小英筆記丨什么是泊松比？

負(fù)泊松比：一些特殊材料的泊松比為負(fù)，在單向受拉時(shí)橫向發(fā)生膨脹，在單向受壓時(shí)橫向發(fā)生收縮，因此又叫做拉脹材料。

材料的泊松比與材料的彈性模量和切變模量密切相關(guān)。當(dāng)泊松比由正變負(fù)時(shí)，切變模量提高，抗剪能力顯著提高。尤其當(dāng)泊松比為 –1 時(shí)，切變模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)彈性模量，此時(shí)，材料將變得極易可壓縮，但難以剪切，兩者關(guān)系如下圖所示。

彈性模量和切變模量的關(guān)系

當(dāng)汽車(chē)座椅受到?jīng)_擊時(shí)，材料的負(fù)泊松比效應(yīng)可以讓其向沖擊區(qū)域聚集變得更加致密，抵抗壓痕的能力得到提高。傳統(tǒng)材料則與之相反，軸向沖擊載荷會(huì)使材料向兩側(cè)分離，硬度明顯低于負(fù)泊松比材料。利用此特點(diǎn)可設(shè)計(jì)出既舒適又具有很好支撐性的彈性座椅，滿(mǎn)足出行安全需要。

IST 臺(tái)車(chē)碰撞模擬系統(tǒng)

在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，經(jīng)研究人員發(fā)現(xiàn)，一些拉脹材料具有優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性，為組織再生提供穩(wěn)定空間，可用于制作心臟支架和生物瓣膜等器械。

Instron ElectroPuls 系列多工位支架疲勞測(cè)試

在航空航天領(lǐng)域，負(fù)泊松比材料可用來(lái)制作夾板的中間體增強(qiáng)材料，以此提高夾板的安全性能。

復(fù)合材料拉伸斷裂瞬間

此外，在國(guó)防領(lǐng)域中，負(fù)泊松比材料對(duì)力的傳輸和反射具有較強(qiáng)的干擾作用，因此可在受到強(qiáng)烈驟變的外力時(shí)有效分散或降低應(yīng)力，從而具有更好的保護(hù)效果。

根據(jù)材料的性質(zhì)、實(shí)驗(yàn)條件及測(cè)量精度要求的不同，可采用多種手段測(cè)量材料的泊松比。以下是幾種常見(jiàn)且較為專(zhuān)業(yè)的力學(xué)相關(guān)測(cè)量方法。

1. 拉伸試驗(yàn)法

拉伸試驗(yàn)是測(cè)量泊松比較為經(jīng)典和廣泛應(yīng)用的方法，特別適用于金屬材料、聚合物及其他具有較好延展性的材料。該方法通過(guò)對(duì)試樣施加軸向拉力，并同步測(cè)量軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變，進(jìn)而計(jì)算泊松比。

Instron 雙軸引伸計(jì)及橋盒

2. 壓縮試驗(yàn)法

壓縮試驗(yàn)與拉伸試驗(yàn)類(lèi)似，但往往適用于那些難以進(jìn)行拉伸的脆性材料或壓縮性能優(yōu)異的材料（如陶瓷、復(fù)合材料等）。該方法通過(guò)施加軸向壓力并測(cè)量橫向膨脹來(lái)計(jì)算泊松比。

3. 數(shù)字圖像相關(guān)法

DIC 是一種基于光學(xué)測(cè)量的現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法，廣泛應(yīng)用于材料在大變形和復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的應(yīng)變測(cè)量，尤其適用于形狀復(fù)雜或傳統(tǒng)應(yīng)變片難以粘貼的材料。

采用視頻引伸計(jì)進(jìn)行 DIC 測(cè)量

負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)壓縮測(cè)試