CN109145504A - 一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构及其材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，包括两根斜杆、一根横杆和底部复合杆，底部复合杆包括一根长杆和两根短杆，两根短杆位于长杆的上方并且与长杆相互平行并共面，两根短杆的外端分别与长杆的一端连接，两根短杆的内端分别与两根斜杆的底端连接，两根斜杆的上端分别与横杆的一端连接，横杆、两根斜杆和两根短杆内端之间的连线构成等腰梯形结构，横杆和短杆使用热膨胀系数较大的材料，两根斜杆和长杆使用热膨胀系数较小的材料。本发明具有利用任意两种热膨胀系数不同的材料，实现点阵结构的热膨胀系数为负，由于使用两种热膨胀系数差异不大的材料，有效减小了两种材料的连接处热失配和热应力集中，增加了结构的可靠性和使用寿命。

Description

一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构及其材料

技术领域

本发明属于负热膨胀点阵结构技术领域，尤其涉及一种具有负热膨胀性质的双材料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，它表征当材料温度变化时，几何尺寸发生变化。绝大多数材料表现出“热胀冷缩”的正热膨胀效应，但是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。零\负热膨胀系数材料，在一定温度范围内，可以通过设计点阵结构参数，调节其等效热膨胀系数，使其热膨胀系数满足工程实际需求。因此，其在精密仪器、电子、土木、航空航天等工程领域具有极高的应用价值。

当前的零\负热膨胀点阵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》，其中主要介绍了双材料弯曲梁构成的点阵结构和两种不同热膨胀系数材料连接而成的三角形点阵复合结构。但是，双材料弯曲梁构成的点阵结构要求双材料梁不同材料之间的界面完美结合，在实际制备中较难实现；而双材料三角形点阵复合结构竖直方向的等效热膨胀系数主要取决于所构成三角形点阵的两种材料的热膨胀系数的比值和三角形点阵斜边与底边的比值，构成三角形点阵的两种材料的热膨胀系数差异越大，其竖直方向的等效热膨胀系数调控范围越大。为实现较大的负热膨胀，就要求构成三角形点阵的两种材料的热膨胀系数差异很大(其热膨胀系数的比值达到数倍，甚至更大)。但是，这将会导致两种材料的连接处热失配和热应力集中，容易引起整体结构的疲劳失效，进而影响结构的可靠性和使用寿命。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种不需要两种热膨胀系数差异很大的材料，即可解决两种材料的连接处热失配和热应力集中问题，并且具有负热膨胀性质的双材料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：

一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，其特征在于：包括两根斜杆、一根横杆和底部复合杆，所述底部复合杆包括一根长杆和两根短杆，两根短杆位于长杆的上方并且与长杆相互平行并共面，两根短杆的外端分别与长杆的一端连接，两根短杆的内端分别与两根斜杆的底端连接，两根斜杆的上端分别与横杆的一端连接，所述横杆、两根斜杆和所述底部复合杆中的两根短杆内端之间的连线构成等腰梯形结构，所述横杆和底部复合杆中的短杆使用热膨胀系数为α₁的材料1，所述长杆和两根斜杆使用热膨胀系数为α₂的材料2，且α₁＞α₂＞0。

作为本发明的进一步改进：

该点阵结构等腰梯形高度方向的热膨胀系数为：

当时，等腰梯形高度方向的热膨胀系数为负，

其中，α_y为等腰梯形高度方向的热膨胀系数，a为斜杆的长度，2b为横杆的长度，2L为长杆的长度，2r为两个短杆内端之间连线的长度。

进一步地，所述底部复合杆包括两根长杆和两根短杆，两根短杆位于两根平行的长杆之间，所述底部复合杆所在平面与等腰梯形结构所在的平面垂直。

本发明还提供了一种使用上述具有负热膨胀性质的双材料点阵结构制成的材料，将一个或一个以上所述点阵结构以其中一个点阵结构中心线为轴形成点阵胞元结构，所述点阵结构中心线是指等腰梯形结构上下两底中点之间的连线，将所述点阵胞元结构沿等腰梯形高度方向阵列，得到具有单方向负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。

进一步地，当只有一个点阵结构形成点阵胞元结构时，所述点阵胞元结构与点阵结构相同；当有两个或两个以上点阵结构形成点阵胞元结构时，所述点阵胞元结构是指：将两个或两个以上所述点阵结构的点阵结构中心线重合，即以其中一个点阵结构中心线为轴，两个或两个以上横杆相互交叉，两个或两个以上底部复合杆交叉而形成的结构。

进一步地，所述点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行阵列时，点阵胞元结构连接采用底对底，即横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式。

进一步地，所述横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式为上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用相对应的横杆，上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用底部复合杆。

