CN108170977A - 一种可调三维反手性负泊松比结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调三维反手性负泊松比结构，由结构单元在三维空间周期排列形成。结构单元包括54根长方体杆和27个立方体块，长方体杆通过立方体块连接在一起，连接点位于立方体块的角点处，且每根长方体杆与其两端立方体块的连接位置沿杆的中垂面呈镜面对称；长方体杆均沿着坐标轴方向排列；结构单元在XY、YZ、XZ三个轴平面的投影均为反手性的形状。本发明的三维负泊松比结构中，将长方体杆通过立方体块相连，避免了现有一些负泊松比结构中的杆相互接触的设计，使应力不过于集中，提高了负泊松比效应的可靠性和耐久性。本发明的制备方法可利用已有的二维负泊松比结构设计出性能可调、可大规模制造、高可靠性的三维负泊松比结构。
Description
技术领域
本发明属于负泊松比结构设计领域，具体涉及一种可调三维反手性负泊松比结构及制备方法。
背景技术
负泊松比材料在受到纵向压缩时，横向方向会向内部收缩。这种独特的变形特性使其结构的密度在受冲击的地方变大。因此，负泊松比材料具有抗冲击，隔离振动，吸收能量的特性，这使其在航空航天，汽车等领域具有巨大的应用前景。传统的负泊松比材料多是通过设计合成高分子结构或复杂的研磨手段得到，这些方法成本高，可以使用的材料很有限。随着3D打印技术的发展，研究人员可以通过电脑辅助设计的方法设计复杂的负泊松比结构，通过3D打印的方式用多种材料制备出来，以应用在工程领域。
传统的负泊松比结构及设计方法集中于设计二维负泊松比结构，如公开号为CN106202759A的中国发明专利“一种可编程仿生负泊松比结构及设计方法”提出了一种二维负泊松比结构及设计方法。在实际应用中，更需要材料具有三维的负泊松比。因此，如何把二维负泊松比结构转化到三维结构上并使其具有优异的性能是工程应用领域急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种可调三维反手性负泊松比结构，该三维负泊松比结构在XY、YZ和XZ三个轴平面具有相同的负泊松比效应。本发明的另外一个目的是提供一种可以大规模制造该结构的方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种可调三维反手性负泊松比结构，该三维反手性负泊松比结构的单元包括54根长方体杆和27个立方体块，长方体杆通过立方体块连接在一起，连接点位于立方体块的角点处，且每根长方体杆与其两端立方体块的连接位置沿杆的中垂面呈镜面对称；所述长方体杆均沿着坐标轴方向排列；所述单元在XY、YZ、XZ三个轴平面的投影均为反手性的形状；所述单元在三维空间周期排列形成所述三维反手性负泊松比结构。
本发明的一种可调三维反手性负泊松比结构的制备方法，具体步骤如下：
(1)选定一种旋转单元以二维点阵方式排列成二维手性负泊松比模型，该模型的面单元呈正方形；将该模型中的二维图形形状转化为等效的三维立体结构；在空间上将立方体块以三维简单立方晶格形式排列，将长方体杆按照二维图形的连接方式排列，长方体杆通过立方体块连接在一起；每个结构单元包括27个立方体块和54根长方体杆，且在XY、YZ、XZ三个轴平面内的投影均呈现和所述二维手性负泊松比模型相同的形状；(2)利用CAD建模构建出上述三维立体结构，利用有限元模拟方式验证该三维立体结构的负泊松比现象，同时改变结构参数验证该三维立体结构的负泊松比大小是否可调；(3)利用3D打印方式制备出步骤(2)的三维立体结构，得到反手性三维负泊松比结构样品。
本发明的三维负泊松比结构中，将长方体杆通过立方体块相连，避免了现有一些负泊松比结构中的杆之间相互接触的设计，使应力不至于过于集中，提高了负泊松比效应的可靠性和耐久性。对于本发明的负泊松比结构，通过改变其结构参数，可以调制其三维负泊松比行为，使其在不同平面具有不同的负泊松比大小，以满足不同情形下的工程需要，具有很高的实际应用价值。同时，本发明的制备方法可利用已有的二维负泊松比结构设计出性能可调、可大规模制造、高可靠性的三维负泊松比结构，具有方法简单、可操作性强等优点。
附图说明
图1为本发明实施例中的二维反手性负泊松比结构及其变形情况。
图2为本发明根据图1的结构设计的三维反手性负泊松比结构。
图3为本发明实施例中利用有限元模拟的不同结构参数下的结构变形，泊松比大小分别为：(a)ν＝-0.50，(b)ν＝-0.25，(c)ν＝-0.21。
图4为本发明实施例中利用3D打印的三维反手性负泊松比结构样品。
