CN113094961A - 基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构；所述负泊松比单胞结构包括：平面六边形单元、V型单元和直杆；两个平面六边形单元通过第一线段对称交叉相连，通过第一线段连接在两根直杆和之间，直杆轴线与第一线段重合，四个V型单元连接在两个平面六边形单元上，两两相连，成对称分布。本发明提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料可以在较大的应变范围能保持恒定的负泊松比值，表现出显著的负泊松比效应。

Description

基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法
技术领域
本发明涉及机械超材料结构设计领域，尤其涉及一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法。
背景技术
泊松比指的是材料发生横向变形的同时伴随着纵向变形的现象。具有负泊松比的材料在受到横向拉伸时，会沿着纵向发生膨胀变形，因而能够诱导出许多异于自然材料属性的反常力学特性，例如优异的抗剪切性、抗断裂韧性、压阻性、曲面同向性以及良好的缓冲吸能性能等。凭借着这些丰富的力学特性，负泊松比材料在纺织衣物、工程器械、航天航空航海、汽车结构、医疗器械和智能器件等领域有着广泛的应用前景。
负泊松比材料是新一代高性能功能材料研究领域内的重要角色之一。目前，负泊松比材料大多通过人工构造多胞结构的方法设计而成，即负泊松比超材料。负泊松比胞元结构种类目前可大致分为内凹多边形结构、旋转刚体结构、手性结构、穿孔板结构等形式，其相应的负泊松比机理研究也得到了长足的发展。然而，早期提出的内凹多边形负泊松比胞元结构大多受泡沫材料、纤维材料的微观内凹结构启发而来，随后大量涌现的负泊松比胞元结构很大程度上由上述结构衍化而成，具有一定的局限性。实际上，现有的负泊松比胞元结构种类仍十分有限，同类胞元结构的力学性能相差甚微，在实际应用上可供选择的结构较少。同时，大多数的负泊松比结构仍面临着在大应变范围内发生负泊松比劣化的不足，制约了其实际应用范围。
因此，提出一种具有启发性的负泊松比超材料设计方法以及设计具有创新性形变机制的负泊松比超材料，突破现有负泊松超材料结构种类和性能的限制，不仅对负泊松比超材料的发展具有极其重要的科学意义，还能进一步推动其实际应用的进程。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构；
所述负泊松比单胞结构包括：平面六边形单元、V型单元和直杆；
所述平面六边形单元包括第一平面六边形和第二平面六边形；
所述第一平面六边形包括顺次首尾连接的六个连接杆，所述第一平面六边形的连接杆包括第一甲连接杆、第二甲连接杆、第三甲连接杆、第四甲连接杆、第五甲连接杆和第六甲连接杆，所述第一甲连接杆和所述第六甲连接杆相交于第一甲节点，所述第一甲连接杆和所述第二甲连接杆相交于第二甲节点，所述第二甲连接杆和所述第三甲连接杆相交于第三甲节点，所述第三甲连接杆和所述第四甲连接杆相交于第四甲节点、所述第四甲连接杆和所述第五甲连接杆相交于第五甲节点，所述第五甲连接杆和所述第六甲连接杆相交于第六甲节点；
所述第二平面六边形包括顺次首尾连接的六个连接杆，所述第二平面六边形的连接杆包括第一乙连接杆、第二乙连接杆、第三乙连接杆、第四乙连接杆、第五乙连接杆和第六乙连接杆，所述第一乙连接杆和所述第六乙连接杆相交于第一乙节点，所述第一乙连接杆和所述第二乙连接杆相交于第二乙节点，所述第二乙连接杆和所述第三乙连接杆相交于第三乙节点，所述第三乙连接杆和所述第四乙连接杆相交于第四乙节点、所述第四乙连接杆和所述第五乙连接杆相交于第五乙节点，所述第五乙连接杆和所述第六乙连接杆相交于第六乙节点；
所述第一平面六边形和所述第二平面六边形相交于第一线段，所述第一甲节点和所述第一乙节点重合，所述第四甲节点和所述第四乙节点重合，所述第一线段为所述第一甲节点和所述第四甲节点的连线，且所述第一甲连接杆和所述第一乙连接杆具有第一锐角夹角，所述第三甲连接杆和所述第三乙连接杆具有第二锐角夹角，所述第四甲连接杆和所述第四乙连接杆具有第三锐角夹角，所述第六甲连接杆和所述第六乙连接杆具有第四锐角夹角；
所述V型单元包括第一V型单元、第二V型单元、第三V型单元和第四V型单元；
所述第一V型单元包括相连接的连接杆，所述第一V型单元的连接杆包括第一丙连接杆和第二丙连接杆，所述第一丙连接杆和所述第二丙连接杆相交于第一丙节点；
所述第二V型单元包括相连接的连接杆，所述第二V型单元的连接杆包括第一丁连接杆和第二丁连接杆，所述第一丁连接杆和所述第二丁连接杆相交于第一丁节点；
所述第三V型单元包括相连接的连接杆，所述第三V型单元的连接杆包括第一戊连接杆和第二戊连接杆，所述第一戊连接杆和所述第二戊连接杆相交于第一戊节点；
所述第四V型单元包括相连接的连接杆，所述第四V型单元的连接杆包括第一己连接杆和第二己连接杆，所述第一己连接杆和所述第二己连接杆相交于第一己节点；
所述第一丙连接杆和所述第一丁连接杆相交于第一节点、所述第二丙连接杆和所述第二丁连接杆相交于第二节点，所述第一戊连接杆和所述第一己连接杆相交于第三节点、所述第二戊连接杆和所述第二己连接杆相交于第四节点；
取第一截面，所述第一丙节点在所述第一截面的正投影与所述第二甲连接杆在所述第一截面的正投影重叠，且所述第一戊节点在所述第一截面的正投影与所述第二甲连接杆在所述第一截面的正投影重叠，所述第一丁节点在所述第一截面的正投影与所述第二乙连接杆在所述第一截面的正投影重叠，且所述第一己节点在所述第一截面的正投影与所述第二乙连接杆在所述第一截面的正投影重叠，所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点以及所述第四节点在所述第一截面的正投影与所述平面六边形单元在所述第一截面的正投影无交叠；
