负泊松比(Negative Poisson’s Ratio)材料是一种新型超材料，具体表现为在受到单轴压缩（拉伸）时在横向发生收缩（膨胀）变形。由于其独特的变形行为，负泊松比材料已被证实具有高比强度、高能量吸收率等性质，在航空航天、医疗卫生等领域具有广阔的应用前景。

自然界几乎所有的材料都为正泊松比材料（材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值，也叫横向变形系数），泊松比数值约为1/3，不可压缩材料（橡胶类材料）数值为1/2， 金属铝和铜分别为0.133、0.127, 典型的聚合物泡沫为0.11～0.14左右, 而负泊松比材料对外界施加的应变会表现出特异的力学响应：对其施加纵向拉升（压缩）应变，它竟在横向发生膨胀（收缩）！

由基础材料力学可知，材料的泊松比与材料的弹性模量和切变模量密切相关，其关系如下图 所示。当泊松比由正变负时，抗剪能力显著提高。尤其当泊松比为–1 时，切变模量远远超过弹性模量。此时，材料将变得极易可压缩，但难以剪切。值得注意的是，负泊松比材料的弹性模量并不总是恒定的，还受密度比和体积变化率的影响。一般而言，当材料处于拉伸状态时，弹性模量随体积压缩比的增大而减小；处于压缩状态时，弹性模量随体积压缩比的增大而增大。通俗来讲，负泊松比材料受压时材料向内部聚集，瞬时密度增大，外部表现出较高的刚度，利用此特点可以设计出兼具舒适性与支撑性的弹性座椅。

当负泊松比材料承受冲击载荷时，材料向冲击区域聚集变得更加致密，抵抗压痕的能力得到提高。传统材料则正好相反，轴向冲击载荷会使材料向两侧分离，硬度明显低于负泊松比材料。负泊松比材料的压痕阻力现象已经在大量的人工合成负泊松比材料中得到了证实，如聚合物和金属泡沫、纤维增强复合材料等。

目前大多数负泊松比材料具有内凹多孔、旋转或剪纸等拓扑结构、多胞元结构等，其在单轴拉伸下能产生侧向膨胀。相关材料大多通过3D打印等高昂的制作方法制造，在航空航天领域已崭露头角，但因造价和工期等原因很难在土木领域大规模工程应用。何满潮院士团队^[1]采用冶金方法研发了一种具有微观负泊松比效应的金属基超材料NPR钢，顾名思义，NPR钢具有微观尺度的负泊松比效应，具体表现为其能够在塑性应变下产生显著的体积膨胀并具有异常高的均匀伸长率。该材料打破了高强度和高延性的矛盾，可实现强度300-1200MPa，对应伸长率30%-70%。NPR钢具有广泛的应用潜在价值，特别适用于对大变形、高应力和高延性有较高需求的工程应用场景，如预应力装配式体系、金属阻尼器、滑坡控制、岩爆和抗爆等。

河北师范大学物理学院马风仙副教授课题组与德国德累斯顿工业大学焦亚龙博士、Thomas Heine教授，新加坡科技设计大学杨声远教授课题组密切合作，通过第一性原理计算结合晶体结构预测方法（CALYPSO）^[2]。PdB4单层不论受到纵向拉伸或压缩，在其横向均产生晶格扩张行为。这一新奇机械特性不同以往报道的负泊松系数材料，研究团队将其命名为“半负泊松比”材料。这一奇特晶格响应行为使这类材料在航空航天、生物医学等领域具有潜在应用价值。

上海交通大学杨德庆教授团队采用数值方法对星型宏观负泊松比效应夹芯结构的抗冲击响应过程以及抗水下爆炸过程中的破坏形式进行了研究^[3]，探讨了星型负泊松比结构胞元壁厚、层数和胞元泊松比等参数对弹体侵彻及水下爆炸防护性能的影响。研究结果表明：对于高速或超高速弹体侵彻问题，单纯依靠结构性的被动防御无法应对；负泊松比效应蜂窝夹芯防护结构相较常规防护结构具有良好的水下抗爆性能；等质量条件下，泊松比的变化对抗爆性能影响明显，层数3层、泊松比为−1.63的星型夹芯结构的抗爆性能相对更优；等壁厚条件下，其水下抗爆性能随蜂窝胞元层数减小而增强。

