Hệ thống độ cứng cực đại do các thành phần độ cứng âm

American Journal of Physics - Tập 72 Số 1 - Trang 40-50 - 2004
Yun‐Che Wang1, Roderic S. Lakes2
1Department of Engineering Physics and Engineering Mechanics Program, University of Wisconsin–Madison, 147 Engineering Research Building, 1500 Engineering Drive, Madison, Wisconsin 53706-1687
2Department of Engineering Physics, Engineering Mechanics Program, Biomedical Engineering Department, Materials Science Program, and Rheology Research Center, University of Wisconsin–Madison, 147 Engineering Research Building, 1500 Engineering Drive, Madison, Wisconsin 53706-1687

Tóm tắt

Khi một vật đàn hồi bị nén, chúng ta kỳ vọng nó sẽ chống lại bằng cách tạo ra một lực phục hồi. Việc đảo ngược lực này tương ứng với độ cứng âm. Nếu chúng ta kết hợp các yếu tố có độ cứng dương và âm trong một vật liệu tổng hợp, có thể đạt được độ cứng lớn hơn (hoặc nhỏ hơn) bất kỳ thành phần nào. Hành vi này vi phạm các ranh giới đã được thiết lập, mặc nhiên giả định rằng mỗi pha đều có độ cứng dương. Hành vi cực đoan của vật liệu tổng hợp đã được chứng minh thực nghiệm trong một hệ thống kết hợp sử dụng ống bị gập để đạt được độ cứng âm và trong một vật liệu tổng hợp gần vùng chuyển pha của một trong các thành phần. Trong bối cảnh của một hệ thống tổng hợp, "cực đoan" đề cập đến một thuộc tính vật lý lớn hơn bất kỳ thành phần nào. Chúng tôi xem xét một mô hình lò xo đơn giản với tải trước để đạt được độ cứng âm. Khi được điều chỉnh thích hợp để cân bằng độ cứng dương và âm, hệ thống xuất hiện một điểm cân bằng quan trọng dẫn đến độ cứng tổng thể cực đại. Phân tích độ ổn định của hệ thống giảm chấn nhớt chứa lò xo độ cứng âm cho thấy hệ thống ổn định khi được điều chỉnh cho độ tuân thủ cao, nhưng là trạng thái tồn tại trung gian khi được điều chỉnh cho độ cứng cao. Tính bất ổn định của hệ thống cực đoan tương tự như kim cương. Phản ứng tần số của hệ thống giảm chấn nhớt cho thấy độ cứng tổng thể tăng với tần số và lên đến vô cùng khi một thành phần có độ cứng âm thích hợp.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

2000, Mechanics of a discrete chain with bi-stable elements,, J. Mech. Phys. Solids, 48, 1, 10.1016/S0022-5096(99)00006-X

1987, Foam structures with a negative Poisson’s ratio, Science, 235, 1038, 10.1126/science.235.4792.1038

1993, Advances in negative Poisson’s ratio materials, Adv. Mater. (Weinheim, Ger.), 5, 293, 10.1002/adma.19930050416

2001, Extreme damping in compliant composites with a negative stiffness phase, Philos. Mag. Lett., 81, 95, 10.1080/09500830010015332

2001, Extreme damping in composite materials with a negative stiffness phase, Phys. Rev. Lett., 86, 2897, 10.1103/PhysRevLett.86.2897

2001, Extreme damping in composite materials with negative stiffness inclusions, Nature (London), 410, 565, 10.1038/35069035

2002, Dramatically stiffer elastic composite materials due to a negative stiffness phase?, J. Mech. Phys. Solids, 50, 979, 10.1016/S0022-5096(01)00116-8

1960, Prediction of elastic constants of multiphase materials, Trans. AIME, 218, 36

2001, Extreme thermal expansion, piezoelectricity, and other coupled field properties in composites with a negative stiffness phase, J. Appl. Phys., 90, 6458, 10.1063/1.1413947

Thông tin
Thông tin xuất bản

American Journal of Physics

Tập 72 Số 1

40-50

Thông tin tác giả