所述支杆与所述第一线段的延伸方向相同，包括第一支杆和第二支杆，分别连接于所述第一线段的两端；
沿第一方向，相邻所述负泊松比单胞结构的所述第一支杆的所述第二支杆连接，所述第二节点与所述第一节点连接，所述第四节点和所述第三节点连接，沿第二方向上，相邻所述负泊松比单胞结构的所述第二甲连接杆和所述第五甲连接杆连接，所述第二乙连接杆和所述第五乙连接杆连接，沿第三方向，相邻所述负泊松比单胞结构的所述第一丙节点和所述第一丁节点连接，所述第一戊节点和所述第一己节点连接；相邻所述负泊松比单胞结构的所述第二甲节点和所述第二乙节点连接、所述第三甲节点和所述第三乙节点连接，所述第五甲节点和所述第五乙节点连接，以及所述第六甲节点和所述第六乙节点连接，；
其中，所述第一截面与所述第二甲连接杆和所述第二乙连接杆所在平面平行，所述第一方向为所述第一线段的延伸方向，所述第二方向与所述第一方向垂直，且所述第二方向垂直所述第一截面，所述第三方向垂直所述第一方向，且所述第三方向垂直所述第二方向。
优选的，所述负泊松比单胞结构根据低维量子材料的原子晶胞结构设计。
优选的，所述低维量子材料为类黑磷烯、类δ磷烯、类五石墨烯、四方过渡金属硫族化合物、过渡金属碳族化合物、硅基化合物或者铜铟磷硫类化合物。
优选的，所述低维量子材料为硼烯、硫化银、氮化钛、六碳化硅、碳化锌、碳化镉、碳化镁、碳化铍或者二碳化五铍。
优选的，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆为直杆或者弯杆。
优选的，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的横截面形状为圆形、矩形或环形。
优选的，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的长度与直径之比为b，10≤b≤20。
优选的，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的材料为聚合物或金属。
基于相同的思想，本发明还提供了一种设计上述任一基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的方法，包括步骤：
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，利用有限差分法直接计算出材料的弹性常数矩阵Cij，根据Cij与六个泊松比vij的关系计算得到具体的泊松比数值，根据计算结果筛选具有负值泊松比的低维量子材料；
分析所述低维量子材料原子晶胞结构的负泊松比机理，抓取原子晶胞结构主要的几何构型特征，包括原子位置、化学键长度和键角、空间反演对称形式；
根据所述几何构型特征，将原子晶胞结构衍化为由若干直杆和弯杆连接构成的单胞结构，将单胞结构在三维空间内周期排列连接构成负泊松比超材料；
采用有限元分析方法计算以及实验方法测量所述超材料的泊松比大小。
优选的采用三维绘图软件形成所述单胞结构和所述超材料的模型。
与现有技术相比，本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法，达到如下有益效果：
第一、本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，超材料的负泊松比特性与其相对应的低维量子材料原子结构的负泊松比特性基本一致；当外加拉伸/压缩荷载作用在四个V型单元和两根直杆的端点时，V型单元沿平行于荷载方向发生拉伸/压缩变形的同时会带动两个相交的平面六边形单元向结构内/外部变形，使得整个结构沿Y方向也发生拉伸/压缩变形，因而产生负泊松比效应；该特殊的形变机制使得超材料在较大的应变范围内具有稳定的负泊松比值(-0.20)，更具备实际应用的潜力。
第二、本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的设计方法；该方法采用原子结构仿生设计思想，通过模仿低维量子材料中具有负泊松比效应的原子结构的形变机理，可设计一类具备与低维量子材料原子结构负泊松比特性一致的宏观负泊松比超材料，为开发新型负泊松超材料开辟了一条有效的途径。
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
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的结构图；
图2为图1中负泊松比单胞结构的结构示意图；
图3为图1中负泊松比单胞结构的正视图；
图4为图1中负泊松比单胞结构的俯视图；
图5为图1中负泊松比单胞结构的侧视图；
图6为三硒化二钴的原子晶胞结构示意图；
图7为本发明提供的一种设计方法的流程图；
图8为基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的负泊松比变形仿真结果示意图；
图9为本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的泊松比—应变实验曲线图。
具体实施方式
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。应注意到，所描述的实施例实际上仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，且实际上仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
