CN112049886B - 具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，包括若干三维单胞结构，每个三维单胞结构包括上下设置的两个多边形环状结构，上下两个多边形环状结构的顶点处分别通过对应设置的倾斜圆柱连接，多个倾斜圆柱沿同一方向错位设置，两个多边形环状结构的顶点处分别设置有用于连接相邻三维单胞结构的连杆，若干三维单胞结构按空间阵列方式排布，通过对应的连杆连接构成具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

Description

具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法

技术领域

本发明属于多孔材料结构技术领域，具体涉及一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法。

背景技术

拉扭超构材料是近年来随着结构力学的迅速发展而出现的一种人为设计的材料结构，具有在单向拉伸/压缩加载情况下发生扭转变形响应的特性。其主体由手性结构通过周期排列组成，承受载荷时不会像常规材料向四周膨胀，而是由于手性结构对力的传导从而发生整体的扭转。此外，这类超构材料还具有拉胀特性，即单向拉伸/压缩时，垂直于加载方向会出现膨胀/收缩变形，结合大变形条件下节点旋转和杆的弯曲，从而产生很强的冲击能量吸收能力，其已在工业领域中存在应用，如：航空航天工程中的变形结构，如变形机翼；形状记忆智能驱动器；生物医学中具有高径向扩张能力的人工支架；智能柔性微电子器件；具有高延展性的大型手性金属玻璃等。

拉扭超构材料的结构单元由上下两个方向相反的手性结构和中间的倾斜杆组成，单元之间由圆柱连接。在传统制备方法中，各部件使用金属或高分子树脂分别获得，倾斜杆通过激光焊接或拼装方式与手性结构固定，但存在制备过程复杂、连接效果差、定位精度低等问题，这对其力学性能会产生很大的影响，表现为加载过程中倾斜杆的脱落和结构的提前破坏，使得其拉扭耦合行为、能量吸收能力严重受到制约。

近年来，学者们以二维手性结构为基础，设计和制造了多种三维拉扭超构材料，但相对于其他常见超材料来说，其研究仍然有限，因此设计和制造新型三维拉扭超构材料，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，将不同形状的多边形手性结构与倾斜圆杆组合在一起，使其同时具有优异的拉扭耦合特性和拉胀特性。

本发明采用以下技术方案：

一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，包括若干三维单胞结构，每个三维单胞结构包括上下设置的两个多边形环状结构，上下两个多边形环状结构的顶点处分别通过对应设置的倾斜圆柱连接，多个倾斜圆柱沿同一方向错位设置，两个多边形环状结构的顶点处分别设置有用于连接相邻三维单胞结构的连杆，若干三维单胞结构按空间阵列方式排布，通过对应的连杆连接构成具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

具体的，倾斜圆柱的个数与多边形环状结构的顶点个数相同，每个倾斜圆柱的轴线与上下两个多边形环状结构的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。

具体的，连杆与多边形环状结构顶点处的连接角度为锐角，连杆以多边形环状结构的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个多边形环状结构互为翻转关系且形心在Z方向上对齐。

进一步的，三维单胞结构以X方向、与X呈120°方向和Z方向在空间上阵列分布。

更进一步的，在XOY平面上，相邻三维单胞结构的连杆相交处通过倾斜圆柱连接，倾斜圆柱的高度与多边形环状结构的厚度相同。

更进一步的，在Z方向上，相邻的倾斜圆柱的旋转方向呈正反交替排列。

具体的，多边形环状结构包括正六边形环状结构、正方形环状结构、圆环状结构和三角形环状结构。

本发明的另一个技术方案是，一种制备具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的方法，包括以下步骤：

S1、根据多边形环状结构确定单胞形状，然后将对应的连杆与多边形环状结构的顶点处以锐角角度连接，上下的多边形环状结构互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，通过对应的倾斜圆柱将上下多边形环状结构的顶点两两连接构成三维单胞结构，然后将三维单胞结构在空间上阵列分布，通过连杆连接得到模型；

