Materiały auksetyczne – struktury, potencjalne zastosowanie

• Autorzy: Masłowska-Lipowicz Iwona , Wyrębska Łucja , Szałek Beata , Olszewski Piotr , Gajewski Robert

Warianty tytułu

EN

Auxetic materials – structures, potential application

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Dokonano przeglądu literatury pod kątem badań materiałów auksetycznych, które posiadają ujemny współczynnik Poisson’a (NPR) charakteryzujący odpowiedź materiału na naprężenie jednoosiowe. Struktury i materiały auksetyczne zachowują się sprzecznie z intuicją, tzn. przy jednoosiowym rozciąganiu, rozszerzają się poprzecznie, co wynika z ich skomplikowanych struktur geometrycznych. Opisano reprezentatywne modele strukturalne (re-entrant, struktury składające się z tzw. sztywnych lub półsztywnych obracających się jednostek , struktury chiralne, przędze auksetyczne i struktury włókienkowo-zgrubieniowe) oraz zastosowanie materiałów auksetycznych wynikające z ich właściwości. Właściwości materiałów auksetycznych, np. synklastyczna krzywizna zginania, zmienna przepuszczalność, zwiększona odporność na wgniecenia, wysoka odporność na pękanie oraz tłumienie i pochłanianie dźwięku stwarzają szerokie możliwości ich zastosowania, m.in. w materiałach biomedycznych, materiałach amortyzujących, urządzeniach do pozyskiwania energii, wyposażeniu sportowym, filtrach, robotyce, tekstyliach czy materiałach stosowanych w przemyśle lotniczym oraz budownictwie.

EN

The literature was reviewed in terms of research on auxetic materials with a negative Poisson's ratio (NPR) characterizing the material's response to uniaxial stress. Auxetic structures and materials behave counter-intuitively, i.e. when stretched uniaxially, they expand laterally due to their complex geometric structures. Representative structural models are described (re-entrant, structures consisting of so-called rigid or semi-rigid rotating units, chiral structures, auxetic yarns and fibril - noudle structures) and the use of auxetic materials resulting from their properties. Properties of auxetic materials, e.g. synclastic bending curvature, variable permeability, high shear stiffness, increased resistance to indentation, high resistance to cracking and sound attenuation and absorption create a wide range of applications, including in biomedical materials, shock-absorbing materials, energy generation devices, sports equipment, filters, robotics, textiles or materials used in the aerospace industry and construction.

Słowa kluczowe

PL

materiały auksetyczne; włókno auksetyczne; ujemny współczynnik Poisson’a; zastosowanie materiałów auksetycznych

EN

auxetic materials; auxetics; auxetic fibre; negative Poisson's ratio; use of auxetic materials

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz - Łódzki Instytut Technologiczny
• Czasopismo: Technologia i Jakość Wyrobów
• Rocznik: 2020
• Tom: R. 65
• Strony: 116--128
• Opis fizyczny: Bibliogr. 61 poz., rys., wz.