结合图1至图5所示，图1为本发明提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的结构图，图2为图1中负泊松比单胞结构的结构示意图，图3为图1中负泊松比单胞结构的正视图，图4为图1中负泊松比单胞结构的俯视图，图5为图1中负泊松比单胞结构的侧视图。本实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料100：在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构10；负泊松比单胞结构10包括：平面六边形单元1、V型单元2和直杆3；平面六边形单元1包括第一平面六边形11和第二平面六边形12；第一平面六边形11包括顺次首尾连接的六个连接杆，第一平面六边形11的连接杆包括第一甲连接杆11a、第二甲连接杆11b、第三甲连接杆11c、第四甲连接杆11d、第五甲连接杆11e和第六甲连接杆11f，第一甲连接杆11a和第六甲连接杆11f相交于第一甲节点1a，第一甲连接杆11a和第二甲连接杆11b相交于第二甲节点1b，第二甲连接杆11b和第三甲连接杆11c相交于第三甲节点1c，第三甲连接杆11c和第四甲连接杆11d相交于第四甲节点1d、第四甲连接杆11d和第五甲连接杆11e相交于第五甲节点1e，第五甲连接杆11e和第六甲连接杆11f相交于第六甲节点1f；第二平面六边形12包括顺次首尾连接的六个连接杆，第二平面六边形12的连接杆包括第一乙连接杆12a、第二乙连接杆12b、第三乙连接杆12c、第四乙连接杆12d、第五乙连接杆12e和第六乙连接杆12f，第一乙连接杆12a和第六乙连接杆12f相交于第一乙节点2a，第一乙连接杆12a和第二乙连接杆12b相交于第二乙节点2b，第二乙连接杆12b和第三乙连接杆12c相交于第三乙节点2c，第三乙连接杆12c和第四乙连接杆12d相交于第四乙节点2d、第四乙连接杆12d和第五乙连接杆12e相交于第五乙节点2e，第五乙连接杆12e和第六乙连接杆12f相交于第六乙节点2f；第一平面六边形11和第二平面六边形12相交于第一线段L，第一甲节点1a和第一乙节点2a重合，第四甲节点1d和第四乙节点2d重合，第一线段L为第一甲节点1a和第四甲节点1d的连线，且第一甲连接杆11a和第一乙连接杆12a具有第一锐角夹角θ1，第三甲连接杆11c和第三乙连接杆12c具有第二锐角夹角θ2，第四甲连接杆11d和第四乙连接杆12d具有第三锐角夹角θ3，第六甲连接杆11f和第六乙连接杆12f具有第四锐角夹角θ4；V型单元2包括第一V型单元21、第二V型单元22、第三V型单元23和第四V型单元24；第一V型单元21包括相连接的连接杆，第一V型单元21的连接杆包括第一丙连接杆21a和第二丙连接杆21b，第一丙连接杆21a和第二丙连接杆21b相交于第一丙节点21c；第二V型单元22包括相连接的连接杆，第二V型单元22的连接杆包括第一丁连接杆22a和第二丁连接杆22b，第一丁连接杆22a和第二丁连接杆22b相交于第一丁节点22c；第三V型单元23包括相连接的连接杆，第三V型单元23的连接杆包括第一戊连接杆23a和第二戊连接杆23b，第一戊连接杆23a和第二戊连接杆23b相交于第一戊节点23c；第四V型单元24包括相连接的连接杆，第四V型单元24的连接杆包括第一己连接杆24a和第二己连接杆24b，第一己连接杆24a和第二己连接杆24b相交于第一己节点24c；第一丙连接杆21a和第一丁连接杆22a相交于第一节点A、第二丙连接杆21b和第二丁连接杆22b相交于第二节点B，第一戊连接杆23a和第一己连接杆24a相交于第三节点C、第二戊连接杆23b和第二己连接杆24b相交于第四节点D；取第一截面S，第一丙节点21c在第一截面S的正投影与第二甲连接杆11b在第一截面S的正投影重叠，且第一戊节点23c在第一截面S的正投影与第二甲连接杆11b在第一截面S的正投影重叠，第一丁节点22c在第一截面S的正投影与第二乙连接杆12b在第一截面S的正投影重叠，且第一己节点24c在第一截面S的正投影与第二乙连接杆12b在第一截面S的正投影重叠，第一节点A、第二节点B、第三节点C以及第四节点D在第一截面S的正投影与平面六边形单元1在第一截面S的正投影无交叠；支杆3与第一线段L的延伸方向相同，包括第一支杆31和第二支杆32，分别连接于第一线段L的两端；
沿第一方向X，相邻负泊松比单胞结构10的第一支杆31的第二支杆32连接，即一个负泊松比单胞结构10的第一支杆31与相邻一个负泊松比单胞结构10的第二支杆32连接，第二节点B与第一节点A连接，第四节点D和第三节点C连接，即一个负泊松比单胞结构10的第二节点B与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第一节点A连接，一个负泊松比单胞结构10的第四节点D与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第三节点C连接；
沿第二方向Y上，相邻负泊松比单胞结构10的第二甲连接杆11b和第五甲连接11e杆连接，第二乙连接杆12b和第五乙连接杆12e连接，即一个负泊松比单胞结构10的第二甲连接杆11b和其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五甲连接杆11e连接，一个负泊松比单胞结构10的第二乙连接杆12b与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五乙连接杆12e连接；
