一种具有高负泊松比效应的金属丝网及其制备方法与流程

本发明属于金属丝网的生产技术领域，具体涉及一种具有高负泊松比效应的金属丝网及其制备方法。

背景技术：

金属丝网是一种泊松比可调的多孔材料，会产生负泊松比效应，这种效应使其在发生纵向伸长或收缩时会发生明显的横向伸长或收缩，其泊松比<0，这种特性具有将纵向应变转化为横向应变的效果，使其在应变传感器领域具有较大的应用价值，泊松比表达如下：v＝-εz/εx，其中，v为泊松比，εz为弹性阶段沿厚度方向的横向应变，εx为弹性阶段沿面内方向的纵向应变，泊松比的绝对值越大，应变转化效率越高，因此迫切需要具有高负泊松比效应的金属丝网。

常规金属丝网内部的金属丝具有一定的初始曲折度，由编织结构和厚度方向压缩获得，但负泊松比效应不存在或者不显著，因此控制金属丝网内部弯曲金属丝的排列顺序特别是弯曲金属丝的跨度对于获得高负泊松比效应的金属丝网至关重要，例如中国专利文献号cn101799229b，记载了一种金属丝网的结构，其特征在于经向金属丝与纬向金属丝交互编织而成，中国专利文献号cn104289717a记载了一种cu纤维毡的预压缩烧结方法，将纤维装入模具并手工预压缩至设定孔隙度然后真空烧结，获得烧结金属纤维毡，这些专利所述的工艺制备的金属丝网，没有通过特意的结构设计，无法获得高负泊松比效应，导致泊松比一般都大于-1，目前实际发现的负泊松比效应最强的材料的泊松比为-18。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种具有高负泊松比效应的金属丝网。本发明通过控制跨度，投影长度和投影高度，制备的具有高负泊松比效应金属丝网的泊松比不大于-37，是现有技术产生的负泊松比的两倍以上，能够应用于应变放大器等需要大应变比的场合。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种具有高负泊松比效应的金属丝网，其特征在于，该金属丝网由多根沿y方向排布的金属丝和在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度nd依次向z方向和-z方向发生投影长度为md、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为(nd-3d)/2，所述n和m满足且n≥3，m≥1，所述金属丝网在纵向拉伸时具有不大于-37的泊松比。

上述的具有高负泊松比效应的金属丝网，其特征在于，在x-y平面沿x方向排布的金属丝的数量不小于1根，跨度段的数量不小于3个。本发明采用在x-y平面沿x方向排布的金属丝的数量不小于1根，跨度段的数量不小于3个，控制了在金属丝网受到纵向拉伸时的纵向位移和纵向应变的大小，从而促进了负泊松比效应，保证了制备的金属丝网在受到纵向拉伸时会产生高负泊松比效应。

另外，本发明还提供了一种具有高负泊松比效应的金属丝网的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、将金属丝进行编织处理，得到编织金属丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织金属丝网进行真空高温烧结处理，得到具有高负泊松比效应的金属丝网。

上述的方法，其特征在于，步骤一中所述金属丝的直径d＝2μm～1000μm，金属丝的材质为铁合金、铝合金、钛合金或铜合金。本发明采用金属丝的直径d＝2μm～1000μm，使得到的具有高负泊松比效应的金属丝网在受到纵向拉伸时具有合适的横向变形，避免了因直径过大或过小造成的横向变形小，抗拉强度低等缺点，本发明采用金属丝的材质为铁合金、铝合金、钛合金或铜合金，具有合适的强度，有利于在纵向拉伸时产生协同变形。

上述的方法，其特征在于，步骤二中所述真空高温烧结的过程为：在真空度不大于0.01pa条件下，升温至600℃～1300℃后保温10min～60min。本发明采用在真空度不大于0.01pa条件下，升温至600℃～1300℃后保温10min～60min进行真空高温烧结处理，使金属丝网的金属丝之间的接触点发生冶金结合，实现了金属丝之间的联结，保证了沿x方向排布的金属丝和沿y方向排布的金属丝形成一个整体，从而保证了制备的金属丝网在纵向拉伸时具有高负泊松比效应，该温度和时间范围有利于金属丝之间产生合适的结合强度，避免了超出该温度和时间范围导致的金属丝之间结合强度过强或过弱不利于产生负泊松比效应的缺点。

