健康环保/强力抓地 负泊松比材料新型轮胎介绍

　　第十七届科博会上，北汽集团展示一款先进的非充气轮胎——负泊松比材料制备新型材料轮胎。

　　本发明的拉胀材料属于高性能高分子复合材料，特别涉及负泊松比材料及其制备方法和用途。经二次发泡法或螺杆挤出发泡法得到的材料泡沫体具有微观呈双扇形的复合结构，复合结构的中间层是规则的多边形的蜂窝状结构，复合结构的外层由中心向外，在径向方向上，逐渐变为拉长的蜂窝状结构，复合结构的外层呈发散状渐长有序排列，其微孔的孔径是80～150μm。该材料具有受拉时其垂直方向有膨胀(拉胀性)和(或)受挤压时收缩(挤缩性)的力学性能，并且通过特殊的制作工艺，可以提高材料的抗压性、冲击吸收力、回弹性等力学性能。这一独特的力学性能，决定了它在复合板材、废水处理、深水作业、航天航空、舒适织物等领域的应用前景。

　　根据本发明的非充气轮胎，它包括一个旋转中心轴;一组绕中心轴旋转的由负泊松比单元晶胞构成的同心环状物，每个负泊松比单元晶胞由一组构成负泊松比结构的构件组成。最外圈的单元晶胞可以以一种有利于与路面接触的方式排列，并可以有适当的覆盖材料。当轮子旋转时，随着接触路面区域所受外力的增加，负泊松比结构的强度和刚度会增加。同心环状物中间可以放置夹层材料或填充材料，例子中的单元晶胞由一组嵌套的V形结构构成。最外圈单元晶胞外面有一层适于和地面相接触的覆盖材料，构成完整的轮胎或轮子。轮胎或轮子可以是充气的，也可以是非充气的。

　　说明

　　基于负泊松比结构的超轻重量非充气轮胎结构

　　[0001] 有关本项发明

　　本发明是前一项美国专利申请12/267，867 (申请日期2008年11月10号，批准日期 2011年3月22号，获准专利号US7, 910，193 B2)的部份继续申请(Continuation-In-Part， CIP)。前项专利是本项专利的基础和一部份。

　　技术领域

　　[0002] 本发明涉及负泊松比(Negative Poisson's fcitio)或称膨胀(Auxetic)材料和结构，特别涉及基于负泊松比材料和结构的超轻重量非充气轮胎结构。本发明里提到的材料是指有某种微观结构的人工合成材料，所以也可以和结构一起通称为结构。

　　背景技术

　　[0003] 目前，以商业为目的所开发的〃防爆轮胎"(Rimflat)和〃非充气轮胎"(Airless Tire)包括米其林(Michelin)公司的 T 轮(Tweels)JPResilient Technologies 公司的非充气轮胎(Non-pneumatic tire)，这两项技术都采用了蜂窝状结构。防爆轮胎和非充气轮胎技术不但有其商业用途，而且也有很重要的军事用途。以一典型的军用卡车为例，其车每一个轮子要承受一万多磅的重量。为了使该车在轮胎撒气后(由于恶劣路况、被扎破、被子弹击穿、或被爆炸物袭击导致轮胎撒气)能够继续行使，可以在车胎里面放置一个备用的非充气结构。目前安装在此军车上的备用非充气结构可以使该车在撒气后再跑上一段足以逃生的距离。但每个轮胎里的非充气结构重达100多磅。除了非充气结构，此军车还采用了中心轮胎充气系统(CTIS)，以适应各种不同路况条件下的有效行使。

　　[0004] 泊松比是以提出者Simeon Poisson命名的，是指材料在两个垂直方向上的应变之比的负数。一般定义为材料的横向(垂直于加力方向)收缩率和轴向(沿加力方向)拉伸率之比。一些材料具有负的泊松比，如果在某个方向上拉伸这些材料，则会在与其垂直的方向膨胀。同样，如果在某一方向上压缩，则会在与其垂直的方向收缩。

　　[0005] 负泊松比材料这种独特的性能已经吸引了许多研究者的兴趣。有别于传统的(自然界里常见的)具有正泊松比的材料，当一个负泊松比材料受压时，它会沿与受力方向垂直的方向收缩(同样，当其受拉时会沿与受力方向垂直的方向膨胀)。这种特性使负泊松比材料在受压后密度增大，以便能够更好地抵抗外力。因此负泊松比材料在外力的作用下，强度会越来越大，而且越来越不易被破坏。同时人们还发现，负泊松比材料还能提高结构的耐热性、抗冲击性、抗断裂性、抗压性以及具有较大的剪切模量等。

　　[0006] 负泊松比材料已经有了一系列的应用。根据美国专利第7，160,621号，一种汽车的碰撞能量吸收器采用了某种负泊松比材料，其负泊松比结构的厚度超过了 1毫米。这项专利还包括了一种偶联在负泊松比结构上的边界晶胞，其目的是为了进一步抵抗负泊松比结构的变形。

　　[0007] 绝大部分已知的负泊松比材料都是高分子泡沫(Polymer Foam)材料。比如，美国专利第4，668，557号，披露了一种具有负泊松比的开胞(Open Cell)泡沫材料。通过在三个方向上对传统的开胞泡沫材料进行压缩，然后将压缩过的材料加热至软化温度，使其产生永久性变形，就可得到这种负泊松比材料。这样生产出来的材料，晶胞的骨架向内突出， 从而具有负泊松比的特性。

　　发明内容

　　[0008] 本发明主要涉及负泊松比结构，并且将负泊松比结构应用到全新的防爆轮胎和非充气轮胎中。通过对负泊松比结构进行功能导向设计，可以使负泊松比轮胎最好地满足商用和军用的需要。负泊松比结构的轮胎可以是充气的，也可以是不充气的，对于充气的负泊松比轮胎，只有当轮胎撒气时里面的负泊松比结构才起作用。对于不充气的负泊松比轮胎， 负泊松比结构可以取代压缩气体从而在任何时候都起作用。不充气的负泊松比轮胎也可以和车轮一体化，从而构成全新的基于负泊松比结构的车轮。通过使用普通的原材料和简单的制造过程，负泊松比轮胎或车轮可以实现低成本制造和大规模生产。通过功能导向的优化设计，负泊松比轮胎或车轮完全可以与传统的充气轮胎或车轮相媲美，而负泊松比轮胎或车轮的重量却大大降低。在以下的讨论中，将不区分负泊松比轮胎和负泊松比车轮，即所说的负泊松比轮胎将包括负泊松比车轮，反之亦然。

　　[0009] 根据本发明的一个负泊松比轮胎，它包括一个转动轴，以及围绕该转动轴的一系列由负泊松比单元晶胞构成的同心环状结构。每一个单元晶胞由一组构成负泊松比V形结构的受压结构(简称支撑)和受拉结构(简称筋腱)组成。在轮胎最外圈的单元晶胞及其覆盖材料采用便于轮胎在地面上滚动的排列方式，并采用具有合适的摩擦系数的材料，以使轮胎在转动时和地面有最佳的相互作用，并且轮胎随着地面反力的增大而性能增强。

　　[0010] 在每两层(V形晶胞单元的)环状结构中间设有一个由特定材料或混合材料所构成的夹层，以形成连片状的(网状的、环状的、织物状的、或连成一体的)轮胎结构。在晶胞单元的空间内可以填充合适的材料，在最外层的晶胞单元外面一般来讲可加上覆盖材料。负泊松比轮胎结构可以根据轮胎的要求进行功能导向的优化设计，轮胎内可以充气也可以不充气。