CN112140647A - 一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构，该点阵夹芯结构是基于一种高性能负泊松比点阵芯材构成的。该负泊松比点阵芯材由一个三维立方体结构通过改变支柱与坐标轴之间的夹角得到。当支柱与坐标轴之间的夹角不等于零时，就得到了具有负泊松比特性的点阵材料。该负泊松比点阵材料与两个薄板一起构成了一个新型负泊松比点阵夹芯结构，该结构将同时具备传统拉胀点阵结构和传统点阵夹芯结构的特点，即不仅具有负泊松比和同向曲率的特点，同时还具有超轻质、高比模量、高比强度、抗冲击和高能量吸收等优异力学性能。本发明所述的夹芯结构还具有很强的可调控性，通过对支柱偏转角度和点阵材料相对密度的调整，可以在很大范围内调控本发明所述的点阵夹芯结构的力学性能。该点阵夹芯结构在航空航天领域具有很大应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种点阵夹芯结构，特别涉及一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构。
背景技术
随着航空航天产业的不断发展，飞行器所面临的独特的力学环境(如：气动热、振动、大气脉动压力等)和性能要求(如：高超声速、高机动性、远程打击等)对结构设计提出来了新的课题：结构轻量化、结构多功能化和结构优化设计等，其中结构轻量化设计是航空航天结构设计的永恒追求和设计关键。而多孔夹芯结构由于其轻质、高比刚度、高比强度、高韧性、高能量吸收等优良的力学性能，在航空航天领域中得到了广泛的关注。
多孔夹芯结构一般是由两个相对较薄的面板和中间一个轻质多孔材料组成。其中，芯材选择对夹芯结构的性能至关重要。目前常用的芯材主要有蜂窝、金属泡沫和点阵材料。研究表明，在相同相对密度的条件下，一般的点阵材料的面内杨氏模量可以比蜂窝材料等轻质材料高两个数量级以上，其面外强度可高于蜂窝材料等材料一个数量级以上。而相较于金属泡沫，点阵材料通常是由微结构拓扑而成，因而具有很高的可设计性以满足复杂的实际需求。此外，在航空航天等领域的复杂环境下，夹芯结构的一部分材料用来满足刚度，强度等力学性能的要求，另一部分材料需要满足隔振、隔热等物理需求。然而，传统的结构设计方法很难同时兼顾结构的轻量化要求和多功能需求。而基于周期性微结构的点阵夹芯结构，汇集了材料设计、结构设计和功能设计为一体的优化设计理念，为我们提供了新的解决途径。
目前，除了传统的点阵材料(例如四面体型、金字塔型、体心立方型及Kagome型等芯子拓扑构型)，具有负泊松比特性的新型点阵材料引起了学者们的兴趣。材料的泊松比也被称作横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。其计算公式为：
(其中，εx是材料的横向正应变，εy是材料的轴向正应变)。一方面，负的泊松比意味着材料在受到单向压缩时会发生横向收缩，即材料会向受载区域聚集。向内收缩/聚集的材料将有助于抵抗外载，提高整个材料的承载能力和吸能效率。而另一方面，负泊松比点阵材料往往是基于支柱的弯曲变形或旋转变形来产生拉胀效应，而这两种变形机制却在一定程度上削弱了材料的承载能力。这两种互相矛盾的结论阻碍了负泊松比点阵夹芯结构的应用。