S2、对步骤S1获得的模型进行几何建模和构型设计，得到模型文件；

S3、采用3D打印方式，导入步骤S2确定的模型文件，打印点阵模型，去除支撑后得到具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

具体的，步骤S2中，确定多边形环状结构的边长和宽度、连杆的长度和宽度、连杆与环的连接角度、具有连杆的多边形环状结构的厚度、倾斜圆柱的直径和上下多边形环状结构在Z方向的距离，建立三维单胞结构；再根据各方向上三维单胞结构的个数，通过空间阵列得到相应的点阵结构模型文件。

具体的，步骤S3中，3D打印采用熔融沉积法和激光选区熔化方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，在具有连杆的多边形环之间增加倾斜圆柱，且连杆相交处以圆柱方式连接，利用节点的局部旋转和倾斜圆柱的弯曲变形，在单向拉伸/压缩加载情况下会发生扭转变形响应，此外该结构还具有拉胀特性，即单向拉伸/压缩时，垂直于加载方向会出现膨胀/收缩变形。仿真结果表明，本发明具有显著的拉扭耦合和拉胀特性，在工业应用上具有广泛前景。

进一步的，通过倾斜圆柱连接手性多边形环，可以保证整体结构在加载时发生拉胀行为和扭转变形，并具有优异的承载能力。

进一步的，设置连杆来连接相邻三维单胞，可以组成具有周期性单胞分布特性的点阵结构。

进一步的，将三维单胞结构阵列分布，有利于构成大尺寸点阵结构，提升整体拉胀和扭转性能。

进一步的，通过圆柱连接相邻三维单胞结构的连杆，可以降低连杆以直接形式连接时加载过程中的应力集中现象。

进一步的，Z方向上的倾斜圆柱可以按照相反的旋转方向进行排列，有利于调整结构的扭转方向。

进一步的，设置多种多边形环状结构，可以实现不同的负泊松比变化范围，满足实际应用中的各种选择。

一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的制备方法利用增材制造技术进行制备，克服了传统制备方法的缺点，增加制造柔性，充分发挥其在复杂结构制造上的优势，实现结构与功能的一体化制造，省去装配环节，简化制备流程，为制造具有高度复杂空间拓扑构型的超构材料提供了新的思路，使得本身具有诸多特点及优势的超构材料得以拥有更广阔的应用前景。

进一步的，通过合理调节几何参数，可有效提高结构的机械性能，实现各向同性。

进一步的，利用多种增材制造技术，满足不同制备需求，实现结构基体材料的多样性。

综上所述，本发明设计合理、性能优异，制备方法高效且具有多样性，在传感器、生物医学、航空航天及其他国防科技领域具有广泛的应用前景。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的实施例1的示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为俯视图；

图2是图1的三维单胞结构示意图；

图3是本发明的实施例1的仿真结果图，其中，(a)为加载过程中结构的应力-应变曲线示意图，(b)为结构的扭转角-应变曲线图；

图4是本发明的实施例2的示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为俯视图；

图5是图4的三维单胞结构示意图；

图6是本发明的实施例3的示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为俯视图；

图7是图6的三维单胞结构示意图；

图8是本发明的实施例4的示意图，其中，(a)为结构示意图，(b)为俯视图；

图9是图8的三维单胞结构示意图。

其中：1.多边形环状结构；2.倾斜圆柱；3.连杆。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，包括三维单胞结构，若干三维单胞结构通过空间阵列分布构成具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

三维单胞结构包括多边形环状结构1和倾斜圆柱2，多边形环状结构1包括两个，两个多边形环状结构1上下设置，每个多边形环状结构1上设置有用于连接对应多边形环状结构的连杆3，倾斜圆柱2设置在两个多边形环状结构1之间，倾斜圆柱2将上下两个多边形环状结构1的顶点两两连接起来，构成一个三维单胞结构。

