CN106541568B - 一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法。该材料由两种旋转模块交替拼接组成；在水平X方向和水平Y方向的投影形状一致，竖直方向的投影是正交正方形网格；在受到压力时，产生向内收缩的效果，受到拉力时，产生膨胀的性质。该方法使用3D打印技术实现三维负泊松比性质。本发明的材料实现了三维空间的负泊松比性质，材料在竖直方向受拉时，水平两个方向呈现膨胀；竖直方向受压时，水平两个方向向内收缩的性质。膨胀和收缩时，材料中所有模块绕角点向凹面方向旋转。负泊松比材料还具有良好的耗能、吸音效果，可用于军事领域中耗能材料及日常生活中的隔音材料。

Description

一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及一种弹性力学超构材料及其制作方法，特别涉及一种三维负泊松比材料及其制作方法。

背景技术

杨氏模量和泊松比是结构变形的两个基本参数，绝大多数材料的泊松比都是正的，负泊松比材料能在压缩时候横向收缩，拉伸时横向伸长显示出特异的性能，是良好的能量吸收材料，在机械航空国防海洋等领域有广泛的运用，负泊松比材料大多是多孔重复性材料。

在过去的100多年中，人们逐渐对负泊松比材料展开研究。自然界的负泊松比材料包括母牛乳头部分的皮肤、具有四面体的硅土、和一些特殊的化合物。最早的人工负泊松比材料是Lakes在1987年利用高压制备的泡沫材料，这种材料内部存在凹的六面体结构。Evans发现聚四氟乙烯(PTFE)具有负泊松比特性，并用auxetic来描述负泊松比性质。近年来，越来越多的具有负泊松比性能的材料被科研人员研制出来，主要包括以下三个方面：1)负泊松比的多孔固体：包括二维蜂窝材料、三维的泡沫和微多孔聚合物材料。Lakes研制的泡沫材料是此类材料的代表。2)负泊松比的化合物：在某些层状纤维薄片中，理论分析表明，如在垂直薄层方向上控制叠层的顺序，可以实现负泊松比的特性。3)负泊松比的晶体和立方晶系金属元素：锅、砷、锑、秘以及碱金属，在单向的泊松比性能，晶体SiO2、单晶Ni3Al和α-方晶石也具备负的泊松比。

回归到问题的本质，负泊松比是一个材料的力学特性，上述材料体现出负泊松比性能的原因往往是材料内部存在特殊的孔隙，或分子间的微观排列在拉压条件下具备特殊的几何特性。由此规律衍生出一种用力学方法设计负泊松比材料的思考。即能否采用常见的成本较低的均质原料，通过将材料设计成合理的结构形式，使材料具有负泊松比的效果。

Almgren就利用杆、铰链和弹簧给出了这样一种宏观各向同性的弹性结构，并对此结构进行了尺度上的设计，使得其具有负泊松比性能。Smith等人提出了一个肋状泡模型，卢子兴等人根据该模型建立了二维多胞材料结构，并给出了其弹性本构关系。Prall和lakes在lakes开发的泡沫模型结构分析的基础上，提出了凹蜂巢结构模型，也具有负泊松比的特点，但是这些结构以二维形式的结构为主。Baughman在2000年在科学杂志上提出了一种三维立方体点阵系统的负泊松比结构。之后，三维柱网结构、分离仓式的和折线式结构的负泊松比力学设计也被给出。Korner等人将二维负泊松比材料所具备的的收缩、弯曲、旋转等结构特性拓展到三维条件下，开发出了一种在不同受力条件下显示负泊松比的三维力学设计材料。可以发现，这些材料虽然有了三维负泊松比的形式，但是结构紧缺度要求很高。且很多包含铰和细长的梁，或者类似于桁架体系，并需要满足弯曲扭转等条件，仍然停留在理论方面，不利于作为连续材料来设计。传统的负泊松比材料有一定的理论基础，但是由于三维负泊松比材料的高度各项异性，在设计和制造过程中成功的案例很少。

