CN112917894A - 一种高强度手性压扭超结构材料 - Google Patents

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Abstract

本发明属于力学超材料技术领域，具体涉为一种高强度手性压扭超结构材料。本发明的手性压扭超结构材料由若干胞元重复堆叠而成；每个胞元是由六个结构相同的面内手性结构围成的正方体；面内手性结构由8根梁和一个圆环共面组成；8根梁中，4根长梁与4根短梁相间，一端分别与圆环相切，并结合成一体，另一端分别位于一个正方形的四个顶点和该正方形的四条边的中点处；胞元中，六个结构相同的面内手性结构，其相邻两个面内手性结构的三根梁的外端点对应连接，形成一个空间正方体。该超结构材料在受压时会发生稳定而显著的扭转行为，最大压扭角度可通过梁的粗细、胞元数目和层数调控。

Description

一种高强度手性压扭超结构材料
技术领域
本发明属于力学超材料技术领域，具体涉及一种高强度手性压扭超结构材料。
背景技术
力学超材料是近年来一个新兴研究的领域，因其具有天然材料无法达到的超常物理力学性能而备受关注，旨在不断突破传统结构力学性能极限。力学超材料的设计理念在于通过对材料胞元构型的优化设计来实现超常的力学性能。其性能主要取决于人工设计的微观胞元结构。
现有压扭超材料往往存在着结构复杂、制造难度高等缺点，在受压时容易发生断裂、偏心、失稳和破坏，导致压扭结构耐用性不佳。
本发明提出一种高强度手性压扭超结构材料，使得压扭结构的可靠性和稳定性更好，有望在机械传动、建筑设计、航空宇航等领域发挥作用，因其独有的补强结构，能在更极端的工况中发挥稳定力学作用。
发明内容
本发明的目的在于提出一种可靠性和稳定性好的高强度手性压扭超结构材料。
本发明提出的高强度手性压扭超结构材料，由若干胞元重复堆叠而成，每个胞元是由六个结构相同的面内手性结构围成的正方体；所述面内手性结构由8根梁和一个圆环共面组成；8根梁中，4根梁的长度较长，该4根梁长度一致，另4根梁的长度较短，该4根梁长度一致，4根长梁与4根短梁相间，一端分别与圆环相切，并结合成一体，8根梁的另一端分别位于一个空间正方形的四个顶点和该正方形的四条边的中点处，即8根梁的外端点形成一个空间正方形，如图1所示。胞元中，六个结构相同的面内手性结构，其相邻两个面内手性结构的三根梁的外端点对应连接，形成一个空间正方体，如图3所示。
本发明设计高强度手性压扭超结构材料，其面内手性结构中的圆环起到结构稳定的作用，8根梁起到结构受力补强作用。
本发明设计的高强度手性压扭超结构材料，在受压时会发生稳定而显著的扭转行为。
本发明设计的高强度手性压扭超结构材料，其胞元的制备或堆叠体的制备，采用3D打印技术，或采用铸造和切削方式；材料有较好的弹性和韧性。
如采用熔融挤出3D打印增材制造时，先用建模软件依照图纸建立模型，将所建立模型用切片软件切片后导入3D打印；打印材料选用TPU95A，支撑材料选用PVA，打印好后，将零件浸入温水中若干小时，使水溶性支撑溶于水后晾干，即可。
本发明设计的高强度手性压扭超结构材料，主要特点为：
1、受压能产生大幅度、稳定的扭转行为；
2、通过面内手性结构中的多根补强杆，使得结构在能够实现压扭功能的同时，结构刚度更加坚实可靠；
3、最大压扭角度可通过梁的粗细、胞元数目和层数调控。
附图说明
图1为面内手性结构图示。
图2为面内手性结构三视图。
图3为胞元结构图示。
图4为胞元三视图。
图5为1×1×8堆叠示意图。
图6为1×1×8堆叠三视图。
图7为实施例1 1×1×8堆叠初始斜视图。
图8为实施例1 1×1×8堆叠初始前视图。
图9为实施例1 1×1×8堆叠初始俯视图。
图10为实施例1 1×1×8堆叠扭转斜视图。
图11为实施例1 1×1×8堆叠扭转前视图。
图12为实施例1 1×1×8堆叠扭转俯视图。
图13为实施例1 1×1×8堆叠扭转角度示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图进一步描述本发明。
实施例1：
使用3D打印机打印，所用材料为TPU95A，所用水溶性支撑材料为PVA。
实施例1的面内手性结构如图1所示，其主要结构由8根梁与中心圆环组成，其中8根梁一头位于面内正方形的顶点或边中点，另一头与中心圆环相切。梁宽度为5mm，厚度为5mm，中心圆环内半径25mm，外半径30mm，厚度为5mm。
实施例1中胞元如图3所示，胞元是由6个面内手性结构彼此垂直拼成的正方体。
实施例1中1×1×8堆叠如图7所示，此堆叠是由8个胞元排列成1行、1列、8层的结构。
待打印完成后，将打印件置于水中浸泡，待清水变浑浊更换清水直至PVA支撑完全消失，晾干。
如图7、图8、图9、图10、图11和图12所示，1×1×8堆叠的压扭超结构在受压后发生明显扭转，由图8、图11可测的下压距离约为134mm，应变为16.7%，可由图13可量得扭转角度约为66°，弧度为1.15，计算得角度与应变比值为3.95°/%，弧度比值为0.069/%。

Claims (5)

1.一种高强度手性压扭超结构材料，其特征在于，由若干胞元重复堆叠而成；每个胞元是由六个结构相同的面内手性结构围成的正方体；所述面内手性结构由8根梁和一个圆环共面组成；8根梁中，4根梁的长度较长，该4根梁长度一致，另4根梁的长度较短，该4根梁长度一致，4根长梁与4根短梁相间，一端分别与圆环相切，并结合成一体，8根梁的另一端分别位于一个空间正方形的四个顶点和该正方形的四条边的中点处；胞元中，六个结构相同的面内手性结构，其相邻两个面内手性结构的三根梁的外端点对应连接，形成一个空间正方体。
2.根据权利要求1所述的高强度手性压扭超结构材料，其特征在于，胞元的制备或堆叠体的制备，采用3D打印技术，或采用铸造和切削方式；材料有较好的弹性和韧性。
3.根据权利要求2所述的高强度手性压扭超结构材料，其特征在于，采用熔融挤出3D打印增材制造时，先用建模软件依照图纸建立模型，将所建立模型用切片软件切片后导入3D打印；打印材料选用TPU95A，支撑材料选用PVA，打印好后，将零件浸入温水中若干小时，使水溶性支撑溶于水后晾干，即可。
4.根据权利要求1所述的高强度手性压扭超结构材料，其特征在于，其材料采用具有较好弹性和韧性的材料，包括TPU。
5.根据权利要求1所述的高强度手性压扭超结构材料，其特征在于，最大压扭角度可通过梁的粗细、胞元数目和层数调控。
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