CN110014641A - 一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，包括多个细观结构，所述细观结构包括一个四角星型内凹结构和两个大小和结构都相同的内凹六边形结构，所述四角星型内凹结构水平布置，所述四角星型内凹结和两个内凹六边形结构两两相互垂直，所述四角星型内凹结构包括弯折支柱和设置于所述弯折支柱折弯处的连接支柱，所述内凹六边形结构包括两条平行布置的水平横杆和连接所述水平横杆的倾斜竖杆。本发明技术方案中的细观结构是三维结构，结构简单。故本超材料适用性更广，可以更加灵活地应用于不同的部位。

Description

一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构
技术领域
本发明涉及超材料领域，特别是一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构。
背景技术
“超材料”根据一般文献给出的定义为：一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或材料。拉胀超材料作为超材料的一个分支，其主要的一个超常物理性质是具备拉胀效应。根据泊松比的计算公式：
其中，εx表示材料的横向应变，εy表示材料的纵向应变。
当泊松比为负值时，表示该材料在受拉(或受压)下，垂直荷载方向的应变与平行荷载方向的应变的正负号一致，即它的各个方向均在膨胀(或收缩)，也就是所说的“拉胀效应”或“负泊松比效应”。正因这种效应，材料在局部受压下，其内部结构会发生一定范围内的聚拢，从而在剪切模量、断裂韧性、能量吸收、抗压痕性、同向曲率、比强度和比刚度等方面表现出异于一般材料的结构性能。
目前负泊松比超材料普遍存在的问题是：
(1)细观结构复杂，制备上存在一定的困难；
(2)部分负泊松比超材料仍是二维结构，且多数拉胀超材料的负泊松比效应具有方向依赖性，即材料仅在某些特定的方向上表现出负泊松比效应，或是不同方向的负泊松比效应差异明显，不是各向同性材料。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构, 结构简单且在各个方向上都具有负泊松比效应。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，包括多个细观结构，所述细观结构包括一个四角星型内凹结构和两个大小和结构都相同的内凹六边形结构，所述四角星型内凹结构水平布置，所述四角星型内凹结和两个内凹六边形结构两两相互垂直，所述四角星型内凹结构包括弯折支柱和设置于所述弯折支柱折弯处的连接支柱，所述内凹六边形结构包括两条平行布置的水平横杆和连接所述水平横杆的倾斜竖杆，所述倾斜竖杆包括互成夹角的第一横杆和第二横杆，所述第一横杆和第二横杆长度相同。
作为上述技术方案的改进，所述三维拉胀超材料结构由多个所述细观结构在水平方向和垂直方向堆叠而成。
作为上述技术方案的进一步改进，多个所述细观结构间通过所述连接支柱连接。
进一步，所述三维拉胀结构由3D打印机制备。
进一步，所述三维拉胀结构的材质包括PLA耗材。
本发明中一个或多个技术方案至少具有以下有益效果：本发明的其中一个技术方案为一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，包括多个细观结构，所述细观结构包括一个四角星型内凹结构和两个大小和结构都相同的内凹六边形结构，所述四角星型内凹结构水平布置，所述四角星型内凹结和两个内凹六边形结构两两相互垂直，所述四角星型内凹结构包括弯折支柱和设置于所述弯折支柱折弯处的连接支柱，所述内凹六边形结构包括两条平行布置的水平横杆和连接所述水平横杆的倾斜竖杆，所述倾斜竖杆包括互成夹角的第一横杆和第二横杆，所述第一横杆和第二横杆长度相同。本发明技术方案中的细观结构是三维结构，结构简单，而且本细观结构所组合得出的负泊松比超材料具备三个方向的负泊松比效应，即在不同方向施加一定的位移荷载，均仍可保持负泊松比效应。故本超材料适用性更广，可以更加灵活地应用于不同的部位。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明实施例的细观结构的结构示意图；
图2是本发明实施例的宏观结构示意图；
图3是本发明实施例的X方向压缩时材料在Y方向上的位移示意图；
图4是本发明实施例的X方向压缩时材料在X方向上的位移示意图；
图5是本发明实施例的Z方向压缩时材料在X方向上的位移示意图；
图6是本发明实施例的Z方向压缩时材料在Y方向上的位移示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