沿第三方向Z，相邻负泊松比单胞结构10的第一丙节点21c和第一丁节点22c连接，第一戊节点23c和第一己节点24c连接；相邻负泊松比单胞结构10的第二甲节点1b和第二乙节点2b连接、第三甲节点1c和第三乙节点2c连接，第五甲节点1e和第五乙节点2e连接，以及第六甲节点1f和第六乙节点2f连接，即一个负泊松比单胞结构10的第一丙节点21c和与其相邻的第一丙节点21c的第一丁节点22c连接，一个负泊松比单胞结构10的第一戊节点23c和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第一己节点24c连接，一个负泊松比单胞结构10的第二甲节点1b和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第二乙节点2b相连，一个负泊松比单胞结构10的第三甲节点1c和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第三乙节点2c相连，一个负泊松比单胞结构10的第五甲节点1e和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五乙节点2e相连，以及一个负泊松比单胞结构10的第六甲节点1f和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第六乙节点2f相连；其中，第一截面S与第二甲连接杆11b和第二乙连接杆12b所在平面平行，第一方向X为第一线段L的延伸方向，第二方向Y与第一方向X垂直，且第二方向Y垂直第一截面S，第三方向Z垂直第一方向Z，且第三方向Z垂直第二方向Y。
其中，图1至图5中仅以第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆为直杆为例，但本身其不限于此，可以根据实际情况具体设置。
可以理解的是，负泊松比(Negative Poisson's Ratio)效应,是指受拉伸时,材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时,材料的横向反而发生收缩。结合图1至图5所示，负泊松比单胞结构10由两个平面六边形单元1、四个V型单元2和两根直杆3组成；两个平面六边形单元1通过第一线段L对称交叉相连，通过第一线段L连接在两根直杆31和32之间，直杆3轴线与第一线段L重合，四个V型单元2连接在两个平面六边形单元1上，两两相连，成对称分布。在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构10，沿第一方向X，相邻负泊松比单胞结构10的第一支杆31的第二支杆32连接，一个负泊松比单胞结构10的第一支杆31与相邻一个负泊松比单胞结构10的第二支杆32连接，第二节点B与第一节点A连接，第四节点D和第三节点C连接，一个负泊松比单胞结构10的第二节点B与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第一节点A连接，一个负泊松比单胞结构10的第四节点D与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第三节点C连接；沿第二方向Y上，相邻负泊松比单胞结构10的第二甲连接杆11b和第五甲连接11e杆连接，第二乙连接杆12b和第五乙连接杆12e连接，一个负泊松比单胞结构10的第二甲连接杆11b和其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五甲连接杆11e连接，一个负泊松比单胞结构10的第二乙连接杆12b与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五乙连接杆12e连接，沿第三方向Z，一个负泊松比单胞结构10的第一丙节点21c和与其相邻的第一丙节点21c的第一丁节点22c连接，一个负泊松比单胞结构10的第一戊节点23c和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第一己节点24c连接，一个负泊松比单胞结构10的第二甲节点1b和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第二乙节点2b相连，一个负泊松比单胞结构10的第三甲节点1c和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第三乙节点2c相连，一个负泊松比单胞结构10的第五甲节点1e和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五乙节点2e相连，以及一个负泊松比单胞结构10的第六甲节点1f和与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第六乙节点2f相连；即基于量子材料原子结构的负泊松比超材料100是由一个以上大小相同的负泊松比单胞结构10在三维空间内周期排列连接而成的立体结构，该立体结构表现出负泊松比效应，表现出显著的负泊松比效应，在较大的应变范围能保持恒定的负泊松比值直至结构发生破坏。
