具有负横向变形系数（泊松比）的材料（增大性生长物质）有着令人神往的特性，即当其被拉紧时，它反而会变得更加肥厚。本文描述这种现象的某些重大影响和利用这一特性制造聚合物的方法，并考察这些材料的潜在用途。
当一种材料被拉伸时，通常是该材料在与拉力垂直的方向上变薄变细。通过用力拉一条较宽的弹性带子，可非常容易地观察到这种现象。由于所有自然存在的物质似乎均显示出这种特性，这种现象相当普遍。这是材料的基本力学性质之一，并由称之为泊松比的量所规定。对一种各向同性的材料来说（即那种在所有方向上力学性质均相同的材料），泊松比υ由下述数学式确定：
υ=-εy/εx （1）
这里，εx是拉力方向的拉伸应变，εy是垂直于此方向的拉伸应变。由于大多数材料在垂直方向上缩小，定义式中负号的出现就能保证该比是正的。相反，如果一种材料的泊松比是负的，当其在一个方向上被拉时，它就会在所有方向上膨胀，结果增加了其体积。这样的材料可被简称为增大性生长材料，以避免“具有负泊松比的材料”的累赘说法。
虽然一般认为所有材料的υ都是正的，但负υ的存在在理论上是可能的，人们知道这一点已有一个多世纪了。实际上，各向同性材料可有在1/2和-1之间的任何值。橡皮的标准值近似1/2，钢的标准值近似1/3。上限表示当一种材料被拉时它能保存其体积：当其变长时，它就以一个能保持其体积的必要的量变细变薄。对于任何小于1/2的值来说，该材料发生形变时都会增加其体积。由于大多数自然存在的材料都具有υ=1/4~1/3，因而，当其发生形变时，它们的体积都会略略增加。如果这样看问题，一个负υ就仅仅表示体积异常大的增加，并不涉及变形行为中的任何基本差别。
泊松比与杨氏模量的关系
说增大性生长材料很重要，至少有三个理由。第一，一种材料的泊松比在确定其力学性质时与拉伸比（或杨氏系数）同样重要。必须对两种系数进行测量，才能确定该种材料的机械行为（特别是弹性行为）。因而，不可思议的是υ值往往未被测量，而是被假定为约1/3。第二，强调通过改进杨氏模量增强机械性能。这方面的一个经典例子是诸如碳纤维那样的高性能纤维。然而，理论上的刚度极限正在被达到，这里的最高可获值受到高度有序结构中原子键刚度的限制。因而，相对说来此领域中没有多少可供进一步改进的余地、比较而言，改变泊松比倒是另一改进机械性能的途径，而这种途径迄今未被探索。第三，由于一种材料的泊松比对该材料的性能具有非常重要的意义，因而，改变泊松比可改进许多其它机械性能。
让我们举几个例子，说明泊松比的改变可带来益处。首先，考虑一下各向同性材料的弹性系数。我已经提到了杨氏模量和泊松比。还有另外两种重要特性：体积弹性模量K和剪切模量。对于各向同性材料来说，这些量中只有两个量需要测定，因为其余两个量是由它们决定的（见图1）。
图1：各向同性材料的基本弹性常数，拉伸系数或杨氏模量E，泊松比υ，体积模量K，剪切模量G之间的关系
假定有一种材料，对其杨氏系数E来说有一个具体的固定的值，又假定我们能够使υ发生变化，这对K和G会产生什么影响？如果υ逼近1/2，体积弹性模量就会变得很大；如果υ逼近-1，剪切模量就会变得很大。对大多数自然存在的材料来说，υ≈1/3是一个居中数，其存在可被认为是一种折衷情况。这里值得十分注意的是，对大多数由板材、壳体、梁构成的人造结构来说（如建筑物、车、飞机和船），有一个高剪切模量比有一个高体积模量重要得多。这个例子说明，通过消耗K而增加G的办法，一个大的负υ有可能带来益处。
改变υ值还会对其它性能产生多方面的影响。在图2中，我说明了一块弧面板的弯曲情形。由于υ逼近-1，对给定的一个压力来说，该板的挠度越来越小。因此，仅仅由于改变了泊松比，板变得更刚劲了。其它性“也可通过一个犬的负泊松比进行改良，如抗压痕、平面断裂韧性、减震和消声等性能均可得到改良。
图2：环形板的半径为R，厚度为t，杨氏系数为E，泊松比为υ，力F使其偏移一个距离d，当υ接近-1时，偏移接近0
这样，从理论上看，很明显，获得负泊松比具有非常重要的意义。1982年，通过建立一种能预料普通聚合泡沫特别是低密度开孔泡沫的机械性能的理论，上述观点得到了进一步加强。那些论文中的数学部分预言会出现一种具有负泊松比二维结构。图3说明了这一点。图3（a）表明了一种普通六角蜂窝结构当其被拉伸时变薄的情形。
通过制造蜂窝凹孔，可产生一个负泊松比结构（图3b）。