本发明所述的具有负泊松比特性的点阵夹芯结构，是基于一种负泊松比点阵材料为芯材的夹芯结构。该负泊松比点阵材料克服了负泊松比材料的低模量、低强度的弱点，该材料具有高比模量、高比强度和高吸能的特点。该点阵材料与两个薄板一起构成的夹芯结构将同时具备传统点阵夹芯结构和拉胀点阵夹芯结构的特点，即同时具有超轻质、高比强度、高比刚度、抗冲击、高能量吸收及同向曲率等优异的力学性能和力学行为。同时，本发明所述的夹芯结构具有很强的可调控性。通过对支柱偏转角度和点阵材料相对密度的调整，可以在很大范围内调控本发明所述的点阵夹芯结构的力学性能，以满足更加苛刻、严酷的航空航天使用环境和应用需求。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种新型点阵夹芯结构，一种基于负泊松比点阵芯材，并融合了传统点阵夹芯结构和负泊松比点阵夹芯结构特点的新型点阵夹芯结构。本发明所述的新型点阵夹芯结构具有负泊松比和同向曲率特点，同时具有超轻质、高比模量、高比强度、抗冲击和高能量吸收等优异力学性能。所述的新型点阵夹芯结构可通过3D打印制备，并具有很强的可调控性以满足不同的应用需求。
本发明的主要通过下述技术方案实现：
一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构是由一个负泊松比点阵芯材和两个薄板构成。其中，薄板位于上下两侧，负泊松比点阵芯材位于中间。
所述的负泊松比点阵芯材是由负泊松比周期性单胞在三维空间上拓扑构成。所述的负泊松比周期性单胞是由负泊松比单胞的最小代表性单元经过三次镜像得到。
所述的负泊松比单胞的最小代表性单元可由立方体结构代表性单元通过角度θ的变化得到。所述的立方体结构代表性单元是由六个十字型二维单胞(11)构成。所述的二维十字型单胞是由两根相互垂直平分的支柱(111和112)固定连接构成，两根支柱的交叉点为O11。所述的二维十字型单胞(11)分别位于立方体结构的六个面上，它们之间通过支柱连接在一起，共同构成一个周期性的三维立方体结构代表性单元。
所述的负泊松比单胞的最小代表性单元由立方体结构代表性单元通过角度θ的变化得到时，角度θ为支柱与直角坐标系的主坐标轴(x,y或z)之间的最小夹角，其变化范围为0°<θ<45°。平行于x-z平面和平行于y-z平面的四个十字型单胞(13)在满足连通性和内部两根支柱(131和132)保持相互垂直的情况下，分别以两个支柱的交叉点O13为旋转中心顺时针或逆时针旋转θ。而平行于x-y平面的两个十字型单胞为了保证与另外所述的四个十字型单胞的连通性，内部的两根支柱(121和122)将不再保持垂直关系，两根支柱分别以它们的交叉点O12为旋转中心以相反的旋转方向旋转θ，变为二维剪刀交叉型单胞(12)。最终，通过角度θ的调控，所述的立方体结构代表性单元变为负泊松比单胞的最小代表性单元。在转变的过程中，支柱之间的连通性保持不变，每个支柱与直角坐标系的主坐标轴(x,y或z)之间的最小夹角大小相同，都为θ。
所述的负泊松比单胞的最小代表性单元的几何尺寸可以是正方体也可以是长方体。当所述的周期性排布的负泊松比单胞的几何尺寸为长方体时，所述的二维十字型单胞的两根支柱(131和132)长度不同，所述的二维剪刀交叉型单胞的两根支柱(121和122)需长度相同。
所述的负泊松比点阵芯材中的支柱的横截面可以有多种选择，包括梯形截面、工字型截面、槽型截面、长方形横截面、圆形横截面、菱形横截面和正多边形横截面。
所述的负泊松比点阵芯材可通过改变角度θ来调控材料的泊松比。当θ＝0°时，点阵芯材的泊松比为零，当θ≠0°时，点阵芯材的泊松比始终为负值。当角度θ在0°～45°内调控时，泊松比的变化范围为0～-1。所述的点阵夹芯结构也可通过芯材的支柱角度θ和芯材的相对密度来调控结构的比刚度、比强度、吸能效率和比吸能。
所述的负泊松比点阵芯材的具有极低的相对密度，可实现1％以下的极低相对密度。所述的负泊松比点阵芯材的最大相对密度不应超过20％。
