CN113410652A - 一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料 - Google Patents
一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113410652A CN113410652A CN202110727665.2A CN202110727665A CN113410652A CN 113410652 A CN113410652 A CN 113410652A CN 202110727665 A CN202110727665 A CN 202110727665A CN 113410652 A CN113410652 A CN 113410652A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thermal expansion
- metamaterial
- rod
- triangular
- expansion coefficient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 50
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title abstract description 8
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000010432 diamond Substances 0.000 claims abstract description 17
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 5
- 230000008646 thermal stress Effects 0.000 description 5
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 4
- -1 E1=E2=71.7GPa Chemical compound 0.000 description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 239000004411 aluminium Substances 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012237 artificial material Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000005293 physical law Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
- H01Q15/0006—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
- H01Q15/0086—Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials
Landscapes
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Laminated Bodies (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料,所述超材料的结构包括4个三角形晶格单元,三角形晶格单元中相邻的两条边使用热膨胀系数比较大的基础材料制成,另一条边使用热膨胀系数比较小的基础材料制成;所述4个三角形晶格单元排列形成平面菱形结构,其中热膨胀系数比较大的杆作为所述菱形结构内部的杆,热膨胀系数比较小的杆作为所述菱形结构的边杆,若干所述菱形结构在平面内首尾相连而形成所述超材料。
Description
技术领域
本发明属于超材料技术领域,特别涉及一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料。
技术背景
超材料是指人们在不违背基本的物理学规律的前提下,人工设计出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超材料的性能不仅由其组成的基本材料的性能所决定,而且和它们被设计成的结构有关。力学超材料是超材料中的一大类,是指具有反直觉机械性能的人造材料,如负泊松比材料、负热膨胀材料、负刚度材料等等。
自然界中绝大多数材料具有“热胀冷缩”的性质,即具有正的热膨胀系数。但是材料的热膨胀系数会对一些处于温差比较大工作环境中的仪器带来不利影响,例如,在太空中围绕地球高速运转的卫星,其外壳与地球大气层摩擦,温度高达数百摄氏度,而舱内依然保持室温,巨大的温差容易产生壳体裂纹致使卫星损坏。其次,太空中昼夜温差高达到200℃,航天卫星的太阳能电池板和基板很容易因不协调的热变形而损坏。为了有效解决在诸多工程领域中,因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题,研究人员便期望获得呈现出“冷胀热缩”的负热膨胀材料。虽然自然界中存在一些负热膨胀性质的天然材料,但是这些材料实现负热膨胀性质的温度区间狭窄并且负热膨胀系数比较小,力学性能往往难以满足工程需求,因此学者们便由两种或多种正膨胀材料制备宏观上呈现负热膨胀性质的超材料。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷,本发明旨在于提供一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料,该超材料基于双材料三角形单元在平面内周期性排列设计而成的热膨胀系数可调的二维力学超材料,有效的解决了在诸多工程领域中,因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题,而且拓展了超材料的种类。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料,所述超材料的结构包括4个三角形晶格单元,三角形晶格单元中相邻的两条边使用热膨胀系数比较大的基础材料制成,另一条边使用热膨胀系数比较小的基础材料制成;所述4个三角形晶格单元排列形成平面菱形结构,其中热膨胀系数比较大的杆件作为所述菱形结构内部的杆,热膨胀系数比较小的杆作为所述菱形结构的边杆,若干所述菱形结构在平面内首尾相连而成的所述超材料。
需要说明的是,通过调节所述基础材料的热膨胀系数,或者调节三角形晶格单元的顶角,使所述超材料的宏观热膨胀系数可调节,实现了负热膨胀特性。
本发明的有益效果在于,当作用于平面晶格的温度均匀升高时,构成材料的各个杆件发生轴向伸长,两条热膨胀系数较大的杆件相较于热膨胀系数较小的杆件产生比较大的热变形,由于双材料三角形晶格三条边之间的相互约束,必然使三角形沿热膨胀系数较大杆方向总长度的减小而垂直于此方向高度的增加以维持三角形结构,利用此原理实现三角形晶格热膨胀系数的可调性。故本发明解决了在诸多工程领域中,因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题,而且拓展了超材料的种类。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图;
图2是本发明实施例二的结构示意图;
图3是本发明实施例一的数值仿真结果。
具体实施例
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。
本发明为一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料,所述超材料的结构包括4个三角形晶格单元,三角形晶格单元中相邻的两条边使用热膨胀系数比较大的基础材料制成,另一条边使用热膨胀系数比较小的基础材料制成;所述4个三角形晶格单元排列形成平面菱形结构,其中热膨胀系数比较大的杆件作为所述菱形结构内部的杆,热膨胀系数比较小的杆作为所述菱形结构的边杆,若干所述菱形结构在平面内首尾相连而成的所述超材料。
