CN107643552B - 具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构及其材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构，包括环状底部，两根第一斜杆和第一横杆，两根所述第一斜杆的一端分别与环状底部内环圆周上的任意一点相连接，两根所述第一斜杆的另一端分别与第一横杆的一端相连接，所述第一横杆、两根第一斜杆以及两根所述第一斜杆与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形。该单相点阵结构具有工艺简单、连接界面不易开裂且具有零/低热膨胀性的优点。由该点阵结构作为基本单元按照几何排布组合规律得到的单相材料，同样具有工艺简单、连接界面不易开裂且具有零/低热膨胀性的优点。

Description

具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构及其材料

技术领域

本发明涉及零/低热膨胀结构技术领域，尤其涉及一种具有零热膨胀性质的单相点阵结构及具有该结构的材料。

背景技术

热膨胀系数是材料热物理性能的重要参数，它表征材料受到温度变化而发生的几何尺寸变化。由于绝大多数材料表现出“热胀冷缩”的正热膨胀效应，在精密仪器工程领域，温度变化引起的热变形会破坏精密结构原有精度。因此，零热膨胀材料，在一定温度范围内，其平均热膨胀系数极小甚至为零，在精密仪器、电子、土木、航空航天等工程领域具有极高的应用价值。

当前零热膨胀材料大多数是由几种不同热膨胀系数的材料复合而成，《科学通报》2017年62卷第1期中刊发了作者为韦凯，裴永茂的《轻质复合材料及结构热膨胀调控设计研究进展》，其主要结构为双材料弯曲梁或者两种不同热膨胀系数连接而成的三角形点阵复合结构，但是，多相材料存在相互连接困难，制造工艺复杂，连接界面容易开裂。目前关于通过单相材料结构设计实现零/低热膨胀还未见报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种工艺简单、连接界面不易开裂且具有零/低热膨胀性的单相点阵结构及具有该结构的材料。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构，包括环状底部，两根第一斜杆和第一横杆，两根所述第一斜杆的一端分别与环状底部内环圆周上的任意一点相连接，两根所述第一斜杆的另一端分别与第一横杆的一端相连接，所述第一横杆、两根第一斜杆以及两根所述第一斜杆与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形。

作为本发明的进一步改进：

所述等腰梯形的结构参数为：

其中，l为第一斜杆的长度，d为等腰梯形下底的长度即内环圆周上两个连接点之间的长度，D为等腰梯形上底的长度即第一横杆3的长度，为等腰梯形下底与上底长度的比值，α表示第一横杆3和第一斜杆2的热膨胀系数，α₁为圆环圆周上两个第一斜杆连接点之间的等腰梯形虚拟下底的等效热膨胀系数，α＞α₁＞0。

一种具有零/低热膨胀性质的单相材料，将所述点阵结构按照零/低热膨胀性能的方向阵列，得到具有单方向零/低热膨胀性能的直线型结构，将该直线型结构作为基本单元，按照几何排布组合规律得到点阵材料。

所述零/低热膨胀性能的方向是指等腰梯形的高度方向。

所述阵列是指将多个所述点阵胞元结构按照等腰梯形的高度方向进行排列成型。

所述点阵结构阵列连接时，所述第一横杆的两端与下一个点阵结构的环状底部的外周连接。

所述点阵结构阵列连接时，两个所述第一斜杆的另一端与下一个点阵结构的环状底部的外周连接。

所述排列成型的方式为一体成型或连接成型。

所述环状底部的内环圆周上还连接有另外至少一对第二斜杆，所述该对第二斜杆的另一端分别与第二横杆的一端相连接，所述第二横杆、一对第二斜杆以及该对第二斜杆与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形，所述第二横杆与横杆交叉。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明具有零/低热膨胀性质的点阵结构，包括环状底部，第一横杆和两根第一斜杆，两根第一斜杆的一端分别与环状底部内环圆周上的任意一点相连接，两根第一斜杆的另一端分别与第一横杆的一端相连接，第一横杆、两根第一斜杆以及两根第一斜杆与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形。由于等腰梯形的下底是由两根第一斜杆与内环圆周上的连接点之间的连线构成的虚拟下底，其下底的热膨胀系数取决于环状底部内圆周上该两点间的等效热膨胀系数，虽然环状底部与第一斜杆和第一横杆使用的材料相同，但形状尺寸对于热膨胀系数有很大的影响，特别对于环形结构，内环与外环的热变形差异较大，一般内环的热膨胀系数小于该材料平均热膨胀系数，所以下底的热膨胀伸长比上底杆件伸长小，由于上底和下底的热膨胀伸长量差异，使得第一斜杆与上底的夹角减小，从而引起等腰梯形高度的减小；另一方面，第一斜杆的热膨胀伸长会引起等腰梯形高度增大，而等腰梯形点阵结构的高度取决于两种热变形综合作用的叠加。因此，通过点阵结构的设计，使得结构变形抵消竖直方向的热膨胀伸长，实现竖直方向零/低热膨胀。进一步地，使用具有该零/低热膨胀性质的点阵结构排列而成的直线型结构，再将该直线型结构作为基本单元，按照几何排布组合规律得到的材料就具有零/低热膨胀性能，并且该种结构的材料使用单相材质，具有工艺实现简单，避免连接界面的应力集中问题，不易断裂的优点。