所述的负泊松比点阵夹芯结构可通过先进增材制造技术一体成型，也可先独立制备芯材和薄板，然后通过粘贴或焊接工艺进行组装。所述的负泊松比点阵芯材可通过FDM熔融沉积成型技术、SLA光固化立体造型技术、DLP选区激光熔化技术、SLS选区激光烧结、EBM电子束熔化成型、SLM选择性激光熔化技术、SHS选择性热烧结和3DP三维喷涂粘结成型技术进行3D打印制备。
所述的负泊松比点阵夹芯结构可以在面外方向上多层排布，构成多层级点阵夹芯结构。所述的多层级点阵夹芯结构可进行梯度设计，包括相对密度梯度设计和角度θ梯度设计。
本发明相对于现有技术，具有以下的优点和效果：
(1)本发明提出了一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构，该点阵夹芯结构采用了负泊松比点阵芯材。当该夹芯结构受到轴向压缩时，内部的负泊松比夹芯材料会向内收缩，夹芯材料就会变得越来越致密，从而能有效的抵抗压缩载荷，因此在承载、能量吸收等领域有着广阔的应用前景；
(2)与现有多孔夹芯结构相比，该负泊松比点阵夹芯结构更加轻质，并同时具备了负泊松比材料的同向曲率性、高断裂韧性和传统点阵材料的高比模量、高比强度、高比吸能、高吸能效率、抗冲击等力学性能；
(3)该负泊松比夹芯结构的弹性性能、抗压强度和冲击吸能特性是可控的。通过调节支柱几何参数(长度和横截面)、偏转角度θ和相对密度，就可以在较大范围内调控该结构的力学性能。其中，角度θ和相对密度对其模量、强度、吸能效率和比吸能的影响最大。
附图说明
图1为本发明的具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构示意图。
图2(a)为二维十字型单胞示意图；
图2(b)为立方体结构代表性单元示意图；
图2(c)为立方体结构周期性单胞示意图；
图3(a)为二维剪刀交叉型单胞和逆时针旋转θ后的二维十字型单胞示意图；
图3(b)为负泊松比单胞的最小代表性单元示意图；
图3(c)为负泊松比周期性单胞示意图；
图4(a)长方体结构代表性单元示意图；
图4(b)几何尺寸为长方体的负泊松比单胞的最小代表性单元示意图；
图5(a)以相对密度为梯度设计的三层级点阵夹芯结构示意图；
图5(b)以角度θ为梯度设计的三层级点阵夹芯结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步具体详细的描述。
如图1所示，本发明为一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构，该结构是由一个负泊松比点阵芯材和两个薄板构成。薄板位于上下两侧，负泊松比点阵芯材位于中间。图3所示，所述的负泊松比点阵芯材的基本组成单元为负泊松比周期性单胞(图3(c))，最小组成单元为负泊松比单胞的最小代表性单元(图3(b))。所述的负泊松比单胞的最小代表性单元经过三次镜像得到负泊松比周期性单胞，所述的负泊松比周期性单胞在三维空间上拓扑构成负泊松比点阵芯材。
如图2、图3所示，所述的负泊松比单胞的最小代表性单元可由立方体结构代表性单元通过角度θ的变化得到。如图2(b)所示，所述的立方体结构代表性单元由六个二维十字型单胞11构成。如图2(a)所示，所述的二维十字型单胞由两根相互垂直平分的支柱111和112固定连接构成，两根支柱的交叉点为O11。所述的二维十字型单胞11分别位于立方体结构的六个面上，它们之间通过支柱连接在一起，共同构成一个周期性的三维立方体结构代表性单元。所述的负泊松比单胞的最小代表性单元由立方体结构代表性单元通过角度θ的变化得到时，角度θ为支柱与直角坐标系的主坐标轴(x,y或z)之间的最小夹角，其变化范围为0°<θ<45°。