مواد آکستیک (Auxetic materials)

مواد آکستیک (Auxetic materials) چیست؟

در این مقاله قصد داریم شما را با رفتار غیر طبیعی برخی مواد ناشی از ضریب پواسون منفی آشنا کنیم. در ابتدا توضیح مختصری از نسبت پواسون (Poisson’s ratio) ذکر شده است و در ادامه به شرح کامل ویژگی مواد اکستیک پرداخته شده­ است.

نسبت پواسون (Poisson’s ratio) چیست؟

در علم مواد و مکانیک جامدات به نسبت کرنش عرضی (جانبی) به کرنش طولی (محوری) در یک ماده تحت بارگذاری محوری، نسبت یا ضریب پواسون گفته می‌­شود؛ که به افتخار ریاضیدان فرانسوی سیمون دنیس پواسون به این اسم نامگذاری شده­‌است. از نظر مفهوم فیزیکی، هنگامی که جسمی تحت نیروی کششی قرار می‌­گیرد، تمایل دارد در جهت عمود اعمال نیرو فشرده (منقبض) و تحت نیروی فشاری منبسط شود. همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده، به سادگی قابل شهود است که با کشیدن یک نوار لاستیکی، عرض نوار باریک­تر می‌­شود. ضریب پواسون یک عدد مثبت و در محدوده صفر تا ۰.۵ می­‌باشد. برای موادی با ساختار پلیمری و آلیاژ های فلزی ۰.۲۵ تا ۰.۳۵ و برای لاستیک­های نرم نزدیک به ۰.۵ است.

مواد آکستیک (Auxetic materials)

اما ممکن است این سوال مطرح شود که آیا امکان دارد موادی با ضریب پواسون منفی نیز وجود داشته باشند؟ و این مواد چه ویژگی­‌هایی خواهند داشت؟ جالب است بدانید موادی که بصورت ناهمگن طراحی شده‌­اند، با تغییر ساختار و مشخصات ماده از نظر ترمودینامیکی می­‌توان هر مقداری برای ضریب پواسون آنها بدست آورد؛ بنابراین بله! مواد با ضریب پواسون منفی نیز وجود دارند. این دسته از مواد تحت عنوان مواد اکستیک شناخته می­‌شوند.

برخلاف مواد با ویژگی­های کلاسیک، مواد اکستیک مکانیزم تغییر شکل برعکس از خود نشان می­‌دهند. هنگامی که تحت بار کششی در راستای محور طولی قرار می­‌گیرند، کشش در راستای عمود به محور اعمال بار هم مثبت خواهد بود، یعنی ماده منبسط می­‌شود و برخلاف سایر مواد، مساحت سطح مقطع عمود بر راستای اعمال نیرو افزایش پیدا می­‌کند. رفتار این مواد معمولا به دلیل ساختار هندسی متفاوت سلول­‌های تشکیل دهنده ماده می‌­باشد؛ که به دلیل ویژگی­های خاص، این مواد بسیار مورد توجه قرار گرفته‌­اند و در صنایع مختلف کاربردهای فراورانی دارند.

مواد اکستیک در طبیعت به دو فرم معدنی و زیستی (بیولوژیکی) وجود دارند. وابسته به راستای تغییر شکل بر اثر اعمال نیرو مکانیکی، مواد اکستیک مصنوعی یا دست­ساز به دو زیر گروه اصلی دو بعدی و سه بعدی تقسیم بندی می‌­شوند.

در ادامه مثال­هایی از هر دسته بیان شده ­است.

• مواد اکستیک طبیعی معدنی مانند: کریستال آرسنیک، کادمیوم و پیریت آهن 
• مواد اکستیک طبیعی زیستی مانند: استخوان اسفنجی تبیا انسان، پوست گربه و سالاماندر (یک نوع جانور دوزیست)
• مواد اکستیک مصنوعی دو بعدی: کامپوزیت­، ورق­‌های متخلخل  (Porous sheets)
• مواد اکستیک مصنوعی سه بعدی: فوم سلول باز

خواص مکانیکی مواد اکستیک

به سبب ضریب پواسون منفی، مواد اکستیک دارای خواص مکانیکی افزایش یافته هستند، که برخی برتر از خواص مشابه در مواد کلاسیک و برخی دقیقا شبیه به مواد غیراکستیک هستند. که در ادامه خواص مکانیکی این مواد و تفاوت آن­ها با مواد نرمال شرح داده شده­است.

قابلیت جذب انرژی بیشتر (Increased Energy Absorption):

در مطالعات آزمایشگاهی نشان داده شده­ که مواد اکستیک (مانند فوم­های اکستیک) خاصیت میرایی و جذب صدای بیشتری در مقایسه با مواد رایج دارند.

مقاومت فرورفتگی تقویت شده (Enhanced Indentation Resistance):

این ویژگی حاصل دو دلیل اصلی است: سختی برشی بالا و هنگامی که ایمپکتور (impactor) سطح ماده اکستیک را لمس می­‌کند، ماده اکستیک به محل اعمال ضربه حرکت کرده که این امر باعث افزایش چگالی ناحیه مورد ضربه می­‌شود.

