CN109869431A - 一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，通过单个胞体在三维空间上周期性排列组成，其中单个胞体是由一对相同的异型四边形单元结构相互正交连接而成。单个胞体与相邻胞体在Z方向上通过直肋结构相互对齐紧密连接；在X方向与Y方向上通过弧肋结构相互平行且对齐紧密连接。本发明的具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其Z方向受到拉伸时，X方向与Y方向发生膨胀；Z方向受压缩时，X方向与Y方向发生收缩。本发明的具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，可作为缓冲材料应用到汽车车体、缓冲器等结构，大大提高了冲击韧性和抗压能力。

Description

一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料

技术领域

本发明涉及材料科学技术领域，尤其涉及一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料。

背景技术

通常情况下，对一个材料试件做纵向拉伸实验时其轴向发生收缩，当压缩材料试件时其轴向发生膨胀。这就意味着几乎所有常见材料试件的泊松比都为正值，但是仍存在一些结构特殊的材料其泊松比为负值，例如：铜泡沫的泊松比值为-0.8。早在上个世纪八十年代末Lakes教授通过对普通泡沫进行热机械方法处理制备出了具有负泊松比特性的泡沫材料，由于其奇特的特性，负泊松比材料逐渐受到重视而快速发展起来。

泊松比(v)用公式表示如下：

v＝-ε_j/ε_i

其中，ε_j表示材料的横向收缩应变；ε_i表示材料的纵向伸长应变，i,j分别为两相互垂直的坐标轴。区别于普通材料，对一个负泊松比材料试件做纵向拉伸实验时其轴向发生膨胀，当压缩材料试件时其轴向发生收缩。正因为负泊松比材料具有不同于普通材料的特性，所以在很多情况下这类材料表现出的物理机械性能要远远优于普通材料，包括抗冲击性能、抗断裂性能、回弹韧性、剪切模量等特性，使其在生活中展现出巨大而广泛的应用价值。

随着社会的快速发展，人们生活水平得到了很大的提高，汽车作为一种日常代步工具进入千家万户，随之而来的就是大量的撞车和追尾事故，由于汽车车体大部分为普通金属材料，在其受到撞击时极易发生压溃变形同时挤压车室内部，对人体造成很大的伤害甚至危及生命。

专利号为CN 103214728 A涉及一种仿生负泊松比材料及其制备方法，所述材料是基于天然泡沫的微孔结构及产生负泊松比的原理，设计和制备而成。所述材料是由热塑性塑料通过螺杆挤出机制备得到的一种多孔泡沫结构材料，所述的孔是拉长的蜂窝状微孔，且众多的所述的拉长的蜂窝状微孔的长轴沿径向方向一层一层的由中心轴对称向外呈发散状排列。虽然本文所述材料具有负泊松比特性，但是由于其微孔结构中尖角的出现，不可避免的出现了应力集中，大大减弱了其抗冲击性能和抗压能力，极易在受到较大载荷冲击时发生压溃变形，所以文本中并没有解决材料受到较大载荷作用时发生压溃变形的问题。

专利号为CN 105965930 A涉及一种内六角负泊松比蜂窝的制备方法，包括下列步骤：第一步：原料基材经过涂胶、叠层、然后热压得到蜂窝叠块；接下来将所述蜂窝叠块拉伸、定型得到过拉伸白蜂窝块，该过拉伸白蜂窝块的孔格的截面形状为矩形；第二步：对所述第一步制得的过拉伸白蜂窝块进行首次浸胶，然后进行热处理使浸胶的胶液半固化；第三步：在工装架上，对所述过拉伸白蜂窝块的孔格进行压缩，该压缩是对所述孔格的长边的中部进行，使所述孔格相对的长边的中部向对折弯；第四步：对压缩后的蜂窝进行浸胶固化，得到内六角负泊松比蜂窝。虽然本文所述的内凹负泊松比蜂窝通过上述步骤制备了出来，但是由于孔格相对的长边的中部向对折弯，同样存在尖角，导致所述蜂窝在受到外部载荷时出现应力集中，且很容易在受到较大载荷冲击时发生压溃变形。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，所述材料可作为缓冲材料应用到汽车车体、缓冲器等结构，大大提高了冲击韧性和抗压能力。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，由单个胞体在三维空间上周期性排列组成，所述单个胞体是由一对相同的异型四边形单元结构相互正交连接而成，所述异型四边形单元结构又由两条弧肋结构与两条直肋结构首尾相接构成。