在所述的立方体结构代表性单元中，平行于x-z平面和平行于y-z平面的四个十字型单胞11在满足连通性和内部两根支柱131和132保持垂直的情况下，分别以两个支柱的交叉点O13为旋转中心顺时针或逆时针旋转θ，得到旋转后的十字型单胞13。而平行于x-y平面的两个十字型单胞为了保证与另外所述的四个十字型单胞的连通性，内部的两根支柱121和122将不再保持垂直关系，两根支柱分别以它们的交叉点O12为旋转中心以相反的旋转方向旋转θ，变为二维剪刀交叉型单胞12。最终，通过角度θ的调控，所述的立方体结构代表性单元(图2(b))变为负泊松比单胞的最小代表性单元(图3(b))。在转变的过程中，支柱之间的连通性保持不变，每根支柱与直角坐标系的主坐标轴(x,y或z)之间的最小夹角大小相同，都为θ。
如图4所示，该负泊松比单胞的最小代表性单元中的支柱长度可以不同。如图4(a)所示，长方体结构的代表性单元的长(a)、宽(b)、高(c)之间的关系为a＝b≠c。平行于z轴的四个面上的十字型结构旋转θ，垂直于z轴面上的支柱顺势旋转θ，就得到了负泊松比单胞的最小代表性单元。该负泊松比单胞的最小代表性单元具有相同的长和宽，以及不同的高度。
所述的负泊松比点阵夹芯结构中的芯材，其支柱的横截面可以有多种选择，包括梯形截面、工字型截面、槽型截面、长方形横截面、圆形横截面、菱形横截面和正多边形横截面。该芯材可通过改变支柱的角度θ来调控材料的泊松比。当θ＝0°时，点阵芯材的泊松比为零，当θ≠0°时，点阵芯材的泊松比始终为负值。当角度θ在0°～45°内调控时，泊松比的变化范围为0～-1。所述的点阵夹芯结构也可通过改变角度θ和相对密度来调控结构的比刚度、比强度、吸能效率和比吸能。所述的负泊松比点阵芯材具有极低的相对密度。如图1所示的负泊松比点阵夹芯结构中的芯材，其支柱横截面为正方形且边长为0.5mm、支柱与坐标轴夹角为θ＝20°、芯材的尺寸为95.5mm×38.5mm×38.5mm时，该芯材的泊松比约为-0.8，相对密度仅为2％。
所述的负泊松比点阵夹芯结构可通过先进增材制造技术一体成型，也可先独立制备芯材和薄板，然后通过粘贴或焊接工艺进行组装。所述的负泊松比点阵芯材可通过FDM熔融沉积成型技术、SLA光固化立体造型技术、DLP选区激光熔化技术、SLS选区激光烧结、EBM电子束熔化成型、SLM选择性激光熔化技术、SHS选择性热烧结和3DP三维喷涂粘结成型技术进行3D打印制备。
如图5所示，所述的负泊松比点阵夹芯结构可以在面外方向上多层排布，构成多层级点阵夹芯结构。如图5(a)所示，不同密度的负泊松比点阵夹芯结构在z轴方向上进行梯度排布。该三层级点阵结构的角度都为θ＝20°，从上往下，第一层的芯材相对密度为0.85％，第二层芯材的相对密度为1.96％，第三层芯材的相对密度为4.58％。如图5(b)所示，不同角度θ的三层级负泊松比点阵夹芯结构在z轴方向上进行梯度排布。该三层级点阵结构的支柱横截面尺寸相同，都为边长为0.5mm的正方形截面，其中第一层芯材的角度参数为θ＝10°，第二层芯材的角度参数为θ＝20°，第三层芯材的角度参数为θ＝30°。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构，其特征在于：所述的点阵夹芯结构是由一个负泊松比点阵芯材和两个薄板构成。其中，薄板位于上下两侧，负泊松比点阵芯材位于中间。
2.根据权利要求1所述的一种负泊松比点阵芯材，其特征在于：所述的负泊松比点阵芯材是由负泊松比周期性单胞在三维空间上拓扑构成。所述的负泊松比周期性单胞是由负泊松比单胞的最小代表性单元经过三次镜像得到。
3.根据权利要求1-2所述的一种负泊松比单胞的最小代表性单元，其特征在于：所述的负泊松比单胞的最小代表性单元是由立方体结构代表性单元通过角度θ的变化得到。
