CN112701488B - 一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，所述结构包括若干个横向、纵向排列的菱形；其中，相邻的菱形之间的对角线相互垂直，由相邻间的菱形围成有正方形；构成所述菱形的四边为第一直杆。菱形对角线为另一种直杆。本发明的有益效果在于，所形成的结构同时实现负热膨胀和负泊松比，因此，这种结构将可以在航空航天等众多工程领域具有极其光明的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料。
背景技术
超材料是指自然界中不存在的，人造的材料，它们不是通常意义上的材料，其不同寻常的材料特性源自于其微观几何结构而不是其材料组成。力学超材料是指以其结构为基础，具有独特力学性能的一种超材料，如负泊松比材料，负热膨胀材料，负刚度材料等等，它们在工程应用中都具有十分重要的作用。
负泊松比材料(又被称作拉胀材料)是指在轴向拉伸(或压缩)时，横向膨胀(或收缩)的一类材料，其独特的性质决定了其相比于传统材料，在许多力学性能方面都具有优势。在工程领域，负泊松比材料在吸声性能和抗冲击性能等方面也具有很大的应用价值。在Lakes于上世纪80年代提出了一类负泊松比泡沫之后，关于负泊松比的研究就慢慢展开了。如今2d负泊松比结构主要包括两类——内凹结构和旋转机制结构，内凹结构如Fu等人提出的两种内凹蜂窝结构，并推导了其等效杨氏模量，泊松比以及强度，Raminhos等人提出的一种星型结构，并进行了实验验证,Ai等人提出的几种带有增强杆的星型结构并给出了有限元验证；旋转机制结构又包括了手性结构和刚性旋转结构，手性结构如Alderson等人研究了三手性、四手性和六手性蜂窝，讨论了影响蜂窝等效杨氏模量和泊松比的几何参数。刚性旋转结构如钠沸石等。近来也有不少学者提出了3d负泊松比结构并推导了等效参数，如Chen和Fu设计了一种具有增强刚度的3d拉胀材料，并推导出了其等效杨氏模量和泊松比的解析式。然而，应该指出，负泊松比材料也存在诸如刚度、强度不足等问题，需要进一步改善。
负热膨胀材料是指热膨胀系数为负的材料，其表现为热缩冷胀。在许多工程领域，比如航空航天、精密仪器等，环境温度变化引起的热应力或热膨胀一直是影响结构安全或仪器精度的重要因素，因而热膨胀系数为0或者接近0的材料具有极高的应用价值。设计这类材料有两种非常常见的方法，一是将两种热膨胀系数不同的正热膨胀材料搭配使用，通过微结构的设计来实现零热膨胀；二是将正热膨胀材料和负热膨胀材料按适当的比例混合起来。对于第二种方法，自然界中虽然存在一些天然的负热膨胀材料如某些沸石,但因为其极其稀有且大多只能在极窄的温度区间内实现负热膨胀，因而人工设计负热膨胀材料成为了一个重要的课题。当前，负热膨胀材料主要由两种或多种正热膨胀材料复合而成，并根据材料晶格受热时的变形机制，主要可以被分为两大类——弯曲主导型和拉伸主导型。第一类主要依靠双材料直梁或曲梁发生热膨胀弯曲来实现负热膨胀，如手性、反手性、内凹结构以及其他一些由两种单材料梁形成的结构如Zheng等人提出的带有增强杆的内凹六角形等；第二类主要依靠杆件的轴向变形来实现负热膨胀，如一些基于双材料三角形设计的平面结构，基于双材料四面体的空间结构等等。
目前，已经有一些学者设计出了可以同时实现上述两种性质的结构，如Fu等人通过在手性层之间连接斜杆的方式设计出了一种可以同时实现三个方向负热膨胀以及面内负泊松比的结构，Wei等人基于双材料三角形，设计出一种热膨胀系数和泊松比同时可调的结构，并可以同时实现负热膨胀和负泊松比等等。同时具有两种特性的材料将可以同时发挥两方面的优势，具有巨大的工程应用价值，但应该指出，这种结构的数量依然有限，急需进一步探索出更多新结构。因此，对于能同时实现负泊松比和负热膨胀的结构进行研究是十分必要的。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，具体的说，通过本发明的菱形-正方形交替的结构，且通过在菱形以及正方形对角线添加第二种以及第三种材料的直杆，设计出了一种可以同时调节热膨胀系数和泊松比的结构。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，所述结构包括若干个横向、纵向排列的菱形；其中，相邻的菱形之间的轴线相互垂直，由相邻间的菱形围成有正方形；构成所述菱形的四边为第一直杆。