进一步地，当形成点阵胞元结构的点阵结构为两个或两个以上，且点阵结构的底部复合杆为两个长杆时，所述共用底部复合杆连接方式为短杆共用，此时点阵胞元结构中各底部复合杆中的长杆连接在短杆外端形成短杆的外接多边形，共用该外接多边形。

进一步地，所述横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式为上一个点阵胞元结构的横杆与下一个点阵胞元结构的横杆两端连接，上一个点阵胞元结构的底部复合杆中的长杆与下一个点阵胞元结构的底部复合杆中的长杆两端连接。

所述阵列是指将多个所述点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行排列成型，所述排列成型的方式为一体成型或连接成型。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，该点阵结构由两种热膨胀系数不同的材料1和材料2连接而成；横杆和底部复合杆中的短杆使用材料1，其热膨胀系数为α₁，两根斜杆和底部复合杆中的长杆使用材料2，其热膨胀系数为α₂，α₁＞α₂＞0。所述横杆、两根斜杆以及两个短杆内端之间的连线构成等腰梯形。由于等腰梯形的下底是由两根短杆内端之间的连线构成的虚拟下底，其下底的热膨胀系数取决于底部复合杆的整体热变形。由于长杆使用热膨胀系数较小的材料2，短杆为热膨胀系数较大的材料1，当温度升高时，长杆和两根短杆热膨胀伸长，由于长杆的热膨胀系数小于短杆的热膨胀系数，短杆的伸长量会抵消长杆的热膨胀伸长，所以，短杆内端之间的连线构成的虚拟下底的等效热膨胀系数随着短杆的长度增加而减小，当时，虚拟下底的等效热膨胀系数为负。

和文献中给出的三角形点阵结构对比，本发明中的底部复合杆，使得短杆内端之间的连线构成负热膨胀虚拟杆，其可以利用任意两种热膨胀系数不同的材料，即可实现点阵结构的热膨胀系数为负，由于不再需要两种热膨胀系数差异很大的材料，有效减小了两种材料的连接处热失配和热应力集中，增加了结构的可靠性和使用寿命。

附图说明

图1为双材料点阵结构示意图；

图2为双材料点阵结构热膨胀变形原理示意图；

图3a为底部复合杆为单长杆的点阵结构组成的点阵胞元结构示意图

图3b为底部复合杆为双长杆的点阵结构组成的点阵胞元结构示意图；

图4a为一个单长杆点阵结构组成的点阵胞元结构在阵列时共用长杆连接示意图；

图4b为一个双长杆点阵结构组成的点阵胞元结构在阵列时共用底部复合杆连接示意图；

图5a为两个单长杆点阵结构组成的点阵胞元结构示意图；

图5b为三个单长杆点阵结构组成的点阵胞元结构示意图；

图6a为两个双长杆点阵结构组成的外接四边形点阵胞元结构示意图；

图6b为三个双长杆点阵结构组成的外接六边形点阵胞元结构示意图；

图7a为两个双长杆点阵结构组成的外接四边形点阵胞元结构在阵列时共用外接四边形和短杆连接示意图；

图7b为三个双长杆点阵结构组成的外接六边形点阵胞元结构在阵列时共用外接六边形和短杆连接示意图；

图8a为一个单长杆点阵结构组成的点阵胞元结构阵列成直线型结构单元示意图；

图8b为一个双长杆点阵结构组成的点阵胞元结构阵列成直线型结构单元示意图；

图9为直线型结构单元按照多边形几何结构进行排列示意图；

图10为直线型结构单元按照立体几何结构进行排列示意图。

图例说明：

1、横杆；2、斜杆；3、底部复合杆；31、长杆；32、短杆。

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至图3示出了本发明一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，如图3a所示，该结构包括一根横杆1、两根斜杆2、和底部复合杆3，底部复合杆3由一根长杆31和两根短杆32组成，两根短杆32和长杆31相互平行并共面，两根短杆32位于长杆31的上方并且与长杆相互平行并共面，两根短杆32的外端分别与长杆31的一端连接，两根短杆32的内端分别与两根斜杆2的底端连接，两根斜杆2的上端分别与横杆1的一端连接，横杆1、两根斜杆2和底部复合杆3中的两根短杆32内端之间的连线构成等腰梯形结构，等腰梯形结构所在平面与底部复合杆3所在平面相同，横杆1和底部复合杆3中的短杆32使用热膨胀系数为α₁的材料1，长杆31和两根斜杆2使用热膨胀系数为α₂的材料2，且α₁＞α₂＞0。由于等腰梯形的下底是由两根短杆内端之间的连线构成的虚拟下底，其下底的热膨胀系数取决于两根短杆32与两根斜杆2的两个连接点之间连线的等效热膨胀系数，即取决于两根短杆32与两根斜杆2的两个连接点的热变形位移。由于底部复合杆中长杆31使用热膨胀系数较小的材料2，短杆32为热膨胀系数较大的材料1，当温度升高时，长杆31的热膨胀系数小于短杆32的热膨胀系数，短杆32的伸长量会抵消长杆31的热膨胀伸长，从而使得两根短杆32与两根斜杆2的两个连接点具有较小的热变形位移。