本发明的金属丝网具有高负泊松比效应的原理：本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网的高负泊松比效应主要由在x-y平面沿x方向排布的金属丝产生，高负泊松比的大小主要由跨度nd和弯曲的投影长度md的大小决定，由几何关系可知本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网的纵向位移由弯曲的投影长度md决定，弯曲的投影长度md越大，纵向位移越小，由于纵向应变等于纵向位移除以纵向初始长度，所以决定纵向应变大小的是弯曲的投影长度md和跨度nd的大小，因此为了减小纵向应变，促进高负泊松比效应，应该尽量增大弯曲的投影长度md和跨度nd，其中，弯曲的投影长度md和跨度nd需要满足一定的相对关系，本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网的泊松比小于-37，得出m和n应满足本发明为使得到的负泊松比的值充分大，能够应用于应变放大器等需要大应变比的场合，应使跨度nd充分大，但如果跨度nd过于大时，最终的纵向应变会非常小，当纵向应变小于0.001时，则超出一般的应变测量器的测量范围，对于大多数应用场合不实用，因此m和n应满足综合上述可知m和n应满足：本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网，在受到x和-x方向的纵向拉伸后，金属丝网中沿x方向排布的金属丝的弯曲被拉直，将与跨度段接触的沿y方向排布的金属丝沿z和-z方向推出，使具有高负泊松比效应的金属丝网在z和-z方向上发生扩展，导致具有高负泊松比效应的金属丝网整体在z和-z方向发生较大横向膨胀，产生了显著的负泊松比效应。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网，沿x方向排布的金属丝每隔跨度nd依次向z方向和-z方向发生投影长度为md，投影高度为2d的弯曲，通过调整跨度nd和弯曲的投影长度md，控制了具有高负泊松比效应的金属丝网在受到纵向拉伸时的纵向位移和纵向应变大小，使具有高负泊松比效应的金属丝网整体发生较大横向膨胀，从而促进了具有高负泊松比效应的金属丝网的负泊松比效应，实现了具有高负泊松比效应的金属丝网的制备，为制造具有高负泊松比效应的金属丝网提供了新方法。

2、本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网，在纵向拉伸时具有不大于-37的负泊松比，是现有技术制备的材料产生的负泊松比的两倍以上，远超现有材料的负泊松比，解决了现有的金属丝网结构负泊松比效应过小的缺点，制备的具有高负泊松比效应的金属丝网能够应用于应变放大器等需要大应变比的场合，具有极大的应用前景。

3、本发明采用真空高温烧结处理，使金属丝网的金属丝之间的接触点产生冶金结合，通过产生的冶金结合使金属丝之间具有合适的结合强度，保证了沿x方向排布的金属丝和沿y方向排布的金属丝形成一个整体，实现了具有高负泊松比效应的金属丝网的制备，制备的具有高负泊松比效应的金属丝网性能稳定。

4、本发明制备工艺简单，易于实现，适宜于规模化生产。

下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网的俯视图。

图2是本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网的主视图。

图3是本发明实施例1制备的具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网的主视图。

图4是本发明实施例1制备的具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网进行纵向拉伸后的主视图。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明制备的具有高负泊松比效应的金属丝网由多根沿y方向排布的金属丝和在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度nd依次向z方向和-z方向发生投影长度为md、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为(nd-3d)/2。

实施例1

本实施例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝28μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度9d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为3d。

本实施例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝28μm的316l不锈钢丝进行编织处理，得到编织316l不锈钢丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织316l不锈钢丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1200℃后保温60min，得到具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网。

经检测，本实施制备的具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.0135时，泊松比为-37。

图3是本实施例制备的具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网的主视图，从图3中可以看出，316l不锈钢丝在x-y平面沿x方向进行排布时，每隔跨度9d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，316l不锈钢丝在沿y方向进行排布，以3根316l不锈钢丝为一组分布于沿x方向排布的316l不锈钢丝的跨度段之上和跨度段之下且与x方向排布的316l不锈钢丝互相接触且接触点发生冶金结合，一组中相邻316l不锈钢丝之间的距离为3d，相隔一组的两组中位于每组中间位置的316l不锈钢丝之间的水平距离h＝24d，当316l不锈钢丝网受到纵向拉伸，弯曲有横向旋转的趋势。

图4是本实施例制备的具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网进行纵向拉伸后的主视图，从图4中可以看出，在316l不锈钢丝网受到沿x和-x方向的纵向拉伸后，316l不锈钢丝的弯曲被拉直，将与跨度段接触的316l不锈钢丝沿z和-z方向推出，使316l不锈钢丝网在z和-z方向上发生扩展，导致316l不锈钢丝网整体在z和-z方向发生较大横向膨胀，产生了显著的负泊松比效应，拉伸后相隔一组的两组的中间的316l不锈钢丝之间的水平距离变为h＝24.3d，316l不锈钢丝网厚度变为3d。