其中，连杆3与多边形环状结构1在多边形环状结构的顶点处以锐角角度连接且以多边形环状结构的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个多边形环状结构1互为翻转关系且形心在Z方向上对齐。

三维单胞结构的上下两个多边形环状结构1之间倾斜圆柱2的个数与多边形环状结构1的顶点个数相同，各倾斜圆柱2的轴线与上下两个多边形环状结构1的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。

三维单胞结构以X方向、与X呈120°方向和Z方向在空间上阵列分布，在XOY平面上，相邻三维单胞结构的连杆3相交处以倾斜圆柱2的方式连接，倾斜圆柱2的高度与多边形环状结构1的厚度相同；在Z方向上，相邻的倾斜圆柱2互为翻转关系，即旋转方向呈正反交替排列。

多边形环状结构1包括正六边形环状结构、正方形环状结构、圆环状结构和三角形环状结构。

正方形环和圆环状结构中，连杆3和倾斜圆柱2的数量为4。

三角形环状结构中，连杆3和倾斜圆柱2的数量为3。

本发明一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的制备方法，包括以下步骤：

S1、选择一种多边形环状结构作为单胞形状，相应数量的连杆与环在多边形顶点处以锐角角度连接，上下具有连杆的多边形环互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，相应数量的倾斜圆柱将上下环的顶点两两连接起来，形成一个倾斜的旋转方向，然后将单胞在空间上阵列分布，得到模型；

S2、利用Solidworks软件对步骤S1得到的模型进行几何建模和构型设计；

建立三维单胞结构，包括多边形环状结构的边长和宽度、连杆的长度和宽度、连杆与环的连接角度、具有连杆的多边形环的厚度、倾斜圆柱的直径和上下环在Z方向的距离；

再根据各方向上三维单胞结构的个数，通过空间阵列得到相应的点阵结构。

S3、采用熔融沉积法和激光选区熔化作为增材制造手段，设置3D打印机参数，然后将模型文件导入设备并打印出点阵模型，最后利用工具去除支撑，得到最终模型。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

请参阅图1和图2，一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，由三维单胞结构通过空间阵列得到，所述单胞包括两个具有连杆的正六边形环和环之间的倾斜圆柱，连杆与环在正六边形的顶点处以锐角角度连接且以环的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个具有连杆的环互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，六个倾斜圆柱将上下环的顶点两两连接起来，各圆柱轴线与上下环的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。单胞以X方向、与X呈120°方向和Z方向在空间上阵列分布，在XOY平面上，相邻单胞的连杆相交处以圆柱的方式连接，圆柱高度与环的厚度相同；在Z方向上，相邻的倾斜圆柱互为翻转关系，即旋转方向呈正反交替排列。

具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的制备方法的具体步骤如下：

步骤1，选择正六边形环作为单胞形状，六个连杆与环在正六边形顶点处以锐角角度连接，上下具有连杆的环互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，六个圆柱将上下环的顶点两两连接起来，形成一个倾斜的旋转方向，然后将单胞在空间上阵列分布，得到本实施例的模型。

步骤2，利用Solidworks软件对本实施例的模型进行几何建模和构型设计，首先建立单胞结构，其中正六边形环的边长和宽度分别为5.77mm和2mm，连杆的长度和宽度分别为12mm和1.5mm，连杆与环的连接角度为30°，具有连杆的正六形环的厚度为2mm、倾斜圆柱的直径为1.5mm，上下环在Z方向的距离为16mm，再根据各方向上的单胞个数，通过空间阵列得到图1所示的2×2×2点阵结构。

步骤3，利用熔融沉积法作为增材制造手段，以直径为1.75mm的PLA丝材作为原料，将打印层高设置为0.1mm，模型底部/顶部厚度设置为0.8mm，填充率设置为100％，打印速度设置为40mm/s，支撑临界角设置为60°，打印喷头温度和平台温度设置为210℃和30℃，然后在Cura软件中对本实施例的模型进行切层处理，将生成的gcode文件导入3D打印机并打印出带有支撑的点阵模型，最后利用工具去除支撑，用砂纸打磨以去除毛刺，得到最终模型。