进一步的，所述异型四边形单元结构中的弧肋结构关于竖轴对称设置，直肋结构关于横轴对称设置。

进一步的，所述弧肋结构由凸凹相间、直径相等的三段圆弧肋相切光滑连接组成，中间一段凹圆弧肋的弧长是其两端凸圆弧肋的弧长之和。

进一步的，所述单个胞体中的每一条直肋结构的肋长都等于圆弧肋所对应圆的直径长度。

进一步的，所述单个胞体与相邻胞体在Z方向上通过直肋结构相互对齐紧密连接；在X方向与Y方向上通过单个胞体与相邻胞体的弧肋结构相互平行且对齐紧密连接。

进一步的，所述材料在X方向与Y方向的投影形状完全相同，且每一个胞体结构投影形状也相同；在Z方向的投影形状为相互正交连接的口字形网格。

进一步的，所述材料是选自聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈和镁合金中的一种或几种。

进一步的，所述材料Z方向受到拉伸时，X方向与Y方向发生膨胀；Z方向受压缩时，X方向与Y方向发生收缩。

进一步的，所述材料的胞体是采用3D打印技术加工制备。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所述的材料具有负泊松比特性，且所述材料Z方向受到拉伸时，X方向与Y方向发生膨胀；所述材料Z方向受压缩时，X方向与Y方向发生收缩；(2)本发明所述的材料选自聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈和镁合金的一种或几种，可作为缓冲材料应用到汽车车体、缓冲器等结构，大大提高了冲击韧性和抗压能力；(3)所述材料单个胞体中的弧肋结构由凸凹相间、直径相等的三段圆弧肋相切光滑连接组成，所以当Z方向受到拉伸或压缩时，胞体中的弧肋结构并不会产生应力集中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例整个结构示意图；

图2为本发明实施例单个胞体的结构示意图；

图3为本发明实施例单个胞体与相邻胞体相互连接的结构示意图；

图4为本发明实施例在X方向或Y方向投影的二维平面结构示意图；

图5为本发明实施例在Z方向投影的二维平面结构示意图；

图6为本发明实施例在压缩中的应力传递方向示意图；

图7为本发明实施例在压缩载荷作用前后的有限元变形结构示意图。

上述附图标记：1直肋结构，2弧肋结构；201第一段凸圆弧肋，202第二段凹圆弧肋，203第三段凸圆弧肋；L直肋长，b肋宽度，t肋厚度。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明提供了一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，是由相邻胞体通过弧肋结构2之间以及直肋结构1之间相互连接而成。所述材料Z方向受到拉伸时，X方向与Y方向发生膨胀；Z方向受压缩时，X方向与Y方向发生收缩。所述材料单个胞体中的弧肋结构2由凸凹相间、直径相等的三段圆弧肋相切光滑连接组成，所以当Z方向受到拉伸或压缩时，胞体中的弧肋结构2并不会产生应力集中。

如图2所示，所述材料的单个胞体是由一对相同的异型四边形单元结构相互正交连接而成，异型四边形单元结构又由两条弧肋结构2和两条直肋结构1首尾相接构成，同时弧肋结构2关于竖轴对称设置，直肋结构1关于横轴对称设置。所述材料单个胞体中的每一条弧肋结构2又由凸凹相间、直径相等的三段圆弧肋相切光滑连接组成，第二段凹圆弧肋202的弧长是第一段凸圆弧肋201和第三段凸圆弧肋203弧长的总和，每一条直肋结构1的直肋长L等于弧肋结构2包含的三段圆弧肋所对应圆的直径长度，且三段圆弧肋所对应的圆的直径也相等。所述材料单个胞体中的弧肋结构2和直肋结构1的肋宽度b都是肋厚度t的两倍。

如图3所示，所述单个胞体与相邻胞体在Z方向的连接呈周期性，且通过直肋结构1相互对齐紧密连接；在X方向与Y方向的连接也呈周期性，此时的连接方式为单个胞体与相邻胞体的弧肋结构2相互平行且对齐紧密连接。以上两种连接方式在连接处的肋厚度为2t恰好与肋宽度b相等。