需要说明的是，向位于所述菱形的其中一对角线添加第二直杆。
需要说明的是，向所述正方形中的对角线添加第三直杆。
优选的，所述第一直杆选取为第一种材料，所述第二直杆选取为第二种材料，所述第三直杆选取为第三种材料，以上3种材料均不同。
本发明的有益效果在于，所形成的结构同时实现负热膨胀和负泊松比，因此，这种结构将可以在航空航天等众多工程领域具有极其光明的应用前景。
附图说明
图1是本发明的结构模型的示意图；
图2是本发明的按对称性取代表性其中一单元的示意参考图；
图3是本发明选取材料实现负热膨胀的角度的曲线图；
图4是本发明选取材料实现负泊松比的角度的曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
本发明为一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，所述结构包括若干个横向、纵向排列的菱形；其中，相邻的菱形之间的轴线相互垂直，由相邻间的菱形围成有正方形；构成所述菱形的四边为第一直杆。
需要说明的是，向位于所述菱形的其中一对角线添加第二直杆。
需要说明的是，向所述正方形中的对角线添加第三直杆。
优选的，所述第一直杆选取为第一种材料，所述第二直杆选取为第二种材料，所述第三直杆选取为第三种材料，以上3种材料均不同。
实施例
如图1a所示为本发明的菱形基本结构示意图，其中虚线表示连接的方式。首先将虚线以第一种材料的直杆来代替，如图1b所示，随后在菱形长对角线以及正方形对角线添加第二种以及第三种材料的直杆，如图1c所示，其中红色、蓝色和黑色分别代表1号、2号和3号材料。通过恰当的选取材料的热膨胀系数、泊松比、杨氏模量等参数并对结构几何参数进行调整，可以实现整体结构的热膨胀系数以及泊松比的调控，并且可以同时实现负热膨胀和负泊松比。
如图2所示为本发明的按对称性取其中一代表性单元的示意参考图。其中菱形较小内角之半为θ1，菱形长对角线半长为a，短对角线半长为b。
如图3所示，为当材料选取如下：菱形对角杆为AlSi10Mg(热膨胀系数20.9ppm/℃，杨氏模量71Gpa，泊松比0.33)，其余材料为Managing Steel(热膨胀系数10ppm/℃，杨氏模量206Gpa，泊松比为0.3)时，所发明结构的等效热膨胀系数随着θ1变化而变化的曲线图，其中曲线代表解析解，圆点代表有限元模拟的结果。可以看到，二者吻合良好且在黑色竖直虚线与横轴交点左侧均为可以实现负热膨胀的角度。
如图4所示，该图为当材料选取如下：菱形对角杆为AlSi10Mg(热膨胀系数20.9ppm/℃，杨氏模量71Gpa，泊松比0.33)，其余材料为Managing Steel(热膨胀系数10ppm/℃，杨氏模量206Gpa，泊松比为0.3)时，所发明结构的等效泊松比随着θ1变化而变化的曲线图，其中曲线代表解析解，圆点代表有限元模拟的结果。可以看到，二者吻合良好且在黑色竖直虚线与横轴交点左侧均为可以实现负泊松比的角度。
另外，可以看到，在上述材料的选取下，恰当选取θ1即可同时实现负热膨胀和负泊松比且有限元模拟和解析解吻合良好。
Claims (3)
1.一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，其特征在于，所述结构包括若干个横向、纵向排列的菱形；其中，相邻的菱形之间的长对角线相互垂直，由相邻间的菱形围成有正方形；构成所述菱形的四边为第一直杆，向位于所述菱形的长对角线添加第二直杆，所述第一直杆选取为第一种材料，所述第二直杆选取为第二种材料；其中，所述第一种材料与所述第二种材料为不同的材料，其具有不同的热膨胀系数、杨氏模量及泊松比。
2.根据权利要求1所述的基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，其特征在于，向所述正方形中的对角线添加第三直杆。
3.根据权利要求2所述的基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，其特征在于，所述第三直杆选取为第三种材料，其中，所述第三种材料与所述第一种材料、所述第二种材料为不同的材料，其热膨胀系数、杨氏模量及泊松比不同。
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