步骤4，对模型进行数值仿真，结果如图3所示。由图3可以看出，数值仿真体现出本结构的拉扭耦合特性和拉胀特性。

本实施例以正六边形环作为单胞形状，通过几何参数的合理设计，得到具有优异机械性能的点阵结构，并利用熔融沉积法实现了以PLA为代表的塑料基体结构的制备，扩大了制备技术和材料的范围。

实施例2

请参阅图1和图2，一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，参考实施例1，不同之处在于正六边形环可替换为正方形环，连杆和倾斜圆柱数量变为4，连杆与环在正方形的顶点处以锐角角度连接且以环的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个具有连杆的环互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，四个倾斜圆柱将上下环的顶点两两连接起来，各圆柱轴线与上下环的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。单胞以X方向、Y方向和Z方向在空间上阵列分布，在XOY平面上，相邻单胞的连杆相交处以圆柱的方式连接，圆柱高度与环的厚度相同；在Z方向上，相邻的倾斜圆柱互为翻转关系，即旋转方向呈正反交替排列。

具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的制备方法的具体步骤如下：

参考实施例1中的步骤2，不同之处在于正方形环的边长和宽度分别为10.36mm和2mm，连杆的长度和宽度分别为10.32mm和1.5mm，连杆与环的连接角度为55°，具有连杆的正方形环的厚度为2mm、倾斜圆柱的直径为1.5mm，上下环在Z方向的距离为16mm，再根据各方向上的单胞个数，通过空间阵列得到图4和图5所示的2×2×2点阵结构。

参考实施例1中的步骤3，不同之处在于制造过程中，以直径为1.75mm的ABS丝材作为原料，打印喷头温度和平台温度设置为230℃和50℃。

本实施例以正方形环作为单胞形状，通过几何参数的合理设计，得到具有优异机械性能的点阵结构，并利用熔融沉积法实现了以ABS为代表的塑料基体结构的制备，扩大了制备技术和材料的范围。

实施例3

请参阅图1和图2，一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，参考实施例1，不同之处在于正六边形环可替换为圆环，连杆和倾斜圆柱数量变为4，连杆与环相切且以环的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个具有连杆的环互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，四个倾斜圆柱将上下环的切点两两连接起来，各圆柱轴线与上下环的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。单胞以X方向、Y方向和Z方向在空间上阵列分布，在XOY平面上，相邻单胞的连杆相交处以圆柱的方式连接，圆柱高度与环的厚度相同；在Z方向上，相邻的倾斜圆柱互为翻转关系，即旋转方向呈正反交替排列。

具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的制备方法的具体步骤如下：

参考实施例1中的步骤2，不同之处在于圆环的直径和宽度分别为16mm和2mm，连杆的长度和宽度分别为12.46mm和1.5mm，连杆末端和圆心的连线与连杆的夹角为35°，具有连杆的圆环的厚度为2mm、倾斜圆柱的直径为1.5mm，上下环在Z方向的距离为16mm，再根据各方向上的单胞个数，通过空间阵列得到图6和图7所示的2×2×2点阵结构。

步骤3，利用激光选区熔化作为增材制造手段，以AlSi10Mg粉末作为原料，将打印层高设置为30μm，扫描速度设置为800mm/s，激光功率设置为195W，扫描间距设置为0.17mm，激光光斑直径设置为10μm，然后将模型文件导入设备并打印出点阵模型，最后利用工具去除底部支撑，得到最终模型。

本实施例以圆环作为单胞形状，通过几何参数的合理设计，得到具有优异机械性能的点阵结构，并利用激光选区熔化实现了以AlSi10Mg为代表的金属基体结构的制备，扩大了制备技术和材料的范围。