在一些可选的实施例中，继续结合图1至图5所示，本实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料100：负泊松比单胞结构10根据低维量子材料的原子晶胞结构设计。可以理解的是，本实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料100是基于低维量子材料的原子结构来设计了一个宏观的超材料，其中负泊松比单胞结构的一半与低维量子材料的原子结构形式相似。
可选的，低维量子材料为类黑磷烯、类δ磷烯、类五石墨烯、四方过渡金属硫族化合物、过渡金属碳族化合物、硅基化合物或者铜铟磷硫类化合物。其中，类黑磷烯包括黑磷烯、α-砷烯、五磷化硼(BP5)、α-氮化磷(α-PN)、α-氮化砷(α-AsN)、α-氮化锑(α-SbN)；类δ-磷烯包括δ-氮化磷(δ-PN)、δ-氮化砷(δ-AsN)、δ-氮化锑(δ-SbN)、δ-氮化铋(δ-BiN)；类五石墨烯包括五边形石墨烯(P-C)、五边形二氮化硼(P-BN2)、五边形二硒化钯(P-PdSe2)，四方过渡金属硫族化合物包括四方-二硒化钼(T-MoSe2)、四方-二硒化钨(T-WSe2)、四方-二碲化钨(T-WTe2)、四方-二硫化锝(T-TcS2)、四方-二碲化锝(T-TcTe2)、四方-二硫化铼(T-ReS2)、四方-二碲化铼(T-ReTe2)，过渡金属碳族化合物包括碳化钼(Mo2C)、碳化钨(W2C)、三硒化二钯(Pd2Se3)、三硒化二钴(Co2Se3)、三硒化二镍(Ni2Se3)；硅基化合物包括四方-硅烯(T-Si)、六方-二氧化硅(Hα-SiO2)；铜铟磷硫类化合物包括ABP2X6(A＝Ag,Cu；B＝Bi,In；X＝S,Se)。
可选的，低维量子材料不限于上述类黑磷烯、类δ磷烯、类五石墨烯、四方过渡金属硫族化合物、过渡金属碳族化合物、硅基化合物或者铜铟磷硫类化合物，还可以包括其他化合物，包括硼烯、硫化银、氮化钛、六碳化硅、碳化锌、碳化镉、碳化镁、碳化铍或者二碳化五铍。
其中，本发明对低维量子材料的具体材料不做限定，可以根据实际情况选择设置，下文不再赘述。
结合图6所示，图6为三硒化二钴的原子晶胞结构示意图；以低维量子材料为三硒化二钴(Co2Se3)为例，基于量子力学的基本原理，采用第一性原理计算软件针对多种不同类型的低维量子材料进行泊松比行为研究，筛选出具有负泊松比效应的低维量子材料三硒化二钴，三硒化二钴的负泊松比值为-0.20，对低维量子材料三硒化二钴原子晶胞结构的负泊松比机制进行分析。泊松比机制是：当沿x轴方向的外加拉伸/压缩荷载作用在两个V形Co-Se单元的Se原子时，V形单元沿x轴方向发生拉伸/压缩变形，同时也会带动两个相交的平面U形单元沿z轴方向收缩/张开，使得整个原子晶胞结构沿y轴方向也发生拉伸/压缩变形，因而能够在Oxy平面内产生负泊松比效应实现的。据所述负泊松比机制，抓取三硒化二钴原子晶胞结构的原子位置、化学键长度和键角、空间反演对称形式等主要的几何特征。根据所述几何特征，将原子和化学键分别简化为单胞结构的节点和直杆，将原子晶胞结构衍化为由若干直杆连接构成的单胞结构。将单胞结构在三维空间内周期排列连接构成负泊松比超材料，该超材料表现出负泊松比效应，表现出显著的负泊松比效应，在较大的应变范围能保持恒定的负泊松比效应直至结构发生破坏。在一些可选的实施例中，继续结合图1至图5所示，本实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料100：负泊松比单胞结构10的尺寸为a，且10-6≤a≤10-2。第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的空间相对位置及相对长度是根据单个原子晶胞结构的原子相对位置确定，可以理解为，一个三硒化二钴材料的原子晶胞结构，里头包含了两类原子，一共14个原子。每个原子都有固定的位置(坐标)。本发明设计宏观超材料的单胞结构时，就是根据这些坐标值确定结构的具体形状。
在一些可选的实施例中，继续结合图1至图5所示，本实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料100：第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆为直杆或者弯杆。其中，图1至图5中仅以第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆为直杆为例，但本身其不限于此，也可以设置为弯杆，可以根据实际情况具体设置。
可选的，第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的横截面形状为圆形、矩形或环形。本发明对第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的横截面形状不做限定，可以根据实际情况设置，只要保证构成的超材料具有负泊松比效应即属于本发明的保护范围，下文不再赘述。
可选的，当第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的横截面形状为圆形时，第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元234的连接杆和第四V型单元2的连接杆的长度与直径之比为b，10≤b≤20。可以理解的是，当第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元234的连接杆和第四V型单元2的连接杆的长度与直径之比b小于10或者大于20时，会导致超材料的负泊松比性能退化，进而本发明限定10≤b≤20，但本发明对第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元234的连接杆和第四V型单元2的连接杆的长度与直径之比b不做具体数值的限定，在10至20的范围内即可。