取一个点阵结构的底部复合杆3进行计算，假定其中点不动，假设长杆31的长度为2L，短杆32与斜杆2连接端距点阵中心线的长度为r，短杆32与斜杆2的连接节点为A，那么，当温度升高时，短杆32与斜杆2的连接节点为A处的热变形位移为：

D_A＝α₂L-α₁(L-r)

由以上公式可以看出，随着r越来越小，A点的热膨胀位移越来越小。

当时，A点的热膨胀位移为负。

选择合理的杆件长度，就使得虚拟下底为负热膨胀系数。考虑以正热膨胀系数的横杆1作为等腰梯形的上底，其为正伸长量，下底为负伸长量；由于上底和下底的热膨胀伸长量差异，使得斜杆2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，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。经过计算，当时，可以实现竖直方向负热膨胀。

本实施例中，如图3b所示，底部复合杆包括两根长杆31和两根短杆32，两根短杆32位于两根长杆31之间，底部复合杆所在平面与等腰梯形结构所在的平面垂直。相比于图3a所示结构，这种结构减少了长杆与短杆在竖直方向连接的空间，减少该部分杆件带来的热膨胀计算误差。

图4至图10示出了本发明一种使用具有负热膨胀性质的双材料点阵结构制成的材料，将一个或一个以上点阵结构以其中一个点阵结构中心线为轴形成点阵胞元结构，点阵结构中心线是指等腰梯形上下两底中点之间的连线，将点阵胞元结构沿等腰梯形高度方向阵列，得到具有单方向负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。图8将点阵胞元结构沿等腰梯形高度方向阵列，得到具有单方向负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。该直线型结构单元同样具有负膨胀性能，然后将该负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负热膨胀性。同时由于该材料使用的点阵结构的特点，因此该材料避免了点阵结构中两种材料连接处的热应力集中，增加了结构的可靠性和使用寿命。如图9和图10所示，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，六边形为基本单元进行阵列，可以得到二维平面负热膨胀结构。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，可以得到三维负热膨胀结构。

本实施例中，当只有一个点阵结构形成点阵胞元结构时，如图3a、图3b所示的点阵胞元结构，点阵胞元结构与点阵结构相同；当有两个或两个以上点阵结构形成点阵胞元结构时，点阵胞元结构是指：将两个或两个以上点阵结构的点阵结构中心线重合，即以其中一个点阵结构中心线为轴，两个或两个以上横杆相互交叉，两个或两个以上底部复合杆交叉而形成的结构，如图5a、图5b所示的点阵胞元结构。

本实施例中，点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行阵列时，点阵胞元结构连接采用采用底对底，即横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式。

本实施例中，横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式为上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用相对应的横杆，上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用底部复合杆。如图4a、4b、8a、8b所示，上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用相对应的横杆，上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用底部复合杆。当形成点阵胞元结构的点阵结构为单长杆时，如图4a、8a共用的底部复合杆为长杆共用；当形成点阵胞元结构的点阵结构为双长杆时，如图4b、8b共用的底部复合杆则为短杆和双长杆都共用。本实施例中，如图6a、6b所示，当形成点阵胞元结构的点阵结构为两个或两个以上，且点阵结构的底部复合杆为两个长杆时，组成点阵胞元结构的各底部复合杆中的长杆连接在短杆外端形成短杆的外接多边形，此时，点阵胞元结构的短杆和外接多边形构成新的底部复合杆。如图6a示出了两个双长杆点阵结构组成的外接四边形点阵胞元结构示意图，四根长杆变形为短杆的外接四边形。图6b示出了为三个双长杆点阵结构组成的外接六边形点阵胞元结构示意图，六根长杆变形为短杆的外接六边形。外接多边形为热膨胀系数较小的材料2，短杆为热膨胀系数较大的材料1。由于图6中的点阵是由多个图3b中的双长杆点阵结构组成的点阵胞元结构，那么如果多个点阵结构只是直接的放置在一起，多根长杆会与短杆交叉，影响整个结构的热变形。所以这里将多根长杆变形为多根短杆的外接多边形，这样可以避免长杆与短杆交叉,并且假设材料2为各向同性，那么外接多边形与长杆的热膨胀系数相同，其作用也与长杆的作用相同：为短杆提供热变形的参考位置。由于外接多边形为热膨胀系数较小的材料2，短杆为热膨胀系数较大的材料1，在温度升高时，两者综合作用，会使得短杆内端之间的连线构成的虚拟杆实现负的热变形位移。所以其与单个点阵结构的热膨胀效果相同。