附图说明

图1为零/低热膨胀单横杆点阵结构胞元示意图；

图2为零/低热膨胀点阵结构热膨胀变形原理示意图；

图3为零/低热膨胀双横杆点阵结构胞元示意图；

图4a为点阵结构拼接时有横杆的直线型结构单元示意图；

图4b为点阵结构拼接时无横杆的直线型结构单元示意图；

图5为二维零/低热膨胀点阵结构示意图；

图6为三维零/低热膨胀点阵结构示意图。

图例说明：

1、环状底部；2、第一斜杆；3、第一横杆；4、第二斜杆；5、第二横杆。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1和图2示出了本发明具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构，包括环状底部1，第一横杆3和两根第一斜杆2，两根第一斜杆2的一端分别与环状底部1内环圆周上的任意一点相连接，两根第一斜杆2的另一端分别与第一横杆3的一端相连接，第一横杆3、两根第一斜杆2以及两根第一斜杆2与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形。由于等腰梯形的下底是由两根第一斜杆2与内环圆周上的连接点之间的连线构成的虚拟下底，其下底的热膨胀系数取决于环状底部内圆周上该两点间的等效热膨胀系数，而环状底部与第一斜杆2和第一横杆3使用的材料相同，由于形状尺寸对于热膨胀系数有很大的影响，特别对于环形结构，包括圆环结构、椭圆环结构、三角形环状结构、四边形环状结构等，内环与外环的热变形差异较大，不同部位的热变形也有很大差异，一般内环的热膨胀系数小于该材料平均热膨胀系数，通过测试可以找到内环热膨胀系数较小的位置，因此点阵结构的底部形状可以是其他的环形结构。由于下底的膨胀系数小于上底，下底的热膨胀伸长比上底杆件伸长小，上底和下底的热膨胀伸长量差异，使得第一斜杆2与上底3的夹角减小，从而引起等腰梯形高度的减小；另一方面，第一斜杆2的热膨胀伸长会引起等腰梯形高度增大，而等腰梯形点阵结构的高度取决于两种热变形综合作用的叠加。因此，通过点阵结构的设计，使得结构变形抵消竖直方向的热膨胀伸长，实现竖直方向零/低膨胀，而且由于该点阵结构使用同一种材料，不存在两种不同热膨胀系数材料之间的应力集中，连接点易断裂的问题，具有在等腰梯形高度方向零/低热膨胀的优点。

本实施例中，等腰梯形的结构参数为：其中，l为第一斜杆2的长度，d为等腰梯形下底的长度即内环圆周上两个连接点之间的长度，D为等腰梯形上底的长度即第一横杆3的长度，(r大于0，小于1)为等腰梯形下底与上底长度的比值，α表示第一横杆3和第一斜杆2的热膨胀系数，α₁为内环圆周上两个第一斜杆连接点之间的虚拟下底的等效热膨胀系数，α＞α₁＞0，热膨胀系数α和α₁可以通过实验测试得到，利用公式(1)可以得到第一斜杆2的长度，得到的点阵结构胞元满足零热膨胀性能要求。本实施例中，点阵结构胞元的尺度既可以是宏观尺度，也可以是介观尺度、微观尺度。

图4至图6示出了本发明具有零/低热膨胀性质的单相材料，将点阵结构胞元按照零/低热膨胀性能的方向阵列，得到具有单方向零热膨胀性能的直线型结构，将该直线型结构作为基本单元，按照几何排布组合规律得到点阵复合材料。将上述实施例中的点阵结构胞元阵列成型，得到一直线型结构单元，该直线型结构单元同样具有零/低热膨胀性能，然后将该零/低热膨胀性能的直线型结构单元按照几何排布组合规律得到的材料也就具有零/低热膨胀性。并且由于该种结构的材料使用单相材质，具有工艺实现简单，避免连接界面的应力集中问题，不易断裂的优点。几何排布组合规律是指可以将直线型结构单元按三角形、四边形，六边形排列，然后以三角形、四边形，六边形为胞元进行阵列，可以得到二维平面零/低热膨胀结构。也可以将直线型结构单元按三棱锥骨架、四棱锥骨架、六面体骨架等排列，然后以三棱锥骨架、四棱锥骨架、立方体骨架为胞元进行阵列，可以得到三维零/低热膨胀结构。

本实施例中，零/低热膨胀性能的方向是指等腰梯形的高度方向。由于点阵结构胞元中等腰梯形的下底是由两根第一斜杆2与内环圆周上的连接点之间的连线构成的虚拟下底，其下底的热膨胀系数取决于环状底部内圆周上该两点间的等效热膨胀系数，虽然环状底部与第一斜杆2和第一横杆3使用的材料相同，但环状底部内径的热膨胀系数小于该材料的平均热膨胀系数，所以下底的热膨胀伸长比上底杆件伸长小，由于上底和下底的热膨胀伸长量差异，使得第一斜杆2与第一横杆3的夹角减小，从而引起等腰梯形高度的减小；另一方面，第一斜杆2的热膨胀伸长会引起等腰梯形高度增大，而等腰梯形点阵结构的高度取决于两种热变形综合作用的叠加，因此在等腰梯形的高度方向点阵胞元结构具有零热膨胀性能。