其中，本发明仅以第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的横截面形状为圆形为例，当第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的横截面形状为方形或者矩形时，长度与直径之比b可以理解为长度与横截面边长之比，即长度与直径之比b可以根据连接杆横截面的情况相应替换数值，下文不再赘述。
可选的，第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的材料为聚合物或金属。进一步，第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的材料具体可以为树脂、尼龙、铝、铜、钢、铝合金或钛合金，但本发明对该材料不做具体限定，可以根据实际需求进行选择，下文不再赘述。
可选的，第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的材料可以采用3D增材制造技术制造。
本发明还提供一种用于设计上述任意实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的方法，结合图1至图9所示，图7为本发明提供的一种设计方法的流程图，图8为基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的负泊松比变形仿真结果示意图，图9为本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的泊松比应变实验曲线图。本实施例提供的一种用于设计上述任意实施例提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的方法，包括步骤：
步骤S101，采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，利用有限差分法直接计算出材料的弹性常数矩阵Cij，根据Cij与六个泊松比vij的关系计算得到具体的泊松比数值，根据计算结果筛选具有负值泊松比的低维量子材料；
其中，第一性原理计算可以利用Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)，但第一性原理计算并不局限于这个软件，可以根据实际计算需要进行选择，下文不再赘述。
在步骤S101中,低维量子材料具体包括：类黑磷烯、类δ磷烯、类五石墨烯、四方过渡金属硫族化合物、过渡金属碳族化合物、硅基化合物或者铜铟磷硫类化合物，还可以包括其他化合物，例如硼烯、硫化银、氮化钛、六碳化硅、碳化锌、碳化镉、碳化镁、碳化铍或者二碳化五铍。本发明低维量子材料不限于此，只要可以起到负泊松效应的材料均属于本发明的保护范围内，下文不再赘述。
步骤S102，分析低维量子材料原子晶胞结构的负泊松比机理，抓取原子晶胞结构主要的几何构型特征，包括原子位置、化学键长度和键角、空间反演对称形式；
步骤S103，根据几何构型特征，将原子晶胞结构衍化为由若干直杆和弯杆连接构成的单胞结构，将单胞结构在三维空间内周期排列连接构成负泊松比超材料；
步骤S104，采用有限元分析方法计算以及实验方法测量超材料的泊松比大小。
在上述步骤103和104中，采用三维绘图软件形成单胞结构和超材料的模型。
具体可以理解为：
在步骤S101中，基于量子力学的基本原理，采用第一性原理方法计算针对多种不同类型的低维量子材料进行泊松比行为研究，筛选出具有负泊松比效应的代表性低维量子材料三硒化二钴(化学式为Co2Se3)，三硒化二钴的负泊松比值为-0.20；其中，本发明仅示意三硒化二钴为例进行示意，但本阀门提供的设计方法不仅限于筛选出具有负泊松比效应的代表性低维量子材料三硒化二钴，也可以用于筛选出的其他负泊松比材料也可以基于以下类似的方法设计宏观超材料；
在步骤S102，对低维量子材料三硒化二钴原子晶胞结构的负泊松比机制进行分析。泊松比机制是：当沿x轴方向的外加拉伸/压缩荷载作用在两个V形Co-Se单元的Se原子时，V形单元沿x轴方向发生拉伸/压缩变形，同时也会带动两个相交的平面U形单元沿z轴方向收缩/张开，使得整个原子晶胞结构沿y轴方向也发生拉伸/压缩变形，因而能够在Oxy平面内产生负泊松比效应实现的。据所述负泊松比机制，抓取三硒化二钴原子晶胞结构的原子位置、化学键长度和键角、空间反演对称形式等主要的几何特征。
在步骤S103，根据所述几何特征，将原子和化学键分别简化为单胞结构的节点和直杆，将原子晶胞结构衍化为由若干直杆连接构成的单胞结构。将单胞结构在三维空间内周期排列连接构成负泊松比超材料。
负泊松比单胞结构10由两个平面六边形单元1、四个V型单元2和两根直杆3组成；两个平面六边形单元1通过第一线段L对称交叉相连，通过第一线段L连接在两根直杆31和32之间，直杆3轴线与第一线段L重合，四个V型单元2连接在两个平面六边形单元1上，两两相连，成对称分布。其中，第一支杆31的第二支杆32的长度可以为1.22mm，第二甲连接杆11b和第二乙连接杆12b的长度可以为2.44mm，第一甲连接杆11a和第一乙连接杆12a的长度可以为2×2.32mm，V型单元2中的连接杆的长度可以为2×2.38mm，其中，第一甲连接杆11a和第二甲连接杆11b之间的夹角的角度可以为96°，一个V型单元2中两个相连接的连接杆之间的角度可以为68°，以及第一平面六边形11的连接杆、第二平面六边形12的连接杆、第一V型单元21的连接杆、第二V型单元22的连接杆、第三V型单元23的连接杆和第四V型单元24的连接杆的横截面形状是圆形，直径为0.2mm。但本发明不限于此，上述仅是举例说明，可以根据实际情况具体设置，下文不再赘述。