参照图1，本发明的实施例为一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，包括多个细观结构100，所述细观结构100包括一个四角星型内凹结构200和两个大小和结构都相同的内凹六边形结构300，所述四角星型内凹结构200水平布置，所述四角星型内凹结和两个内凹六边形结构300两两相互垂直，所述四角星型内凹结构200包括弯折支柱210和设置于所述弯折支柱210折弯处的连接支柱220，所述内凹六边形结构300包括两条平行布置的水平横杆310和连接所述水平横杆310的倾斜竖杆320，所述倾斜竖杆320包括互成夹角的第一横杆321和第二横杆322，所述第一横杆321和第二横杆322长度相同。对上述三维拉胀超材料进行弹性力学性能分析，设其x和y方向的长度为X，z方向的长度为Z。对z方向进行单轴压缩等效弹性性能的分析，假设结构在z方向承受单向荷载σz和z方向合力为Fz则
在z方向施加位移荷载Δuz时，导致x方向产生位移Δux和y方向产生位移Δuy，易知Δux＝Δuy。则各个方向的等效应变为：
即z方向的等效弹性模量和泊松比为：
通过Rhinoceros软件进行实体建模，使用ABAQUS有限元软件进行分析，采用C3D10四面体单元，基体材料采用弹性模量为1927Mpa和泊松比为0.38的线弹性模型。有限元分析位移向量如图3-6所示，明显可以看出，当Z轴方向施加位移荷载时，X轴方向(图5)和Y轴(图6)方向位移向量整体向材料中心靠拢收缩，表现出负泊松比效应，而且收缩程度基本一致，即X轴方向可以和Y轴方向表现出相同的性质。当X 轴方向施加位移荷载时，Z轴方向(图4)和Y轴(图3)方向位移向量整体向材料中心靠拢收缩，同样表现出负泊松比效应。由于细观结构100在XY方向上高度对称，所以在Y轴方向施加位移载荷时，得到的结果和在X方向上相同。这表明了这种结构三个方向都表现出负泊松比效应。
参照图2作为上述技术方案的另一实施例，所述三维拉胀超材料结构由多个所述细观结构100在水平方向和垂直方向堆叠而成，通过对基础单元进行有规律的阵列，进而可得到一种三个方向均具备负泊松比的三维超材料。
作为上述技术方案的进一步改进，多个所述细观结构100间通过所述连接支柱220连接，结构简单，稳定可靠。
进一步，所述三维拉胀结构由3D打印机制备。优选地，所述三维拉胀结构的材质包括PLA耗材。上述实施例中的拉胀超材料的制备技术方案目前是通过FDM原理的MakerbotReplicator Z18 3D打印机制备的，材料为Polymaker牌Polymax系列的PLA耗材。但本超材料的制备并不局限于FDM原理的3D打印机，还可使用SLA、SLM、 SLS等原理的3D打印机制备出本材料，而且基于其他方式的3D打印技术所用耗材有不锈钢(316L)、Ti-6Al-4V等。
以上具体结构和尺寸数据是对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (5)

1.一种具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，其特征在于：包括多个细观结构，所述细观结构包括一个四角星型内凹结构和两个大小和结构都相同的内凹六边形结构，所述四角星型内凹结构水平布置，所述四角星型内凹结和两个内凹六边形结构两两相互垂直，所述四角星型内凹结构包括弯折支柱和设置于所述弯折支柱折弯处的连接支柱，所述内凹六边形结构包括两条平行布置的水平横杆和连接所述水平横杆的倾斜竖杆，所述倾斜竖杆包括互成夹角的第一横杆和第二横杆，所述第一横杆和第二横杆长度相同。
2.根据权利要求1所述的具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，其特征在于：所述三维拉胀超材料结构由多个所述细观结构在水平方向和垂直方向堆叠而成。
3.根据权利要求1所述的具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，其特征在于：多个所述细观结构间通过所述连接支柱连接。
4.根据权利要求1所述的具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，其特征在于：所述三维拉胀结构由3D打印机制备。
5.根据权利要求1所述的具有负泊松比的三维拉胀超材料结构，其特征在于：所述三维拉胀结构的材质包括PLA耗材。
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