤维向外推挤导致的横向膨胀引起的，而且纤维内部的大跨度纤维引起的横向膨胀效应更大。结点密度越低，拉伸负泊松比效应越强，但会引起压缩正泊松比效应，而较高的结点密度使得在拉伸和压缩时都具有负泊松比效应，但泊松比绝对值较低。材料的孔隙度越高，负泊松比效应越强。本项目开展了金属纤维多孔材料负泊松比效应的数值模拟研究，以CT获得的金属纤维多孔材料真实孔结构为基础，建立了真实随机孔结构和周期性孔结构有限元模型，开展了拉伸和压缩条件下的泊松比行为模拟研究，最后通过提取了真实孔结构特征的周期性结构有限元模型有效的模拟出了具有不同结点特性的金属纤维多孔材料在拉伸和压缩下的不同泊松比行为，揭示了其变形机理。本项目开展了负泊松比金属纤维多孔材料的关键孔结构形成机制研究，研究负泊松比金属纤维多孔材料的成形工艺、烧结工艺对材料相对密度、纤维骨架几何形状、烧结结点密度、烧结结点强度的影响规律，揭示负泊松比金属纤维多孔材料的关键孔结构形成机制，发现金属纤维多孔材料中纤维的内凹结构是在对纤维多孔材料厚度方向的压缩过程中形成的，孔隙度越高，纤维跨度越大，松装烧结-后压缩工艺有利于形成较低的结点密度，从而促进拉伸负泊松比效应。基于低结点密度和大跨度纤维等关键孔结构特征，制备了泊松比小于-25的半有序结构金属纤维多孔材料。本研究促进了对金属纤维多孔材料既显著又独特的负泊松比效应的理解和掌握，提出了负泊松比效应的新机制，为新型负泊松比材料的开发提供了思路，具有重要科学意义。