对比例1

本对比例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝28μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度5d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为d。

本对比例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝28μm的316l不锈钢丝进行编织处理，得到编织316l不锈钢丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织316l不锈钢丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1200℃后保温60min，得到具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网。

经检测，本对比制备的316l不锈钢丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.0188时，泊松比为-27。

通过本对比例与实施例1进行对比可以看出，本对比例中n和m不满足的要求，制备的316l不锈钢丝网的负泊松比的值小于实施例1，不能达到具有高负泊松比效应的需求。

对比例2

本对比例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝28μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度157d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为77d。

本对比例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝28μm的316l不锈钢丝进行编织处理，得到编织316l不锈钢丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织316l不锈钢丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1200℃后保温60min，得到具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网。

经检测，本对比制备的316l不锈钢丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向金属丝被拉直时，纵向应变仅为0.00094，没有产生负泊松比效应。

通过本对比例与实施例1进行对比可以看出，本对比例中n和m不满足的要求，制备的316l不锈钢丝网没有产生负泊松比效应，不能达到具有高负泊松比效应的需求。

将对比例1和对比例2与实施例1对比可以看出，当n和m不满足的要求时，制备的316l不锈钢丝网不能产生显著的负泊松比效应。

对比例3

本对比例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝28μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度9d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为3d。

本对比例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝28μm的316l不锈钢丝进行编织处理，得到编织316l不锈钢丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织316l不锈钢丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1350℃后保温60min，得到具有高负泊松比效应的316l不锈钢丝网。

经检测，本对比制备的316l不锈钢丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.0125时，泊松比为-10。

通过本对比例与实施例1进行对比可以看出，本对比例中高温烧结处理的温度超出600℃～1300℃范围，没有达到金属丝之间结合强度的要求，制备的316l不锈钢丝网的负泊松比的值小于实施例1，不能达到具有高负泊松比效应的需求。

实施例2

本实施例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝2μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度9d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为3d。

本实施例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝2μm的紫铜丝进行编织处理，得到编织紫铜丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织紫铜丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1000℃后保温50min，得到具有高负泊松比效应的紫铜丝网。

经检测，本实施制备的具有高负泊松比效应的紫铜丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.0135时，泊松比为-37。

实施例3

本实施例具有高负泊松比效应的金属丝网由在x-y平面沿x方向排布的金属丝和沿y方向排布的金属丝组成，其中，金属丝的直径为d＝1000μm，所述沿x方向排布的金属丝每隔跨度21d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，所述沿y方向排布的金属丝以3根为一组分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下且与沿x方向排布的金属丝互相接触，所述一组中相邻金属丝之间的距离为9d。

本实施例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝1000μm的紫铜丝进行编织处理，得到编织紫铜丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织紫铜丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1000℃后保温60min，得到具有高负泊松比效应的紫铜丝网。

经检测，本实施制备的具有高负泊松比效应的紫铜丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.006时，泊松比为-80。

实施例4

本实施例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝1000μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度78d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为37.5d。

本实施例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝1000μm的ti6al4v丝进行编织处理，得到编织ti6al4v丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织ti6al4v丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至1300℃后保温10min，得到具有高负泊松比效应的ti6al4v丝网。

经检测，本实施制备的具有高负泊松比效应的ti6al4v丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.0013时，泊松比为-493。

实施例5

本实施例具有高负泊松比效应的金属丝网由9根沿y方向排布的金属丝和3根在x-y平面沿x方向排布的金属丝组成，其中，单根金属丝的直径为d＝1000μm，每根在x-y平面沿x方向排布的金属丝每隔跨度50d依次向z方向和-z方向发生投影长度为3d、投影高度为2d的弯曲，沿y方向排布的金属丝以3根为一组交替分布于沿x方向排布的金属丝的跨度段之上和跨度段之下，且与沿x方向排布的金属丝互相接触，以3根为一组沿y方向排布的金属丝中相邻两根金属丝之间的距离为23.5d。

本实施例具有高负泊松比效应金属丝网的制备方法包括以下步骤：

步骤一、将直径d＝1000μm的铝丝进行编织处理，得到编织铝丝网；

步骤二、将步骤一中得到的编织铝丝网在真空度为0.01pa条件下，升温至600℃后保温60min，得到具有高负泊松比效应的铝丝网。

经检测，本实施制备的具有高负泊松比效应的铝丝网，在沿x和-x方向进行纵向拉伸时，当纵向应变为0.0038时，泊松比为-133。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。