图5为本发明实施例中利用样品测量得到的实时泊松比变化情况。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种三维反手性负泊松比结构，该结构是基于如图1所示的二维反手性结构而设计的，在XY、YZ、XZ三个轴平面观察均呈现反手性的形状。每个三维结构单元包括27个立方体块和54根长方体杆，长方体杆通过立方体块连接在一起，连接点位于立方体块的角点处，且每根长方体杆与其两端立方体块的连接位置沿杆的中垂面呈镜面对称。该结构单元具有空间平移对称性，可以在三维空间周期排列，形成三维反手性负泊松比结构，结构内部的每个立方体块连接六个长方体杆，六个连接点位于立方体块的三条体对角线的两端角点处。长方体杆均严格沿着坐标轴方向排列。
本实施例还提供上述可调反手性三维负泊松比结构的设计和制备方法，具体步骤如下：
步骤1，选定一种二维手性负泊松比模型，该模型需要满足：作为旋转主体的面单元呈正方单位二维点阵方式排列。如图1所示是一种传统的二维反手性负泊松比结构，压缩后具有向内部收缩的变形行为。这种结构在收到压力时，由于与圆形单元连接的杆单元的交错排列，圆形单元会旋转，且相邻的圆形单元旋转方向相反。这种旋转变形使两边的结构受到向内部的合力，呈现出负的泊松比。该结构作为旋转主体的圆形单元在平面上呈正方单位二维点阵方式排列，可以作为本实施例的设计对象。
将模型中二维图形的形状转化为等效的三维立体结构，即将线单元转化为杆单元，面单元转化为体单元。图2是根据图1的二维结构设计的三维反手性负泊松比结构单元。首先，将二维结构中的圆形单元在三维上用立方体块代替，二维的连接杆在三维上用长方体杆代替。二维上一个单元有32＝9个圆形单元，三维上一个单元包括33＝27个立方体和54根长方体杆。立方体块以三维简单立方晶格形式排列，长方体杆的连接参考二维模型的排布方式，长方体杆通过立方体块连接在一起。结构单元在XY、YZ、XZ三个轴平面内的投影均呈现和二维手性负泊松比模型相同的形状。结构单元具有空间平移对称性，可以在三维空间周期排列。
步骤2，在计算机中利用CAD建模构建出设计的结构单元，在X、Y、Z轴方向周期排列结构单元，形成三维反手性负泊松比结构。利用有限元模拟方式验证该结构的负泊松比现象，改变结构参数验证其性能是否可调。图3是不同结构参数模型的有限元模拟结果。在受到外力时，相邻的立方体块向相反的方向旋转，使长方体杆向不同方向弯曲，呈现三维负泊松比的行为。改变立方体块的大小，负泊松比的大小相应的发生了变化，因此，本实施例的这种三维反手性负泊松比结构的性能是可以调控的。结构的负泊松比行为可以通过改变立方体块、长方体杆的几何结构参数来调制，如边长、厚度、距离、角度等，以适应实际应用需求，结构的几何尺寸可以为微纳米级别，以用于弹性波的调控；或者为宏观厘米、米尺度，用于工程结构、建筑物。
步骤3，利用3D打印方式制备出上述三维反手性负泊松比结构样品，在力学试验机上对样品进行力学测试，利用视频引伸计测量样品的实时泊松比大小，验证其负泊松比行为的可靠性。图4是利用3D打印的方式制备的3×3×3维反手性负泊松比结构样品，长度为94.5mm，其中，立方体块的边长为4.5mm，长方体杆的长度为10.5mm，长方体杆的横截面长度为1.5mm。由此验证了本实施例的这种结构可以通过3D打印的方式大规模制造出来。
图5是利用力学测试仪测试该反手性负泊松比结构样品的结果。在两次压缩实验中，该反手性负泊松比结构样品的泊松比稳定在-0.44，验证了其负泊松比行为的可靠性。本发明的设计方法可以根据二维结构，设计各种三维反手性负泊松比结构，具有普适性。
Claims (2)
1.一种可调三维反手性负泊松比结构，其特征在于，该三维反手性负泊松比结构的单元包括54根长方体杆和27个立方体块，长方体杆通过立方体块连接在一起，连接点位于立方体块的角点处，且每根长方体杆与其两端立方体块的连接位置沿杆的中垂面呈镜面对称；所述长方体杆均沿着坐标轴方向排列；所述单元在XY、YZ、XZ三个轴平面的投影均为反手性的形状；所述单元在三维空间周期排列形成所述三维反手性负泊松比结构。
2.一种可调三维反手性负泊松比结构的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
(1)选定一种旋转单元以二维点阵方式排列成二维手性负泊松比模型，该模型的面单元呈正方形；将该模型中的二维图形形状转化为等效的三维立体结构；在空间上将立方体块以三维简单立方晶格形式排列，将长方体杆按照二维图形的连接方式排列，长方体杆通过立方体块连接在一起；每个结构单元包括27个立方体块和54根长方体杆，且在XY、YZ、XZ三个轴平面内的投影均呈现和所述二维手性负泊松比模型相同的形状；
(2)利用CAD建模构建出上述三维立体结构，利用有限元模拟方式验证该三维立体结构的负泊松比现象，同时改变结构参数验证该三维立体结构的负泊松比大小是否可调；
(3)利用3D打印方式制备出步骤(2)的三维立体结构，得到反手性三维负泊松比结构样品。
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