实施例4

请参阅图1和图2，一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，参考实施例1，不同之处在于正六边形环可替换为三角形环，连杆和倾斜圆柱数量变为3，连杆与环在正方形的顶点处以锐角角度连接且以环的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个具有连杆的环互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，三个倾斜圆柱将上下环的顶点两两连接起来，各圆柱轴线与上下环的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。单胞依次顺时针旋转60°并在连杆末端处连接，可得空间点阵结构；在Z方向上，相邻的倾斜圆柱互为翻转关系，即旋转方向呈正反交替排列。

具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的制备方法的具体步骤如下：

参考实施例1中的步骤2，不同之处在于三角形环的边长和宽度分别为15mm和2mm，连杆的长度和宽度分别为15mm和2mm，连杆与环的连接角度为60°，具有连杆的三角形环的厚度为2mm、倾斜圆柱的直径为1.5mm，上下环在Z方向的距离为16mm，再将单胞通过空间阵列得到图8所示的点阵结构。

参考实施例3中的步骤3，不同之处在于制造过程中，以IN718粉末作为原料，将扫描速度设置为1200mm/s，激光功率设置为190W，重叠率设置为30％，基板预热至80℃。

本实施例以三角形环作为单胞形状，通过几何参数的合理设计，得到具有优异机械性能的点阵结构，并利用激光选区熔化实现了以IN718为代表的金属基体结构的制备，扩大了制备技术和材料的范围。

综上所述，本发明一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，几何构型与参数设计合理，具有显著的拉扭耦合和拉胀特性，相较于传统制备方法，利用增材制造技术实现快速化、一体化、多样化制备，在传感器、生物医学、航空航天及其他国防科技领域具有广泛的应用前景。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种制备具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据多边形环状结构确定单胞形状，然后将对应的连杆与多边形环状结构的顶点处以锐角角度连接，上下的多边形环状结构互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，通过对应的倾斜圆柱将上下多边形环状结构的顶点两两连接构成三维单胞结构，然后将三维单胞结构在空间上阵列分布，通过连杆连接得到模型；

S2、对步骤S1获得的模型进行几何建模和构型设计，得到模型文件，确定多边形环状结构的边长和宽度、连杆的长度和宽度、连杆与环的连接角度、具有连杆的多边形环状结构的厚度、倾斜圆柱的直径和上下多边形环状结构在Z方向的距离，建立三维单胞结构；再根据各方向上三维单胞结构的个数，通过空间阵列得到相应的点阵结构模型文件；

S3、采用3D打印方式，导入步骤S2确定的模型文件，打印点阵模型，去除支撑后得到具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构；

具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构包括若干三维单胞结构，每个三维单胞结构包括上下设置的两个多边形环状结构（1），上下两个多边形环状结构（1）的顶点处分别通过对应设置的第一倾斜圆柱（2）连接，多个第一倾斜圆柱（2）沿同一方向错位设置，两个多边形环状结构（1）的顶点处分别设置有用于连接相邻三维单胞结构的连杆（3），若干三维单胞结构按空间阵列方式排布，通过对应的连杆（3）连接构成具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构；

连杆（3）与多边形环状结构（1）顶点处的连接角度为锐角，连杆（3）以多边形环状结构（1）的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个多边形环状结构（1）互为翻转关系且形心在Z方向上对齐，三维单胞结构以X方向、与X呈120°方向和Z方向在空间上阵列分布，在XOY平面上，相邻三维单胞结构的连杆（3）相交处通过第二倾斜圆柱连接，第二倾斜圆柱的高度与多边形环状结构（1）的厚度相同，在Z方向上，相邻的倾斜圆柱（2）的旋转方向呈正反交替排列；

第一倾斜圆柱（2）的个数与多边形环状结构（1）的顶点个数相同，每个第一倾斜圆柱（2）的轴线与上下两个多边形环状结构（1）的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向；

多边形环状结构（1）包括正六边形环状结构、正方形环状结构和三角形环状结构。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中，3D打印采用熔融沉积法和激光选区熔化方法。

Images