发明内容

针对现有技术中负泊松比材料存在的上述问题，本发明提供一种三维负泊松比周期性多孔材料及其制作方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种三维负泊松比周期性多孔材料，该材料由两种旋转模块交替拼接组成，所述两种旋转模块由基本模块压缩而成；所述基本模块包括第一正交部、第二正交部和连接部，所述第一正交部由两根等长的横条材料垂直相交而成，所述第二正交部的结构与第一正交部的结构相同且二者平行正对设置，所述连接部包括四根等长的竖条材料，每根竖条材料的两端分别与正对的横条材料的端点相连；第一种旋转模块的第一正交部和第二正交部向外突出，连接部向内凹陷；第二种旋转模块的第一正交部和第二正交部向内凹陷，连接部向外突出。

进一步，在水平X方向和水平Y方向的投影形状一致，竖直方向的投影是正交正方形网格；在受到压力时，产生向内收缩的效果，受到拉力时，产生膨胀的性质。

进一步，两种旋转模块间隔重复组成整个多孔材料；受到垂直方向的压力时，每个周期性模块模块的角点均朝着凹面方向旋转，从而使整体材料呈现出受压收缩，受拉膨胀的特性。

进一步，材料在竖直方向受拉时，水平两个方向呈现膨胀；竖直方向受压时，水平两个方向向内收缩；膨胀和收缩时，材料中所有模块绕角点向凹面方向旋转，整体模型的性质的实现方法为基本单元节点向凹陷侧进行弯曲。

进一步，构造所述旋转模块的材料是均匀的、可以实现大变形的材料，包括橡胶、铝、铜。

本发明还提供一种三维负泊松比周期性多孔材料的制作方法，该方法使用3D打印技术实现三维负泊松比性质，具体包括如下步骤：

步骤1：选择可三维打印的大变形材料，包括橡胶、铝或铜；

步骤2：建造旋转模块，确定参数R、L、h，R/h在1/3到1/5之间，L/h在1/5到1/10之间，其中，R为材料直径、L为模块长度、h为模块的曲率参数；

步骤3：通过两种旋转模块周期性重复拼接构成一个三维受压结构；

步骤4：三维打印成型。

本发明的有益效果如下：

材料实现了三维空间的负泊松比性质，材料在竖直方向受拉时，水平两个方向呈现膨胀；竖直方向受压时，水平两个方向向内收缩的性质。膨胀和收缩时，材料中所有模块绕角点向凹面方向旋转。负泊松比材料还具有良好的耗能、吸音效果，可用于军事领域中耗能材料及日常生活中的隔音材料。

附图说明

图1是本发明中一种旋转模块的结构示意图；

图2是本发明中另一种旋转模块的结构示意图；

图3是本发明三维负泊松比周期性多孔材料的模型的侧视图；

图4是本发明三维负泊松比周期性多孔材料的模型的俯视图；

图5是本发明三维负泊松比周期性多孔材料的模型的三维视图；

图6是橡胶模型受到压应力前后的变形结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的三维负泊松比周期性多孔材料具有负泊松比性质；通过两个周期性旋转模块形成复杂的三维负泊松比结构；其结构具有高度的完整性和稳定性。

1、负泊松比性质：材料在竖直方向受拉时，水平方向呈现膨胀；竖直方向受压时，水平方向向内收缩的性质。膨胀和收缩时，周期性旋转模块绕角点旋转。

2、周期性旋转模块：两种周期性旋转模块靠间隔重复组成整个多孔材料。受到垂直方向的压力时，每个周期性模块模块的角点均朝着凹面方向旋转，从而使整体材料呈现出受压收缩，受拉膨胀的特性。

3、完整性和稳定性：材料通过相互拼接的模块构成，俯视图呈正交的交叉网络。

构造模块和材料所用的自然材料必须是均匀的可以实现大变形材料，例如橡胶，铝，铜等。本发明由两种基本的旋转模块交替组成，两种旋转模块的结构如图1和图2所示。两种旋转模块由基本模块压缩而成。基本模块包括第一正交部、第二正交部和连接部，第一正交部由两根等长的横条材料垂直相交而成，第二正交部的结构与第一正交部的结构相同且二者平行正对设置，连接部包括四根等长的竖条材料，每根竖条材料的两端分别与正对的横条材料的端点相连。第一种旋转模块的第一正交部和第二正交部向外突出，连接部向内凹陷，其结构如图1所示；第二种旋转模块的第一正交部和第二正交部向内凹陷，连接部向外突出，其结构如图2所示。