Twórcy

autor

Masłowska-Lipowicz Iwona

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Skórzanego

autor

Wyrębska Łucja

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Skórzanego

autor

Szałek Beata

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Skórzanego

autor

Olszewski Piotr

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Skórzanego

autor

Gajewski Robert

• Sieć Badawcza Łukasiewicz - Instytut Przemysłu Skórzanego

Bibliografia

• [1] Lakes R. S., Witt R.: Making and characterizing negative Poisson's ratio materials, IJMEE 30 (1), 2000, str. 50-58.
• [2] Carneiro V. H., Meireles J., Puga H.: Auxetic materials - a review, Materials Science Poland 31, 2013, str. 561-571.
• [3] Voigt W.: Lehrbuch der Kristallphysik, B. G. Teubner-Verlag, Leipzig, Berlin 1928.
• [4] Lempriere B. M.: Poisson's ratio in orthotropic materials, AIAA Journal 6, 1968, str. 2226.
• [5] Wojciechowski K. W.: Constant thermodynamic tension Monte Carlo studies of elastic properties of a two-dimensional system of hard cyclic hexamers, Molecular Physics 61, 1987, str. 1247.
• [6] Gibson L. J.: The elastic and plastic behaviour of cellular materials - Ph.D. Thesis, University of Cambridge, Cambridge 1981.
• [7] Lakes R. S.: Foam structures with a negative Poisson's ratio, Science 235, 1987, str. 1038.
• [8] Shadrivov I. V., Lapine M., Kivshar Y. S., (eds.), Nonlinear, tunable and active metamaterials, Springer International Publishing, Switzerland 2015.
• [9] Lakes R. S.: Cellular solids with tunable positive or negative thermal expansion of unbounded magnitude, Applied Physics Letters 90, 2007, str. 1-3.
• [10] Lakes R. S.: Negative Poisson’s ratio materials: auxetic solids, Annual Review of Materials Research 47, 2017, str. 63-81.
• [11] Grima J. N., Caruana-Gauci R., Dudek, M. R., Wojciechowski K. W., Gatt R.: Smart metamaterials with tunable auxetic and other properties, Smart Materials and Structures 22, 2013, str. 1-10.
• [12] Li D., Dong L., Lakes R. S.: A unit cell structure with tunable Poisson's ratio from positive to negative, Materials Letters 164, 2016, str. 456-459.
• [13] Li D., Maa J., Dong L., Lakes R. S.: A bi-material structure with Poisson's ratio tunable from positive to negative via temperature control, Materials Letters 181, 2016, str. 285-288.
• [14] Ha C. S., Plesha M. E., Lakes R. S.: Chiral three-dimensional lattices with tunable Poisson’s ratio, Smart Materials and Structures 25, 2016, str. 1-11.
• [15] Masters I. G., Evans K. E.: Models for the elastic deformation of honeycombs, Composite Structures 35, 1996, str. 403-422.
• [16] Yang L., Harrysson O., West H., Cormier D.: Mechanical properties of 3D re-entrant honeycomb auxetic structures realized via additive manufacturing, International Journal of Solids and Structures 69, 2015, str. 475-490.
• [17] Larsen U. D., Signund O., Bouwsta S.: Design and fabrication of compliant micromechanisms and structures with negative Poisson's ratio, Journal of Microelectromechanical Systems 6, 1997, str. 99-106.
• [18] Theocaris P. S, Stavroulakis G. E, Panagiotopoulos P. D.: Negative Poisson's ratios in composites with star-shaped inclusions: a numerical homogenization approach, Archive of Applied Mechanics 67, 1997, str. 274-286.
• [19] Wang Z. P., Poh L. H., Dirrenberger J., Zhu Y., Forest S.: Isogeometric shape optimization of smoothed petal auxetic structures via computational periodic homogenization, Comput Methods in Applied Mechanics and Engineering 323, 2017, str. 250-271.
• [20] Wang X. T., Wang B., Li X. W., Ma L.: Mechanical properties of 3D re-entrant auxetic cellular structures, International Journal of Mechanical Sciences 131, 2017, str. 396-407.
• [21] Grima J. N., Evans K. E.: Auxetic behavior from rotating squares, Journal of Materials Science Letters 19, 2000, str. 1563–1565.
• [22] Grima J. N., Farrugia P. S., Gatt R., Attard D.: On the auxetic properties of rotating rhombi and parallelograms: a preliminary investigation, Physica Status Solidi B 245, 2008, str. 521-529.
• [23] Grima J. N., Gatt R., Alderson A., Evans K. E.: On the auxetic properties of rotating rectangles with different connectivity, Journal of the Physical Society in Japan 74, 2005, str. 2866-2867.
• [24] Grima J. N., Chetcuti E., Manicaro E., Attard D., Camilleri M., Gatt R., Evans K. E.: On the auxetic properties of generic rotating rigid triangles, Proceedings of the Royal Society of London A 468, 2012, str. 810-830.
• [25] Shan S., Kang S. H., Zhao Z., Fang L., Bertoldi K.: Design of planar isotropic negative Poisson’s ratio structures, Extreme Mechanics Letters 4, 2015, str. 96-102.
• [26] Kim J., Shin D., Yoo D. S., Ki K.: Regularly configured structures with polygonal prisms for three-dimensional auxetic behavior, Proceedings of the Royal Society of London A 473, 2017, str. 1-15.
• [27] Prall D., Lakes R. S.: Properties of a chiral honeycomb with a Poisson’s ratio of -1, International Journal of Mechanical Sciences 39, 1997, str. 305-314.
• [28] Grima J. N., Gatt R., Farrugia P. S.: On the properties of auxetic meta-tetrachiral structures, Physica Status Solidi B 245, 2008, str. 511-520.
• [29] Evans K. E., Caddock B. D., Microporous materials with negative Poisson’s ratios II, mechanisms and interpretation, Journal of Physics D: Applied Physics 22, 1989, str. 1877-1883.
• [30] He C., Liu P., Griffin A. C.: Toward negative Poisson ratio polymers through molecular design, Macromolecules 31, 1998, str. 3145-3147.
