CN112682681A - 一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，包括至少一蜂窝单元，蜂窝单元包括材料一制作的内凹蜂窝基础结构和材料二制作的贴合部；内凹蜂窝基础结构包括一组间隔设置的内凹弯曲杆，内凹弯曲杆通过直杆连接成整体，内凹弯曲杆包括由至少一外凸弧段和至少一内凹弧段连接而成的重复单元，重复单元反向对称式延伸形成内凹形；贴合部沿外凸弧段、内凹弧段外侧轮廓贴合设置；材料二的热膨胀系数大于材料一的热膨胀系数。本发明在保证结构本身的抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等性能的同时，增加了整体结构件的热膨胀可调控的特性。蜂窝单元整体是反对称变形的弯曲结构，满足高刚度的性能要求。

Description

一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构
技术领域
本发明涉及机械超材料结构技术领域，特别是一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构。
背景技术
负泊松比材料也称拉胀材料，其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势，因而负泊松比材料在航空航天、医疗器械、防护设备以及生活日用等领域都有广泛的应用前景。负泊松比材料开始研究时间早，应用范围广、优势大，因此得到了充分的研究和发展。
热膨胀可调控的超材料目前主流的设计形式有弯曲主导型和拉伸主导型：弯曲主导型的设计主要通过杆件的弯曲变形来补偿杆件的伸长来使杆件具有特定的热膨胀系数；拉伸主导型主要通过杆件的拉压变形使整体结构具有特定的热膨胀系数。目前关于热膨胀可调控超材料的相关研究还不是很多，主要应用于精密仪器和航空航天领域。
由于在实际的工作环境中，结构会同时受到热场和力场的作用，然而，对于负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料的研究设计只有零散的个例，适用于热膨胀可大幅度调整的超材料结构更是少之又少。
发明内容
本发明目的是针对现有技术的缺陷提供一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，在保证其负泊松比特性的同时可调控结构的热膨胀系数。
本发明采用的技术方案如下：
一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，包括至少一蜂窝单元，所述蜂窝单元包括材料一制作的内凹蜂窝基础结构和材料二制作的贴合部；所述内凹蜂窝基础结构包括一组间隔设置的内凹弯曲杆，所述内凹弯曲杆通过直杆连接成整体，所述内凹弯曲杆包括由至少一外凸弧段和至少一内凹弧段连接而成的重复单元，所述重复单元反向对称式延伸形成内凹形；所述贴合部沿所述外凸弧段、内凹弧段外侧轮廓贴合设置；
所述材料二的热膨胀系数大于所述材料一的热膨胀系数。
所述至少一外凸弧段和所述至少一内凹弧段之间平滑过渡，所述内凹弯曲杆与所述直杆之间平滑过渡。
所述内凹弯曲杆的宽度和所述直杆的宽度相同。
所述贴合部的宽度和所述直杆的宽度相同。
所述外凸弧段的曲率和贴合在其外侧的所述贴合部的曲率相同，所述内凹弧段的曲率和贴合在其外侧的所述贴合部的曲率相同。
所述内凹蜂窝基础结构整体成哑铃状结构，所述直杆相互平行，所述内凹弯曲杆相互对称。
所述蜂窝单元在平面内周期性排布组合形成凹凸嵌合的结构。
本发明的有益效果如下：
本发明将内凹蜂窝结构与弯曲主导型贴合部相结合，从而在保证结构本身的抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等性能的同时，增加了整体结构件的热膨胀可调控的特性。由于蜂窝单元整体是反对称变形的弯曲结构，满足高刚度的性能要求。
本发明两种材料热膨胀系数不同，即弯曲部分的双材料在温度升高时会导致弯曲加剧，从而引起两端距离的变化。通过调节结构的参数大小和选取的材料的不同能够实现结构热膨胀系数极大、负甚至零的调控。
附图说明
图1为本发明的蜂窝单元的结构示意图。
图2为本发明超材料结构的结构示意图。
图中：10、蜂窝单元；2、贴合部；11、内凹弯曲杆；12、直杆；111、内凹弧段；112、外凸弧段。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本实施例的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，包括至少一蜂窝单元10，蜂窝单元10包括材料一制作的内凹蜂窝基础结构和材料二制作的贴合部2；内凹蜂窝基础结构包括一组间隔设置的内凹弯曲杆11，内凹弯曲杆11通过直杆12连接成整体，内凹弯曲杆11包括由至少一外凸弧段112和至少一内凹弧段111连接而成的重复单元，重复单元反向对称式延伸形成内凹形；贴合部2沿外凸弧段112、内凹弧段111外侧轮廓贴合设置；
材料二的热膨胀系数大于材料一的热膨胀系数。
至少一外凸弧段112和至少一内凹弧段111之间平滑过渡，内凹弯曲杆11与直杆12之间平滑过渡。
内凹弯曲杆11的宽度和直杆12的宽度相同。
贴合部2的宽度和直杆12的宽度相同。
外凸弧段112的曲率和贴合在其外侧的贴合部2的曲率相同，内凹弧段111的曲率和贴合在其外侧的贴合部2的曲率相同。使得两者可以完美贴合在一起。
内凹蜂窝基础结构整体成哑铃状结构，直杆12相互平行，内凹弯曲杆11相互对称。
如图2所示，作为一种实施方式，使用增材制造技术制造，本实施例的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料采用蜂窝单元10在平面内周期性排布组合形成凹凸嵌合的结构。
本实施例的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，材料一制作的内凹蜂窝基础结构具有负泊松比特性，具体地，可以通过调节直杆12的长度、内凹弯曲杆11的长度、内凹弯曲杆11与直杆12的夹角，以及直杆12、内凹弯曲杆11的宽度以调节负泊松比效应。
作为一种实施方式，直杆12与内凹弯曲杆11的宽度之比为1∶1，对结构的尖角进行倒圆角处理，避免应力集中，方便加工，使应力均匀分布。
具体地，内凹弯曲杆11具有一重复单元，重复单元由外凸弧段112和内凹弧段111连接，重复单元反向对称式延伸形成内凹形，重复单元反向对称形成内凹弧，并在中部连接位置通过弧形等连接段圆滑过渡。
具体地，材料二的热膨胀系数大于材料一的热膨胀系数。当结构受热时，材料二的结构膨胀度大于材料一结构中弯曲部分的膨胀度，材料一和材料二贴合连接的部分发生弯曲变形，从而调节了整体结构的热膨胀系数。
具体地，直杆12、内凹弯曲杆11宽度之比为1∶1，在保证结构高刚度性能的同时，提高结构热膨胀系数可调性。通过改变弯曲部分的长度、曲率和选取的材料，可以实现对结构整体热膨胀系数从极大到负的调控。
具体地，直杆12、内凹弯曲杆11之间固定连接形成闭合的呈哑铃状的内凹蜂窝基础结构，固定连接的方式，可以保证内凹蜂窝基础结构与贴合部2重合部分的理想弯曲变形。
本发明两种材料热膨胀系数不同，即弯曲部分的双材料在温度升高时会导致弯曲加剧，从而引起两端距离的变化。
通过调节结构的参数大小和选取的材料的不同能够实现结构热膨胀系数极大、负甚至零的调控。
具体地，材料一可采用因瓦合金，材料二可采用碳钢。