沿第一方向X，相邻负泊松比单胞结构10的第一支杆31的第二支杆32连接，一个负泊松比单胞结构10的第一支杆31与相邻一个负泊松比单胞结构10的第二支杆32连接，第二节点B与第一节点A连接，第四节点D和第三节点C连接，一个负泊松比单胞结构10的第二节点B与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第一节点A连接，一个负泊松比单胞结构10的第四节点D与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第三节点C连接；沿第二方向Y上，相邻负泊松比单胞结构10的第二甲连接杆11b和第五甲连接11e杆连接，第二乙连接杆12b和第五乙连接杆12e连接，一个负泊松比单胞结构10的第二甲连接杆11b和其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五甲连接杆11e连接，一个负泊松比单胞结构10的第二乙连接杆12b与其相邻的一个负泊松比单胞结构10的第五乙连接杆12e连接，结合图1所示，将5×5×1个单胞结构在三维空间内周期排列连接，构成一种基于原子结构的负泊松比超材料。
采用三维绘图软件完成单胞结构和超材料的模型构建。
在步骤S104中，采用有限元分析方法计算以及实验方法测量所述超材料的泊松比大小。
采用有限元分析方法计算所述超材料的泊松比，采用线弹性材料模型，基体材料的弹性模量设置为2GPa，泊松比设置为0.38，采用四面体单元划分网格。部分计算仿真结果如图8所示，虚线代表是未变形的结构，实线代表的是沿着X方向拉伸后的变形结构。由此可见，存在XY平面的负泊松比效应，即超材料沿x轴方向拉伸的同时沿y轴方向发生膨胀，表现出显著的负泊松比效应，泊松比计算值为-0.20。
采用单轴拉伸实验方法测量所述超材料的泊松比。采用3D打印方法制备以尼龙为基体材料的超材料，利用数字散斑非接触式全场应变测量系统测量超材料在拉伸过程的纵向应变和横向应变，获得超材料的泊松比—应变曲线图，如图9所示。所述超材料的泊松比实验值为-0.20。
本实施例中，基于本发明所述一种基于原子结构的负泊松比超材料设计方法而设计的超材料的泊松比值为-0.20，与低维量子材料三硒化二钴的泊松比完全一致，验证了本发明所述设计方法的有效性。同时，本发明所述一种基于原子结构的负泊松比超材料，表现出显著的负泊松比效应，在较大的应变范围能保持恒定的负泊松比效应直至结构发生破坏。
通过以上各实施例可知，本申请存在的有益效果是：
第一、本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，超材料的负泊松比特性与其相对应的低维量子材料原子结构的负泊松比特性基本一致；当外加拉伸/压缩荷载作用在四个V型单元和两根直杆的端点时，V型单元沿平行于荷载方向发生拉伸/压缩变形的同时会带动两个相交的平面六边形单元向结构内/外部变形，使得整个结构沿Y方向也发生拉伸/压缩变形，因而产生负泊松比效应；该特殊的形变机制使得超材料在较大的应变范围内具有稳定的负泊松比值(-0.20)，更具备实际应用的潜力。
第二、本发明提供的一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的设计方法，该方法采用原子结构仿生设计思想，通过模仿低维量子材料中具有负泊松比效应的原子结构的形变机理，可设计一类具备与低维量子材料原子结构负泊松比特性一致的宏观负泊松比超材料，为开发新型负泊松超材料开辟了一条有效的途径。
上面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构；
所述负泊松比单胞结构包括：平面六边形单元、V型单元和直杆；
所述平面六边形单元包括第一平面六边形和第二平面六边形；
所述第一平面六边形包括顺次首尾连接的六个连接杆，所述第一平面六边形的连接杆包括第一甲连接杆、第二甲连接杆、第三甲连接杆、第四甲连接杆、第五甲连接杆和第六甲连接杆，所述第一甲连接杆和所述第六甲连接杆相交于第一甲节点，所述第一甲连接杆和所述第二甲连接杆相交于第二甲节点，所述第二甲连接杆和所述第三甲连接杆相交于第三甲节点，所述第三甲连接杆和所述第四甲连接杆相交于第四甲节点、所述第四甲连接杆和所述第五甲连接杆相交于第五甲节点，所述第五甲连接杆和所述第六甲连接杆相交于第六甲节点；
所述第二平面六边形包括顺次首尾连接的六个连接杆，所述第二平面六边形的连接杆包括第一乙连接杆、第二乙连接杆、第三乙连接杆、第四乙连接杆、第五乙连接杆和第六乙连接杆，所述第一乙连接杆和所述第六乙连接杆相交于第一乙节点，所述第一乙连接杆和所述第二乙连接杆相交于第二乙节点，所述第二乙连接杆和所述第三乙连接杆相交于第三乙节点，所述第三乙连接杆和所述第四乙连接杆相交于第四乙节点、所述第四乙连接杆和所述第五乙连接杆相交于第五乙节点，所述第五乙连接杆和所述第六乙连接杆相交于第六乙节点；
所述第一平面六边形和所述第二平面六边形相交于第一线段，所述第一甲节点和所述第一乙节点重合，所述第四甲节点和所述第四乙节点重合，所述第一线段为所述第一甲节点和所述第四甲节点的连线，且所述第一甲连接杆和所述第一乙连接杆具有第一锐角夹角，所述第三甲连接杆和所述第三乙连接杆具有第二锐角夹角，所述第四甲连接杆和所述第四乙连接杆具有第三锐角夹角，所述第六甲连接杆和所述第六乙连接杆具有第四锐角夹角；