香港中文大学机械与自动化工程学系廖维新教授课题组提出了一种新型压电振动能量采集器^[4]，该设计结合了负泊松比超材料结构和双边夹紧梁几何非线性的优点，在提高采集器能量输出的同时，极大地拓宽了采集器的工作频宽。在1m/s2加速度的外部激励下，相比于传统的压电振动能量采集器，此项研究中的I型能量采集器可提升173% 的能量输出和1556% 的工作频宽，II型能量采集器可提升94% 的能量输出和2142% 的工作频宽。此外，该新型压电振动能量采集器利用纯机械转自：结构设计-公众号，无需额外的永磁铁等零件来实现非线性宽频效应。因而该设计结构紧凑，面对复杂的电磁干扰环境，可以免于干扰，稳定工作。

中国科学技术大学近代力学系吴恒安教授团队基于对“双负指数陶瓷气凝胶”的双曲结构变形机理的研究，提出了一种新型的类双曲结构，该结构由外部的正方形框架和内部的对称双曲形状的骨架组成^[5]。相比于传统内凹六边形结构，通过外部框架的引入，有效地增加了结构刚度，同时表现出很好的负泊松比效应，进一步地，提出了内部含多对称骨架的类双曲结构的变形机理和设计方案。此外，将类双曲结构作为基本单元设计了三种组装结构，并研究了其变形机理从小变形到大变形过程中的演化规律。该研究为负泊松比材料的微观转自：结构设计-公众号提供了新思路。

西南大学黄进教授和甘霖副教授团队提出了针对轻质化生物基材料构建负泊松比超结构实现力学性能大幅提升强化的普适性方法^[6]，即在生物基材料基体内部设计并构建三维负泊松比胞元结构阵列，通过自下而上的负泊松比效应赋予轻质化生物基材料超力学性能，制得了负泊松比可调控的力学超材料—负泊松比PBS材料（PBS-NPR）。此外，调控轴向与径向的不同压缩比例可获得不同负泊松比特性的PBS-NPR材料，从而可以根据现实应用需求满足不同力学性能的轻质化PBS-NPR材料针对性制造。

目前材料的负泊松比效应主要源于其合理的微转自：结构设计-公众号，如何通过合理高效的微转自：结构设计-公众号构筑高性能负泊松比材料是该领域的重要问题之一。

[1] Gu T ,  Jia L J ,  Chen B , et al. Unified Full-Range Plasticity till Fracture of Meta Steel and Structural Steels[J]. Engineering Fracture Mechanics, 2021, 253(10):107869

[2] Ma F ,  Jiao Y ,  Wu W , et al. Half-Auxeticity and Anisotropic Transport in Pd Decorated Two-Dimensional Boron Sheets.  2020.

[3] 杨德庆, 吴秉鸿, 张相闻. 星型负泊松比超材料防护结构抗爆抗冲击性能研究[J]. 爆炸与冲击, 2019, v.39;No.188(06):124-135.

[4] Chen K ,  Gao Q ,  Fang S , et al. An auxetic nonlinear piezoelectric energy harvester for enhancing efficiency and bandwidth[J]. Applied Energy, 2021, 298(5).

[5] Wang Q ,  WJ  Yin,  Yu H , et al. Hyperbolic-like Structure with Negative Poisson’s Ratio: Deformation Mechanism and Structural Design[J]. physica status solidi (b), 2021.

[6] Y  He,  Li D ,  Zhou N , et al. Reversing Poisson’s Ratio of Biomass Foam to Be Negative to Achieve Super Mechanical Properties via Viscoelastic Compression[J]. ACS Applied Polymer Materials, 2021.

“转自：结构设计-公众号”公众号，致力于推广建筑结构新理论、新技术、新工艺、新材料及大量工程实例，介绍建筑结构知识和行业资讯，搭建一个建筑结构行业交流的平台。