Claims (7)

1.一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，包括至少一蜂窝单元(10)，所述蜂窝单元(10)包括材料一制作的内凹蜂窝基础结构和材料二制作的贴合部(2)；
所述内凹蜂窝基础结构包括一组间隔设置的内凹弯曲杆(11)，所述内凹弯曲杆(11)通过直杆(12)连接成整体，所述内凹弯曲杆(11)包括由至少一外凸弧段(112)和至少一内凹弧段(111)连接而成的重复单元，所述重复单元反向对称式延伸形成内凹形；所述贴合部(2)沿所述外凸弧段(112)、内凹弧段(111)外侧轮廓贴合设置；
所述材料二的热膨胀系数大于所述材料一的热膨胀系数。
2.根据权利要求1所述的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，所述至少一外凸弧段(112)和所述至少一内凹弧段(111)之间平滑过渡，所述内凹弯曲杆(11)与所述直杆(12)之间平滑过渡。
3.根据权利要求1所述的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，所述内凹弯曲杆(11)的宽度和所述直杆(12)的宽度相同。
4.根据权利要求1所述的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，所述贴合部(2)的宽度和所述直杆(12)的宽度相同。
5.根据权利要求1所述的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，所述外凸弧段(112)的曲率和贴合在其外侧的所述贴合部(2)的曲率相同，所述内凹弧段(111)的曲率和贴合在其外侧的所述贴合部(2)的曲率相同。
6.根据权利要求1所述的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，所述内凹蜂窝基础结构整体成哑铃状结构，所述直杆(12)相互平行，所述内凹弯曲杆(11)相互对称。
7.根据权利要求1所述的负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，其特征在于，所述蜂窝单元(10)在平面内周期性排布组合形成凹凸嵌合的结构。
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