由于材料是通过机械的方式进行的转动，影响因素主要有以下几个方面：材料直径R模块长度L之间的比值；模块的曲率参数h和模块长度L之间的比值；材料的杨式模量E。

本发明的三维负泊松比周期性多孔材料，通过设计其独特的几何形状实现以下特征，其水平X方向和水平Y方向的投影形状一致，与lakes发明的二维负泊松比泡沫的材料几何特征相同，竖直方向的投影是正交正方形网格。在受到压力时，会产生向内收缩的效果，受到拉力时，会产生膨胀的性质。整体模型的性质的实现方法为为基本单元节点向凹陷侧进行弯曲，橡胶模型受到压应力前后的变形结构如图6所示。

本发明的三维负泊松比周期性多孔材料的制作方法使用3D打印技术实现三维负泊松比性质，具体包括如下步骤：

1、选择可三维打印的大变形材料，橡胶，铝或铜；

2、建造模块，确定参数R、L、h、R/h在1/3到1/5之间。L/h在1/5到1/10之间；

3、通过两种重复性模块构成一个三维受压结构；

4、三维打印成型。

采用3D打印将三维负泊松比材料打印出来，一个为9cm×9cm×9cm的整体模型其侧视图如图3所示，俯视图如图4所示，三维视图如图5所示。

综上所述，本发明为一种三维负泊松比周期性多孔材料，该材料主要用于化工、医疗、军事等需要用于耗能、特殊力学要求的领域，可使用普通的橡胶及金属等常规材料使用3D打印技术实现三维负泊松比性质。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维负泊松比周期性多孔材料，其特征在于：由两种旋转模块交替拼接组成，所述两种旋转模块由基本模块压缩而成；所述基本模块包括第一正交部、第二正交部和连接部，所述第一正交部由两根等长的横条材料垂直相交而成，所述第二正交部的结构与第一正交部的结构相同且二者平行正对设置，所述连接部包括四根等长的竖条材料，每根竖条材料的两端分别与正对的横条材料的端点相连；第一种旋转模块的第一正交部和第二正交部向外突出，连接部向内凹陷；第二种旋转模块的第一正交部和第二正交部向内凹陷，连接部向外突出。

2.根据权利要求1所述的三维负泊松比周期性多孔材料，其特征在于：在水平X方向和水平Y方向的投影形状一致，竖直方向的投影是正交正方形网格；在受到压力时，产生向内收缩的效果，受到拉力时，产生膨胀的性质。

3.根据权利要求1所述的三维负泊松比周期性多孔材料，其特征在于：两种旋转模块间隔重复组成整个多孔材料；受到垂直方向的压力时，每个周期性模块模块的角点均朝着凹面方向旋转，从而使整体材料呈现出受压收缩，受拉膨胀的特性。

4.根据权利要求1所述的三维负泊松比周期性多孔材料，其特征在于：材料在竖直方向受拉时，水平两个方向呈现膨胀；竖直方向受压时，水平两个方向向内收缩；膨胀和收缩时，材料中所有模块绕角点向凹面方向旋转，整体模型的性质的实现方法为基本单元节点向凹陷侧进行弯曲。

5.根据权利要求1所述的三维负泊松比周期性多孔材料，其特征在于：构造所述旋转模块的材料是均匀的、可以实现大变形的材料，包括橡胶、铝、铜。

6.一种权利要求1至5中任意一项所述三维负泊松比周期性多孔材料的制作方法，其特征在于：使用3D打印技术实现三维负泊松比性质，具体包括如下步骤：

步骤1：选择可三维打印的大变形材料，包括橡胶、铝或铜；

步骤2：建造旋转模块，确定参数R、L、h，R/h在1/3到1/5之间，L/h在1/5到1/10之间，其中，R为材料直径、L为模块长度、h为模块的曲率参数；

步骤3：通过两种旋转模块周期性重复拼接构成一个三维受压结构；

步骤4：三维打印成型。