基于生物材料的单轴热成型聚氨酯泡沫的力学性能：泊松比为零和负值的情况

《Materials Advances》：Mechanics of bio-based uniaxially thermoformed polyurethane foams with zero and negative Poisson’s ratio

生物基聚尿烷泡沫通过单轴热成型技术制备零泊松比（ZPR）和负泊松比（NPR）开孔结构材料，研究压缩比、加热温度及时间对力学性能的影响。结果显示：沿泡沫上升方向成型可稳定获得ZPR特性（横向泊松比-1.5），而横向成型结合优化参数可实现NPR特性（横向泊松比-1.0）。材料在准静态压缩和动态振动测试中表现出高刚度（横向方向达2.8倍原泡沫）和优异能量耗散能力（损失因子降低20%），适用于组织工程和减震领域。

　　在当今对可持续材料和先进制造技术日益关注的背景下，研究团队提出了一种创新的工艺——单轴热成型压缩技术，用于生产具有零泊松比（ZPR）和负泊松比（NPR）的开孔泡沫材料。这种技术不仅能够实现更高效、更易操作和更可扩展的生产，还通过使用基于生物来源的开孔聚氨酯（PU）泡沫，进一步提升了其可持续性。研究探讨了制造参数（压缩比、加热温度和时间）以及压缩方向对生物基泡沫在准静态和动态机械性能的影响，特别是在热成型过程中对泡沫性能的调控作用。研究发现，当热成型沿泡沫的上升方向进行时，无论加工参数如何，都观察到了零泊松比的特性；而当热成型方向垂直于上升方向且加工参数被最小化时，则获得了负泊松比的泡沫。这表明，通过合理设计热成型方向和参数，可以有效调控泡沫的机械性能，从而满足不同应用场景的需求。

研究采用了一种全因子实验设计方法，对热成型过程进行了系统分析。这种设计方法能够有效地减少实验次数，同时揭示加工参数之间的相互作用对泡沫性能的影响。实验结果表明，压缩比主要影响材料的刚度，而准静态能量耗散则强烈依赖于加热温度和时间。这表明，压缩比在材料的物理结构变化中起着关键作用，而加热参数则对材料的粘弹性行为和能量耗散特性具有显著影响。通过这种实验设计，研究人员能够建立一个数学模型，从而更好地理解和预测热成型过程对泡沫性能的影响。

此外，研究还探讨了热成型方向对泡沫性能的影响。当热成型沿上升方向进行时，泡沫的泊松比表现出显著的各向异性，即在负载方向上表现出零泊松比特性，而在垂直方向上则呈现出正泊松比。这与泡沫微结构的变化密切相关，特别是泡沫肋的坍塌和对齐方式。而在垂直方向进行热成型时，研究人员观察到负泊松比的出现，这表明通过调整热成型方向可以实现对泡沫性能的调控。这种各向异性特性为泡沫在特定应用中的使用提供了可能性，例如在组织工程和缓冲材料中的应用。

研究团队还对泡沫的动态性能进行了评估，通过振动传递率测试，研究了泡沫在动态条件下的行为。测试结果表明，动态模量和能量耗散特性与准静态条件下的表现相似，但动态能量耗散能力似乎与泡沫的微结构变化无关，而更多地受到聚氨酯材料本身的性质影响。这一发现为泡沫在动态负载下的应用提供了理论依据，同时也揭示了热成型过程中材料性能的复杂性。

为了更全面地评估泡沫性能，研究采用了实验设计方法，分析了压缩比、加热温度和加热时间对泡沫性能的影响。研究发现，当热成型沿上升方向进行时，压缩比是影响泡沫密度和刚度的主要因素，而加热温度和时间则对能量耗散能力起决定性作用。然而，对于泊松比的分析则较为复杂，因为无论加工参数如何变化，泡沫的泊松比都保持在接近零的水平，表明该特性可能与泡沫的微结构变化无关，而是由热成型过程本身决定的。因此，研究建议在未来的实验设计中，将热成型方向作为一个独立的参数进行考虑，以更全面地描述泡沫的性能。

研究还对泡沫的微观结构进行了扫描电子显微镜（SEM）分析，揭示了不同热成型条件下泡沫的结构变化。通过SEM图像，研究人员观察到泡沫肋的变形和重新排列，以及细胞形状的变化，这些变化直接影响泡沫的机械性能。此外，研究团队还讨论了不同热成型参数对泡沫微观结构的影响，例如压缩比和加热温度如何影响泡沫的密度和刚度。

研究结果表明，通过单轴热成型技术，可以有效地将生物基PU泡沫转化为具有零泊松比或负泊松比的开孔泡沫材料。这些泡沫在组织工程和缓冲材料中展现出良好的性能，同时，由于其生物基特性，还符合当前对环保和可持续材料的需求。此外，研究还指出，热成型过程的简化和自动化可以显著降低生产成本和复杂度，为大规模生产和应用提供可能。

在实验设计方面，研究团队采用了全因子设计方法，通过对压缩比、加热温度和加热时间的系统分析，揭示了这些参数对泡沫性能的影响。这种实验设计方法不仅能够减少实验次数，还能帮助研究人员识别不同参数之间的相互作用，从而优化加工条件。然而，研究也指出，由于实验数据的分散性和不确定性，某些参数（如泊松比）的分析存在挑战，需要进一步研究以提高模型的准确性和可靠性。

此外，研究团队还对比了当前研究成果与以往相关研究的差异。例如，与其他研究相比，本研究中的生物基泡沫在热成型后的性能表现出更高的机械强度和更优异的能量耗散能力。这表明，生物基泡沫在热成型过程中能够展现出与传统化石基泡沫相当甚至更优的性能，为未来开发环保材料提供了新的思路。

总的来说，这项研究不仅揭示了单轴热成型技术在生产零泊松比和负泊松比泡沫材料中的潜力，还强调了生物基材料在可持续制造中的重要性。通过优化热成型参数和方向，研究人员能够生产出性能优异的泡沫材料，为未来的工程应用和材料科学研究提供了新的方向和方法。