所述V型单元包括第一V型单元、第二V型单元、第三V型单元和第四V型单元；
所述第一V型单元包括相连接的连接杆，所述第一V型单元的连接杆包括第一丙连接杆和第二丙连接杆，所述第一丙连接杆和所述第二丙连接杆相交于第一丙节点；
所述第二V型单元包括相连接的连接杆，所述第二V型单元的连接杆包括第一丁连接杆和第二丁连接杆，所述第一丁连接杆和所述第二丁连接杆相交于第一丁节点；
所述第三V型单元包括相连接的连接杆，所述第三V型单元的连接杆包括第一戊连接杆和第二戊连接杆，所述第一戊连接杆和所述第二戊连接杆相交于第一戊节点；
所述第四V型单元包括相连接的连接杆，所述第四V型单元的连接杆包括第一己连接杆和第二己连接杆，所述第一己连接杆和所述第二己连接杆相交于第一己节点；
所述第一丙连接杆和所述第一丁连接杆相交于第一节点、所述第二丙连接杆和所述第二丁连接杆相交于第二节点，所述第一戊连接杆和所述第一己连接杆相交于第三节点、所述第二戊连接杆和所述第二己连接杆相交于第四节点；
取第一截面，所述第一丙节点在所述第一截面的正投影与所述第二甲连接杆在所述第一截面的正投影重叠，且所述第一戊节点在所述第一截面的正投影与所述第二甲连接杆在所述第一截面的正投影重叠，所述第一丁节点在所述第一截面的正投影与所述第二乙连接杆在所述第一截面的正投影重叠，且所述第一己节点在所述第一截面的正投影与所述第二乙连接杆在所述第一截面的正投影重叠，所述第一节点、所述第二节点、所述第三节点以及所述第四节点在所述第一截面的正投影与所述平面六边形单元在所述第一截面的正投影无交叠；
所述支杆与所述第一线段的延伸方向相同，包括第一支杆和第二支杆，分别连接于所述第一线段的两端；
沿第一方向，相邻所述负泊松比单胞结构的所述第一支杆的所述第二支杆连接，所述第二节点与所述第一节点连接，所述第四节点和所述第三节点连接，沿第二方向上，相邻所述负泊松比单胞结构的所述第二甲连接杆和所述第五甲连接杆连接，所述第二乙连接杆和所述第五乙连接杆连接，沿第三方向，相邻所述负泊松比单胞结构的所述第一丙节点和所述第一丁节点连接，所述第一戊节点和所述第一己节点连接；相邻所述负泊松比单胞结构的所述第二甲节点和所述第二乙节点连接、所述第三甲节点和所述第三乙节点连接，所述第五甲节点和所述第五乙节点连接，以及所述第六甲节点和所述第六乙节点连接，；
其中，所述第一截面与所述第二甲连接杆和所述第二乙连接杆所在平面平行，所述第一方向为所述第一线段的延伸方向，所述第二方向与所述第一方向垂直，且所述第二方向垂直所述第一截面，所述第三方向垂直所述第一方向，且所述第三方向垂直所述第二方向。
2.根据权利要求1所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述负泊松比单胞结构根据低维量子材料的原子晶胞结构设计。
3.根据权利要求2所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述低维量子材料为类黑磷烯、类δ磷烯、类五石墨烯、四方过渡金属硫族化合物、过渡金属碳族化合物、硅基化合物或者铜铟磷硫类化合物。
4.根据权利要求2所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述低维量子材料为硼烯、硫化银、氮化钛、六碳化硅、碳化锌、碳化镉、碳化镁、碳化铍或者二碳化五铍。
5.根据权利要求1所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆为直杆或者弯杆。
6.根据权利要求5所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的横截面形状为圆形、矩形或环形。
7.根据权利要求6所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的横截面形状为圆形，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的长度与直径之比为b，10≤b≤20。
8.根据权利要求5所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，其特征在于，所述第一平面六边形的连接杆、所述第二平面六边形的连接杆、所述第一V型单元的连接杆、所述第二V型单元的连接杆、所述第三V型单元的连接杆和所述第四V型单元的连接杆的材料为聚合物或金属。
9.一种设计权利要求1至8任一所述的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料的方法，其特征在于，包括步骤：
采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，利用有限差分法直接计算出材料的弹性常数矩阵Cij，根据Cij与六个泊松比vij的关系计算得到具体的泊松比数值，根据计算结果筛选具有负值泊松比的低维量子材料；
分析所述低维量子材料原子晶胞结构的负泊松比机理，抓取原子晶胞结构主要的几何构型特征，包括原子位置、化学键长度和键角、空间反演对称形式；
根据所述几何构型特征，将原子晶胞结构衍化为由若干直杆和弯杆连接构成的单胞结构，将单胞结构在三维空间内周期排列连接构成负泊松比超材料；
采用有限元分析方法计算以及实验方法测量所述超材料的泊松比大小。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于，采用三维绘图软件形成所述单胞结构和所述超材料的模型。
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