如图4和图5所示，所述材料在X方向与Y方向的投影形状完全相同且在二维平面内仍具有周期性，每一个胞体投影形状也相同；在Z方向的投影形状为相互正交连接的口字形网格。

为了验证本实施例提供的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料所具有的负泊松比特性和冲击韧性及抗压能力，将本实施例提供的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料在ANSYS软件中建立有限元模型。为了更好地对本实施方式进行仿真模拟，所以保证不影响仿真结果的情况下在所述材料的上下端部设计两个实体。

仿真结果如下：

如图6所示，当在所述材料上下端部施加大小相等方向相对的载荷时，可以发现结构中的应力都是沿着结构指向所述材料的中部，使得所述材料的中部向内収缩，体现出了负泊松比特性。

如图7所示，为了更好地比较所述材料结构在压缩载荷作用前后的有限元变形情况，特意将变形前后的结构放在一起，所施加压缩载荷的大小为10000N、直肋1的长度L为42.42mm、单个胞体与相邻胞体在连接处的肋厚度2t为2mm以及胞体的肋宽度b为2mm，其中阴影结构为压缩载荷作用前的所述材料状态，实体结构为压缩载荷作用后的状态，可以发现越靠近中部向内收缩变形越大，由于所述材料不但在三维空间具有周期性，且在二维平面内仍具有周期性，每个胞体都能均匀承受外部载荷，提高了所述材料的抗负荷能力、冲击韧性和抗压能力，所以在受到10000N的大载荷时并没有发生压溃的情况。

本实施例说明了一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料的单个胞体结构以及胞体在三维空间上周期性排列方式。通过在ANSYS软件中建立有限元模型发现结构中的应力都是沿着结构指向所述材料的中部，使得所述材料的中部向内収缩，证实了其具有负泊松比特性。所述材料胞体不但在三维空间具有周期性，在X方向与Y方向的投影形状完全相同且在二维平面内仍具有周期性，每个胞体都能均匀承受外部载荷，大大提高了所述材料的抗负荷能力、冲击韧性和抗压能力，所以在受到10000N的大载荷时并没有发生压溃的情况。

综上，本发明的具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，涉及了材料的单个胞体和胞体在三维空间上周期性排列方式，通过ANSYS有限元仿真证实了所述材料具有负泊松比特性。所述材料胞体中的每一条弧肋结构都是由凸凹相间、直径相等的三段圆弧肋相切光滑连接组成，当Z方向受到拉伸或压缩时，胞体中的弧肋结构并不会产生应力集中，所以受负载时出现裂纹的可能性大大降低。所述材料胞体不但在三维空间具有周期性，在X方向与Y方向的投影形状完全相同且在二维平面内仍具有周期性，每个胞体都能均匀承受外部载荷，提高了所述材料的抗负荷能力。所述材料选自聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈和镁合金的一种或几种，通过3D打印技术加工制备，可作为缓冲材料应用到汽车车体、缓冲器等结构，大大提高了冲击韧性和抗压能力。

以上显示和描述了本发明的目的、主要特征、技术方案和有益效果。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的技术构思和特点，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：由单个胞体在三维空间上周期性排列组成，所述单个胞体是由一对相同的异型四边形单元结构相互正交连接而成，所述异型四边形单元结构又由两条弧肋结构与两条直肋结构首尾相接构成。

2.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述异型四边形单元结构中的弧肋结构关于竖轴对称设置，直肋结构关于横轴对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述弧肋结构由凸凹相间、直径相等的三段圆弧肋相切光滑连接组成，中间一段凹圆弧肋的弧长是其两端凸圆弧肋的弧长之和。

4.根据权利要求3所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述单个胞体中的每一条直肋结构的肋长都等于圆弧肋所对应圆的直径长度。

5.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述单个胞体与相邻胞体在Z方向上通过直肋结构相互对齐紧密连接；在X方向与Y方向上通过单个胞体与相邻胞体的弧肋结构相互平行且对齐紧密连接。

6.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述材料在X方向与Y方向的投影形状完全相同，且每一个胞体结构投影形状也相同；在Z方向的投影形状为相互正交连接的口字形网格。

7.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述材料是选自聚酰胺、聚碳酸酯、聚丙烯腈和镁合金中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种具有负泊松比特性的三维抗冲击材料，其特征在于：所述材料Z方向受到拉伸时，X方向与Y方向发生膨胀；Z方向受压缩时，X方向与Y方向发生收缩。

9.一种根据权利要求1至7中任意一项所述的具有负泊松比特性的三维抗冲击材料的制备方法，其特征在于：所述材料的胞体是采用3D打印技术加工制备。