西南大学黄进教授和甘霖副教授提出负泊松比结构力学强化轻质化生物基材料的普适性方法：轴向/径向控比粘弹性压缩多孔材料负泊松比结构化

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随着社会各界对于传统石油基材料废弃物引发的环境问题日益重视及“限塑令”的实施，传统石油基材料被具有良好的生物相容性、可降解性、可再生性的生物基材料逐步取代是大势所趋。生物基气凝胶、泡沫等轻质化材料作为生物基材料典型代表，具有低原料消耗、废弃物可资源化优势，在生物传感、医疗设备、汽车船舶等领域具有广泛应用前景。然而，轻质化必将导致本身力学性能不足的生物基材料因密度急剧降低而力学性能进一步大幅降低，因此限制了轻质化生物基材料在各领域的实际应用。因此，为满足实际应用需求，轻质化生物基材料的物理或化学改性增强成为近年来的研究热点之一。但是，目前的改性手段均采取引入新物质到生物基材料改性的方式，引入的新物质不但增加了生产成本与难度，也大大增加生产制造过程中的不可控因素，不利于规模化生产；同时改性的增强程度有限，难以实现高性能化；更在单方面加强力学性能时不可避免地对生物相容性、可降解性等其他性能产生不可控的负面影响。

基于以上关键科学问题，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，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。该工作首先设计了功能性强、易调控的内凹多面体胞元结构，然后以典型生物质聚酯—聚丁二酸丁二醇酯（PBS）为原料，采取绿色环保的超临界流体发泡技术成功制得了轻质化PBS多孔材料，最后在略高于软化温度的条件下通过轴向与径向控比压缩调控其泊松比，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）。这一研究成果以题为Reversing Poisson′s Ratio of Biomass Foam to Be Negative to Achieve Super Mechanical Properties via Viscoelastic Compression发表在ACS Applied Polymer Materials上。

图1. PBS超临界发泡材料和PBS-NPR负泊松比结构材料的胞元设计、制备流程、产品及微观结构：PBS超临界发泡材料在轴向（a）、径向（b）上的孔隙；PBS-NPR材料在轴向（c）、径向（d）上的孔隙；PBS超临界发泡材料和PBS-NPR材料在压缩过程中的应力-应变曲线，轴向部分（e），径向部分（f）。

如图1a ~ d，经轴向与径向控比粘弹压缩制备的PBS-NPR材料的微观结构表征结果表明，多孔PBS发泡材料的胞元结构由正泊松比的凸多面体转变成负泊松比的内凹多面体。正是这种密布的负泊松比胞元阵列赋予了PBS-NPR材料宏观负泊松比特性。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。如图1e-f，轻质化PBS-NPR材料在压缩过程中的轴向和径向应力—应变曲线分别表现出两种典型的聚合物材料应力-应变行为：硬且韧、软且韧。PBS-NPR材料内部的取向胞元结构导致了PBS-NPR压缩性能均呈现各向异性，可以满足不同应用领域对于材料力学性能的个性化需求。相对于PBS超临界发泡材料, PBS-NPR材料的轴向压缩模量增加了359%，径向压缩模量增加了68%，轴向部分压缩模量比径向部分压缩模量高904%；同时，轴向部分屈服强度比PBS超临界发泡材料高840%，径向部分屈服强度比PBS超临界发泡材料高191%。该结果表明，轴向与径向控比粘弹性压缩引起的负泊松比结构化实现了轻质化PBS多孔材料的高力学性能。

这种轴向与径向控比粘弹压缩负使轻质化生物基材料高性能化的方法，不仅大幅提升了轻质化生物基材料的力学性能，同时避免了传统化学或物理改性手段的带来的制造成本与技术难度增加及相关不可控因素。相对传统改性手段，这种负泊松比的力学性能补强方法更加简单高效且普适性更强，更有利于规模化制造，可促进轻质化生物基材料在生物传感、医疗设备、汽车船舶（如图1g）等领域取代传统环境不友好的石油基材料。

西南大学化学化工学院博士研究生何毅是该成果的第一作者，西南大学黄进教授和甘霖副教授是通讯作者。该成果得到了包括国家自然科学基金在内的多项基金的资助。

论文链接: 

https://doi.org/10.1021/acsapm.0c01232

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