如图7a、图7b所示，当两个或两个以上的双长杆点阵结构形成点阵胞元结构，该点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行排列时，底部复合杆对底部复合杆的连接方式为上一个点阵胞元的短杆与下一个点阵胞元的短杆共用，上一个点阵胞元的外接多边形与下一个点阵胞元的外接多边形共用。如图7a示出了两个双长杆点阵结构组成的外接四边形点阵胞元结构在阵列时共用外接四边形和短杆连接示意图，四根长杆变形为短杆的外接四边形。图7b示出了为三个双长杆点阵结构组成的外接六边形点阵胞元结构在阵列时共用外接六边形和短杆连接示意图，六根长杆变形为短杆的外接六边形。相对于图5中所示的点阵结构，减少了长杆与短杆在竖直方向连接的空间，减少该部分杆件带来的热膨胀计算误差。

当然，横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式也可以是上一个点阵胞元结构的横杆与下一个点阵胞元结构的横杆两端连接，上一个点阵胞元结构的底部复合杆中的长杆与下一个点阵胞元结构的底部复合杆中的长杆两端连接，这里不管底部复合杆是单长杆还是双长杆，都是在长杆两端进行连接。

本实施例中，如图8所示，阵列是指将多个点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行排列成型。排列成型的方式为一体成型或连接成型。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，底对底，横杆对横杆。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负热膨胀。其成型方式不限于增材制造，其连接方式也可以是焊接、铰链、粘结等。

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。

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 (10)

1.一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，其特征在于：包括两根斜杆、一根横杆和底部复合杆，所述底部复合杆包括一根长杆和两根短杆，两根短杆位于长杆的上方并且与长杆相互平行并共面，两根短杆的外端分别与长杆的一端连接，两根短杆的内端分别与两根斜杆的底端连接，两根斜杆的上端分别与横杆的一端连接，所述横杆、两根斜杆和所述底部复合杆中的两根短杆内端之间的连线构成等腰梯形结构，所述横杆和底部复合杆中的短杆使用热膨胀系数为α₁的材料1，所述长杆和两根斜杆使用热膨胀系数为α₂的材料2，且α₁＞α₂＞0。

2.根据权利要求1所述的一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，其特征在于：该点阵结构等腰梯形高度方向的热膨胀系数为：

当时，等腰梯形高度方向的热膨胀系数为负，

其中，α_y为等腰梯形高度方向的热膨胀系数，a为斜杆的长度，2b为横杆的长度，2L为长杆的长度，2r为两个短杆内端之间连线的长度。

3.根据权利要求1所述的一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，其特征在于：所述底部复合杆包括两根长杆和两根短杆，两根短杆位于两根平行的长杆之间，所述底部复合杆所在平面与等腰梯形结构所在的平面垂直。

4.一种使用权利要求1至3中任一项所述的一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构制成的材料，其特征在于：将一个或一个以上所述点阵结构以其中一个点阵结构中心线为轴形成点阵胞元结构,所述点阵结构中心线是指等腰梯形结构上下两底中点之间的连线，将所述点阵胞元结构沿等腰梯形高度方向阵列，得到具有单方向负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。

5.根据权利要求4所述的材料，其特征在于：当只有一个点阵结构形成点阵胞元结构时，所述点阵胞元结构与点阵结构相同；当有两个或两个以上点阵结构形成点阵胞元结构时，所述点阵胞元结构是指：将两个或两个以上所述点阵结构的中心线重合，即以其中一个点阵结构中心线为轴，两个或两个以上横杆相互交叉，两个或两个以上底部复合杆交叉而形成的结构。

6.根据权利要求5所述的材料，其特征在于：所述点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行阵列时，点阵胞元结构连接采用采用底对底，即横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式。

7.根据权利要求6所述的材料，其特征在于：所述横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式为上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用相对应的横杆，上一个点阵胞元结构与下一个点阵胞元结构共用底部复合杆。

8.根据权利要求7所述的材料，其特征在于：当形成点阵胞元结构的点阵结构为两个或两个以上，且点阵结构的底部复合杆为两个长杆时，所述共用底部复合杆连接方式为短杆共用，此时点阵胞元结构中各底部复合杆中的长杆连接在短杆外端形成短杆的外接多边形，共用该外接多边形。

9.根据权利要求6所述的材料，其特征在于：所述横杆对横杆、底部复合杆对底部复合杆的连接方式为上一个点阵胞元结构的横杆与下一个点阵胞元结构的横杆两端连接，上一个点阵胞元结构的底部复合杆中的长杆与下一个点阵胞元结构的底部复合杆中的长杆两端连接。

10.根据权利要求4至9中任一项所述的材料，其特征在于：所述阵列是指将多个所述点阵胞元结构沿等腰梯形的高度方向进行排列成型，所述排列成型的方式为一体成型或连接成型。