4.根据权利要求1-3所述的一种立方体结构代表性单元，其特征在于：所述的立方体结构代表性单元是由六个十字型二维单胞构成。所述的二维十字型单胞由两根相互垂直平分的支柱固定连接构成。所述的二维十字型单胞分别位于立方体结构的六个面上，它们之间通过支柱连接在一起，共同构成一个周期性的三维立方体结构代表性单元。
5.根据权利要求1-4所述的一种负泊松比单胞的最小代表性单元，其特征在于：所述的负泊松比单胞的最小代表性单元是由立方体结构代表性单元通过角度θ的变化得到时，角度θ为支柱与直角坐标系的主坐标轴(x,y或z)之间的最小夹角，其变化范围为0°<θ<45°。平行于x-z平面和平行于y-z平面的四个十字型单胞在满足连通性和内部两根支柱保持垂直的情况下，分别以两个支柱的交叉点为旋转中心顺时针或逆时针旋转θ。而平行于x-y平面的两个十字型单胞为了保证与另外所述的四个十字型单胞的连通性，内部的两根支柱将不再保持垂直关系，两根支柱分别以它们的交叉点为旋转中心以相反的旋转方向旋转θ，变为二维剪刀交叉型单胞。最终，通过角度θ的调控，所述的立方体结构代表性单元变为负泊松比单胞的最小代表性单元。在转变的过程中，支柱之间的连通性保持不变，每根支柱与直角坐标系的主坐标轴(x,y或z)之间的最小夹角的大小相同，都为θ。
6.根据权利要求1-5所述的一种负泊松比单胞的最小代表性单元，其特征在于：所述的负泊松比单胞的最小代表性单元的几何尺寸可以是正方体也可以是长方体。当所述的周期性排布的负泊松比单胞的几何尺寸为长方体时，所述的二维十字型单胞的两根支柱长度不同，所述的二维剪刀交叉型单胞的两根支柱需长度相同。
7.根据权利要求1-6所述的负泊松比点阵芯材，其特征在于：所述的负泊松比点阵芯材中的支柱的横截面可以有多种选择，包括梯形截面、工字型截面、槽型截面、长方形横截面、圆形横截面、菱形横截面和正多边形横截面。
8.根据权利要求1-7所述的负泊松比点阵芯材，其特征在于：所述的负泊松比点阵芯材可通过改变角度θ来调控材料的泊松比。当θ＝0°时，点阵芯材的泊松比为零，当θ≠0°时，点阵芯材的泊松比始终为负值。当角度θ在0°～45°内调控时，泊松比的变化范围为0～-1。
9.根据权利要求1-7所述的负泊松比点阵芯材，其特征在于：所述的负泊松比点阵芯材具有极低的相对密度，可实现1％以下的极低相对密度。所述的负泊松比点阵芯材的最大相对密度不应超过20％。
10.根据权利要求1-9所述的负泊松比点阵夹芯结构，其特征在于：所述的点阵夹芯结构可通过改变角度θ和相对密度来调控结构的比刚度、比强度、吸能效率和比吸能。
11.根据权利要求1-9所述的负泊松比点阵夹芯结构，其特征在于：所述的负泊松比点阵夹芯结构的负泊松比点阵芯材可通过FDM熔融沉积成型技术、SLA光固化立体造型技术、DLP选区激光熔化技术、SLS选区激光烧结、EBM电子束熔化成型、SLM选择性激光熔化技术、SHS选择性热烧结和3DP三维喷涂粘结成型技术进行3D打印制备。
12.根据权利要求1-11所述的负泊松比点阵夹芯结构，其特征在于：所述的负泊松比点阵夹芯结构可通过先进增材制造技术一体成型，也可先独立制备芯材和薄板，然后通过粘贴或焊接工艺进行组装。
13.根据权利要求1-12所述的负泊松比点阵夹芯结构，其特征在于：所述的负泊松比点阵夹芯结构可以在面外方向上多层排布，构成多层级点阵夹芯结构。
14.根据权利要求1-13所述的多层级点阵夹芯结构，其特征在于：所述的多层级点阵夹芯结构可进行梯度设计，包括相对相对密度梯度设计和角度θ梯度设计。
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