• [31] Miller W., Hook P. B., Smith C. W., Wang X., Evans K. E.: The manufacture and characterisation of a novel, low modulus, negative Poisson’s ratio composite, Composite Science Technology 69, 2009, str. 651-655.
• [32] Cho H., Seo D., Kim D. N.: Handbook of mechanics of materials, Springer, Singapore 2019.
• [33] Wang X. T., Wang B., Li X. W., Ma L.: Mechanical properties of 3D re-entrant auxetic cellular structures, International Journal of Mechanical Sciences 131, 2017, str. 396-407.
• [34] Prall D., Lakes R. S.: Properties of a chiral honeycomb with a poisson's ratio of = -1, International Journal of Molecular Sciences 39 (3), 1996, str. 305-314.
• [35] Idczak E.: Optymalizacja topologiczna dwufazowych metamateriałów auksetycznych - rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2019.
• [36] He C., Liu P., Griffin A.C.: Toward negative Poisson ratio polymers through molecular design, Macromolecules 31, 1998, str. 3145–7.
• [37] Miller W., Hook P. B., Smith C. W., Wang X., Evans K. E.: The manufacture and characterisation of a novel, low modulus, negative Poisson’s ratio composite, Composite Science Technology 69, 2009, str. 651-655.
• [38] Ge Z., Hu H., Liu S.: A novel plied yarn structure with negative Poisson’s ratio, Journal of the Textile Institute 107 (5), 2016, str. 578-588.
• [39] Lakes R.: Foam structures with a negative Poisson's ratio, Science 235, 1987, str. 1038-1041.
• [40] Evans K. E., Alderson A.: Auxetic materials: functional materials and structures from lateral thinking, Advanced Materials 12, 2000, str. 617-628.
• [41] Wang Z., Hu H.: Auxetic materials and their potential applications in textiles, Textile Research Journal 84, 2014, str. 1600-1611.
• [42] Underhill R. S.: Defense applications of Auxetic materials, Advanced Materials 1, 2014, str. 7-13.
• [43] Alderson K. L., Pickles A. P., Neale P. J., Evans K. E.: Auxetic polyethylene: the effect of a negative Poisson’s ratio on hardness, Acta Metallurgica et Materialia 42, 1994, str. 2261-2266.
• [44] Choi J. B., Lakes R. S.: Fracture toughness of re-entrant foam materials with a negative Poisson’s ratio: experiment and analysis, International Journal of Fracture 80, 1996, str. 73-83.
• [45] Liu Q.: Literature review: materials with negative Poisson’s ratios and potential applications to aerospace and defence, Defence Science and Technology Organisation, Victoria 2006.
• [46] Donoghue J. P., Alderson K. L., Evans K. E.: The fracture toughness of composite laminates with a negative Poisson’s ratio, Physica Status Solidi B 246, 2009, str. 2011-2017.
• [47] Maiti S. K., Ashby M. F., Gibson L. J.: Fracture toughness of brittle cellular solids, Scripta Metallurgica 18, 1984, str. 213-217.
• [48] Chekkal I., Bianchi M., Remillat C., Becot F. X., Jaouen L., Scarpa F.:Vibro-acoustic properties of auxetic open cell foam: model and experimental results, Acta Acustica United Acustica 96, 2010, str. 266-274.
• [49] Howell B., Prendergast P., Hansen L.: Examination of acoustic behavior of negative poisson’s ratio materials, Applied Acoustics 43, 1994, str. 141-148.
• [50] Alderson K. L., Webber R. S., Mohammed U. F., Murphy E., Evans K. E.: An experimental study of ultrasonic attenuation in microporous polyethylene, Applied Acoustics 50, 1997, str. 23-33.
• [51] Scarpa F., Ciffo L. G., Yates J. R.: Dynamic properties of high structural integrity auxetic open cell foam, Smart Materials and Structures 13, 2003, str. 49.
• [52] Bhullar S. K., Lala N. L., Ramkrishna S.: Smart biomaterials - a review, Review on Advanced Material Science 40, 2015, str. 303-314.
• [53] Novak N., Vesenjak M., Ren Z.: Auxetic cellular materials - a review, Strojniški Vestnik – Journal of Mechanical Engineering 62, 2016, str. 485-493.
• [54] Imbalzano G., Tran P., Ngo T. D., Lee P.V.: Three-dimensional modelling of auxetic sandwich panels for localised impact resistance, Journal of Sandwich Structures and Materials 19, 2017, str. 291-316.
• [55] Alderson A., Rasburn J., Ameer-Beg S., Mullarkey P. G., Perrie W., Evans K. E.: An auxetic filter: a tuneable filter displaying enhanced size selectivity or defouling properties, Industrial and Engineering Chemistry 39, 2000, str. 654-665.
• [56] Mark A. G., Palagi S., Qiu T., Fischer P.: Auxetic metamaterial simplifies soft robot design, Proceedings of the International Conference on Robotics and Automation, Stockholm 2016.
• [57] Konaković M., Crane K., Deng B., Bouaziz S., Piker D., Pauly M.: Beyond developable: computational design and fabrication with auxetic materials, ACM Transactions on Graphics (TOG) 35, 2016, str. 79-89.
• [58] Park D., Lee J., Romo A.: Poisson’s ratio material distributions, Proceedings of the 20th International Conference of the Association for Computer-Aided Architectural Design Research in Asia, Newcastle 2015.
• [59] US9402439B2 Auxetic structures and footwear with soles having auxetic structures.
• [60] Stojmanovski Mercieca L. A., Formosa C., Grima J. N., Chockalingam N., Gatt R., Gatt A.: On the use of auxetics in footwear: investigating the effect of padding and padding material on forefoot pressure in high heels, Physical Status Solidi B 254, 2017, str. 1-5.
• [61] Bhullar S. K., Lala N. L., Ramkrishna S.: Smart biomaterials - a review, Review on Advanced Material Science 40, 2015, str. 303-314.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).