本实施例中，阵列是指将多个点阵结构胞元按照等腰梯形的高度方向进行排列成型。将多个点阵结构按照等腰梯形的高度方向阵列一体成型或相互连接，就可以实现单方向的零/低热膨胀。其成型方式不限于铸造、增材制造，连接方式也可以是焊接、铰链、粘结等。点阵结构阵列连接时，第一横杆3的两端与下一个点阵结构的环状底部1的外周连接。也可以是在点阵结构阵列连接时，两个第一斜杆2的另一端与下一个点阵结构的环状底部1的外周连接，省略了与两个第一斜杆2的另一端相连接的第一横杆3的材料，两个第一斜杆2的另一端直接与环状底部1的外周两点相连接，由于环状底部1外周与内周的热膨胀系数不同，同样可以达到在等腰梯形的高度方向零/低热膨胀系数的特点。

本实施例中，如图3所示，环状底部1的内环圆周上还连接有另外至少一对第二斜杆4，该对第二斜杆4的另一端分别与第二横杆5的一端相连接，第二横杆5、一对第二斜杆4以及该对第二斜杆4与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形，第二横杆5与第一横杆3交叉。由于点阵结构胞元按照等腰梯形的高度方向排列成型时，一个点阵结构胞元的第一横杆3与下一个点阵结构胞元的环状底部相连接，可以防止点阵结构胞元绕着第一横杆3转动，造成点阵结构连接不稳定，因此在环状底部1上再另外连接至少一对第二斜杆4，两个第二斜杆4与第二横杆5构成另外一个等腰梯形，而第二横杆5与第一横杆3交叉，因此形成的点阵结构胞元在按照等腰梯形的高度方向排列成型时，就有第二横杆5和第一横杆3与下一个点阵结构胞元的环状底部接触，有效防止了点阵结构胞元的转动，优选的，第二横杆5与第一横杆3垂直。本实施例中，点阵结构胞元也可以去掉第二横杆5和第一横杆3，点阵结构胞元的第一斜杆与第一横杆的连接端以及第二斜杆与第二横杆的连接端直接与下一个点阵结构的环状底部外圆周连接，依次阵列形成零/低热膨胀结构。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构，其特征在于：包括环状底部(1)、两根第一斜杆(2)和第一横杆(3)，两根所述第一斜杆(2)的一端分别与环状底部(1)内环圆周上的任意一点相连接，两根所述第一斜杆(2)的另一端分别与第一横杆(3)的一端相连接，所述第一横杆(3)、两根第一斜杆(2)以及两根所述第一斜杆(2)与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形。

2.根据权利要求1所述的具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构，其特征在于：所述等腰梯形的结构参数为：

其中，l为斜杆(2)的长度，d为等腰梯形下底的长度即内环圆周上两个第一斜杆(2)连接点之间的长度，D为等腰梯形上底的长度即第一横杆3的长度，为等腰梯形下底与上底长度的比值，α表示第一横杆(3)和第一斜杆(2)的热膨胀系数，α₁为圆环内圆周上两个第一斜杆(2)连接点之间的虚拟下底的等效热膨胀系数，α＞α₁＞0。

3.一种利用如权利要求1或2所述的具有零/低热膨胀性质的单相点阵结构制成的单相材料，其特征在于：将所述点阵结构按照零热膨胀性能的方向阵列，得到具有单方向零热膨胀性能的直线型结构，将该直线型结构作为基本单元，按照几何排布组合规律得到点阵材料。

4.根据权利要求3所述的单相材料，其特征在于：所述零热膨胀性能的方向是指等腰梯形的高度方向。

5.根据权利要求4所述的单相材料，其特征在于：所述阵列是指将多个所述点阵结构按照等腰梯形的高度方向进行排列成型。

6.根据权利要求5所述的单相材料，其特征在于：所述点阵结构阵列连接时，所述第一横杆(3)的两端与下一个点阵结构的环状底部(1)的外周连接。

7.根据权利要求5所述的单相材料，其特征在于：所述点阵结构阵列连接时，两个所述第一斜杆(2)的另一端与下一个点阵结构的环状底部(1)的外周连接。

8.根据权利要求5至7中任一项所述的单相材料，其特征在于：所述排列成型的方式为一体成型或连接成型。

9.根据权利要求3所述的单相材料，其特征在于：所述环状底部(1)的内环圆周上还连接有另外至少一对第二斜杆(4)，所述该对第二斜杆(4)的另一端分别与第二横杆(5)的一端相连接，所述第二横杆(5)、一对第二斜杆(4)以及该对第二斜杆(4)与内环圆周上的连接点之间的连线构成等腰梯形，所述第二横杆(5)与横杆(2)交叉。