سختی برشی بالا (Higher Shear Stiffness):

با توجه به رابطه بین ضریب پواسون، مدول یانگ (Young’s modulus) و مدول برشی (shear modulus) می‌­توان نتیجه گرفت در ضریب پواسون‌­های منفی مدول برشی عدد بزرگ­تری خواهد بود. هنگامی که نسب پواسون نزدیک به ۱- می‌­شود، مدول برشی به بینهایت میل می­‌کند و مقاومت برشی به شکل چشم­گیری افزایش می‌­یابد.

چقرمگی شکست بالا (High Fracture Toughness):

مطالعات انجام شده نشان می­دهند ایجاد ترک بر روی مواد اکستیک نیازمند انرژی بیشتری است که این سختی با تغییر در نسبت پواسون تغییر می­کند. بنابراین با نزدیک شدن نسب پواسون به عدد ۱- ماده بسیار سخت­تر خواهد شد.

خاصیت انحنا سینکلستیک در خمش (Synclastic Curvature in Bending):

مواد اکستیک تحت نیروی خمشی اعمال شده به دو لبه مقابل هم، دچار تغییر شکل سینکلسیتک می­شوند. این خاصیت اجازه ساخت سازه­ با شکل­های متفاوت و مراحل ماشینکاری کمتر، هدررفت ماده کمتر و در نتیجه هزینه ساخت کمتر را می­دهد.

نفوذپذیری متغیر (Variable Permeability):

مواد اکستیک متخلخل گزینه مناسبی برای نفوذپذیری متغیر هستند. این ویژگی قابلیت کنترل میزان نفوذپذیری فیلترها را در اختیار ما قرار می­‌دهد. هنگامی که بار در یک جهت مشخص اعمال می­‌شود، سایز حفره­‌ها تغییر می­‌کند و در صورت اعمال بار کششی، اندازه آن­ها افزایش می­‌یابد. نفوذپذیری متغیر در مواد با ابعاد میکرو و ماکرو قابل استفاده می‌­باشد.

کاربرد مواد اکستیک

باتوجه به ویژگی­‌های منحصر به فردی که در این مقاله ذکر شده، مواد اکستیک جایگاه ویژه­ای در صنعت و پزشکی دارند که منجر به کاربردهای عملی این مواد شده ­است. مهم­ترین و اصلی‌­ترین کاربرد این مواد در مقاوم‌­سازی کامپوزیت­‌ها است. با استفاده از الیافی با جنس ماده اکستیک و به کار بردن آن در کامپوزیت‌­ها باعث افزایش سختی می­‌شود. چهار نوع روش ساخت کامپوزیت اکستیک وجود دارد: استفاده از ماتریس (زمینه اصلی کامپوزیت یا matrix) با ضریب پواسون منفی، استفاده از الیاف اکستیک و ماتریس ساخته شده از ماده نرمال، استفاده از ماده اکستیک برای هر دو جز یا لایه­‌بندی کامپوزیت­‌ها در جهت از پیش تعیین شده اعمال نیرو. در تمام موارد سختی شکست در طول پروسه ساخت افزایش می­یابد. سختی شکست وابسته به نسبت پواسون است که با نزدیک شدن به عدد -۱ به مقدار قابل توجهی می­‌رسد. این ویژگی در کامپوزیت­‌های تقویت شده با الیاف کربن به خوبی قابل مشاهده است. با لایه بندی مواد اکستیک در پنل­‌های ساندویچی، مقاومت در برابر فرورفتگی، جذب انرژی و سختی را افزایش داده؛ همچنین وزن سازه به شکل چشم­‌گیریی کاهش پیدا می­‌کند. در ادامه نیز مثال­‌هایی از کاربرد این نوع مواد در صنایع مختلف ذکر شده ­است.

کاربرد در هوا فضا:

پره‌­های موتور هواپیما، سیستم حفاظت حرارتی هواپیما، کمربند ایمنی، پرچ، جاذب ارتعاش و صدا.

کاربردهای نظامی:

پارچه‌­های محافظ انفجار، زره خودرو برای محافظت بالستیک، کلاه ایمنی، جلیقه‌­های ضد گلوله، ادوات حفاظتی، پد محافظ زانو.

کاربرد در صنعت خودرو:

وسایل جاذب انرژی، پشتی سر صندلی اتومبیل، محافظ های حرارتی، ضربه­گیر خودروها، بست‌های بکار رفته در خودرو.

استفاده در کامپوزیت­‌ها:

جهت تقویت کامپوزیت.

کاربردهای زیست پزشکی:

ایمپلنت­‌های جراحی، پروتزهای شریانی، بانداژ، پد جراحت، پوست مصنوعی، آسترهای مصنوعی، بخیه.

کاربرد در صنایع ساختمانی:

استفاده از لایه­‌ها و فوم­‌های اکستیکی جهت تقویت دیوارهای بنایی به دلیل سختی بالا.

کاربرد در سنسورها / عمل کننده‌­ها:

وسایل پیزوالکتریک و کامپوزیت‌­­ها، هیدروفون (میکروفون آبی که امواج صدای منتشر شده در آب را به امواج الکتریکی معادل آن تبدیل می‌کند)

کاربرد در صنایع نساجی:

الیاف نساجی، صنایع مربوط به نخ، تسمه‌­های تغییر رنگ، پارچه.