图3：（a），一种普通六角形结构示意图，当其被拉伸时，产生一个普通正泊松比，及其形变情形。（b），凹状蜂窝结构示意图，产生一个负泊松比。
增大性生长材料的制造
1987年，一种普通泡沫被改变成增大性生长泡沫，创造出了图3（b）所示的三维等效物。这种材料是各向同性的，其泊松比为-0.7，这表明增大性生长材料是能够制造出来的。然而，泡沫的密度低，机械性能差，应用范围相对受限 · 若能够改进密度和内硬度，其用途将会大得多。
我的研究小组和美国人在长纤维复合材料领域早已取得了一些进展，如碳纤环氧树脂和玻纤聚酯。还可制造出具有负泊松比的强化复合材料层板*在这种情况下，要产生理想的效果，就必须保证每一层的纤维方向正确。这需要复杂的预言性设计软件。在此领域中性能方面有意义的效益已经显示出来，研究正在继续进行。
虽然如此，这仍然不能说明通过改进材料本身使性能得到了改良，因而，我们只好探索另外两个很有希望的领域。1988年，我的研究小组碰上了一种具有大负泊松比的多孔聚四氟乙烯，市场上大量供应这种材料。当时我们正在研究增大性生长复合物，因而立即意识到了上述材料的重要意又。经过详细地检验和分析，我们能解决在此材料中产生-υ的过程问题，其与前面几种大不相同。该材料微观结构具有内连小结节和小纤维网络。当其被拉伸时，小纤维绷紧，致使小结节分开，因而使该材料膨胀。我们发现这种材料是高度各向异性的，并测得其负泊松比竟有-12之大！
非常重要的是，在我们的研究中，没有迹象表明该过程是聚四氟乙烯独有的。只要在其它高聚物中能产生同样的微型结构，就应当出现-υ。经过一年的努力，我们在聚乙烯中复制成功了该种微型结构，并测定出该材料的负泊松比也很大。为了制造广泛的增大性生长材料，我们正在致力于这项工作。
始所料及的是，这些聚合物的孔隙率仍然比较高，这是由产生生长效果的微型结构的性质决定的。对这个问题的解答是需要一种其分子结构能产生-υ的材料。我们的初始研究又把眼光投向了聚合物。这样做的理由是，聚合物在分子水平上具有大量自由容积。由子分子的复杂性和其共价结合的指向性，与例如一种金属相比，原子间有更多的空隙。因此，有足够的空间改变其结构形成υ结构方式而不降低密度或硬度。事实上，它们还可能增加。例如，我们可从图3（a）的形状转向图3（b）的形状，但这次的图形可示意地代表一种分子网络，而不是一种巨观的蜂窝结构网络。
然而，这不是一个简单过程。我们必须采用分子模拟技术设计出新的能产生该效果的分子来。到那时，分子模拟程序就可被用来预示有效机械性能。如果它们看上去有希望，就可考虑合成该种材料。改变结构使合成更加容易，改造后的结构用于检查有效性能。如此循环若干次，希望最后得到可被合成的富有生命力的分子结构。我们仅仅正在开始进行这一交互性过程。一种简单的分子结构已根据模型制造出来，从这个理想的实例到一种可行的材料的过程已经开始。
应用领域
读了此文之后，你们中许多人也许会想到别的事情，特别是那些与该种材料的用途有关的那些方面。如果你们这样想了，我将乐于听到你们的佳音。
最明显的用途是，制造拉紧时需要在负泊松比作用下发生横向膨胀的器件，或者相反，制造在紧压时发生横向收缩的器件，系固器和铆钉被拉时横向膨胀，此为用途之一，正因为拉紧时要横向膨胀，系固物和铆钉才会更牢地附着于物体，因而增加其固定能力，强化纤维复合物的类似作用也很重要。在一种复合材料的损坏期间，一个重要的耗能机理是纤维拨出过程，不中用的纤维被逐渐从基质中拨出，而纤维越难拨出，该复合材料则越好，已经尽了很大努力通过表面化学变化而增加纤维与基质之间的界面力来提高复合强度和改进能耗。但仍然有许多方面需要改进。-υ的存在为解决此问题提供了另一新途径。当一根具有正υ的纤维从基质中拉出时，该根纤维会收缩，因而使其更难于附着基质。如果υ是负的，该纤维就会膨胀，从而更紧地粘着于基质，使粘结更加牢固。
另一直接用途是密封。一只普通的密封垫容易例如从管子的凸缘间被挤出，然而，一只具有-υ的密封垫却能自动往里收缩，使密封更加严实。公路的接合密封也用得着这个性能。
已确认的其它领域的用途是做车辆和飞机上的减震和吸声材料，做复合夹心板的新材料，特别是做制造双曲线形或拱顶形板的新材料等。在生物医学领域还可能有许多用途。
其中一些用途不久就会实现，其它用途还有待于今后若干年的开辟。主要之点是研制增大性生长材料绝不仅仅出自好奇心，而是它们非常有用。
[Endevour，1991年Vol. 15 No. 4]