需要说明的是,通过调节所述基础材料的热膨胀系数,或者调节三角形晶格单元的顶角,使所述超材料的宏观热膨胀系数可调节,实现了负热膨胀特性。
实施例
实施例一
本发明采用四个双材料三角形晶格设计了一种可实现负热膨胀性质的平面菱形单元,如图1a所示。以四个菱形单元在平面内首尾相连的排列方式向外拓展而成的平面材料,如图1b所示。双材料三角形晶格两条边使用热膨胀系数比较大的材料,另一条边使用热膨胀系数比较小的材料。通过调节基础材料的热膨胀系数,或者调节三角形结构的顶角,使二维多胞结构的宏观热膨胀系数可调节,以简单的结构实现了负热膨胀特性。故本发明解决了在诸多工程领域中,因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题,而且拓展了超材料的种类。
三角形结构的∠ACB=θ和构成二维单胞结构的杆BC的长度为L1,横截面积为A1,弹性模量和热膨胀系数分别为E1和α1;杆AB的长度为L2,横截面积为A2,弹性模量和热膨胀系数分别为E2和α2;杆AC的长度为L3,横截面积为A3,弹性模量和热膨胀系数分别为E3和α3。
根据胞元的对称关系,x方向和y方向的等效热膨胀系数相同。下面通过利用ANSYS软件进行数值模拟以验证所述超材料的负热膨胀特性,使用的模型大小在x轴和y轴方向上有8层胞元。使用的单元类型为BEAM189。长度为L1和L2的杆件使用铝的材料参数,即E1=E2=71.7GPa,α1=α2=2.32×10-5/℃。长度为L3的杆件使用铁的材料参数,即E3=80.65GPa,α3=1.22×10-5/℃,材料的初始温度为20℃。构成胞元的杆件横截面积统一取1×1mm2的矩形截面,其中L1=15mm,L2=20mm,分别取值105°,110°,115°,120°,125°。在进行数值模拟求解所示超材料的热膨胀系数时,把材料的温度升至50℃,即温度改变量ΔT=30℃,测出模型的热膨胀系数αx。数值仿真分析结果如图3所示,其中图3不仅反应出该超材料的负热膨胀特性,而且显示了在角度可调节范围内,该超材料的负热膨胀性质随着角度的增大而减弱。
实施例二
本发明采用四个双材料三角形晶格设计了一种可实现负热膨胀性质的菱形单元,如图1a所示。以六个菱形单元在平面内首尾相连的排列方式向外拓展而成的平面材料,如图2所示。其中双材料三角形晶格两条边使用热膨胀系数比较大的材料,另一条边使用热膨胀系数比较小的材料。通过调节基本材料的热膨胀系数,或者调节三角形结构的顶角,使二维多胞结构的宏观热膨胀系数可调节,以简单的结构实现了负热膨胀特性。故本发明解决了在诸多工程领域中,因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题,而且拓展了超材料的种类。
对于本领域的技术人员来说,可以根据以上的技术方案和构思,给出各种相应的改变,而所有的这些改变,都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料,其特征在于,所述超材料的结构包括4个三角形晶格单元,三角形晶格单元中相邻的两条边使用热膨胀系数比较大的基础材料制成,另一条边使用热膨胀系数比较小的基础材料制成;所述4个三角形晶格单元排列形成平面菱形结构,其中热膨胀系数比较大的杆作为所述菱形结构内部的杆,热膨胀系数比较小的杆作为所述菱形结构的边杆,若干所述菱形结构在平面内首尾相连而形成所述超材料。
2.根据权利要求1所述的基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料,其特征在于,通过调节所述基础材料的热膨胀系数,或者调节三角形晶格单元的顶角,使所述超材料的宏观热膨胀系数可调节,实现了负热膨胀特性。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110727665.2A CN113410652B (zh) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | 一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN202110727665.2A CN113410652B (zh) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | 一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN113410652A true CN113410652A (zh) | 2021-09-17 |
CN113410652B CN113410652B (zh) | 2023-01-03 |
Family
ID=77680186
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN202110727665.2A Expired - Fee Related CN113410652B (zh) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | 一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN113410652B (zh) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113915274A (zh) * | 2021-09-29 | 2022-01-11 | 长安大学 | 一种星型-菱形负泊松比结构 |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8142874B1 (en) * | 2009-02-26 | 2012-03-27 | United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Bi-material composite structure with reduced thermal expansion |
CN112701488A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-04-23 | 中山大学 | 一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料 |
-
2021
- 2021-06-29 CN CN202110727665.2A patent/CN113410652B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8142874B1 (en) * | 2009-02-26 | 2012-03-27 | United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Bi-material composite structure with reduced thermal expansion |
CN112701488A (zh) * | 2021-02-02 | 2021-04-23 | 中山大学 | 一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料 |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
J. N. GRIMA等: ""Maximizing negative thermal expansion via rigid unitmodes:a geometry-based approach"", 《THE ROYAL SOCIETY PUBLISHING》 * |
KAI WEI等: ""Planar lattices with tailorable coefficient of thermal expansion and high stiffness based on dual-material triangle unit"", 《JOURNAL OF THE MECHANICS AND PHYSICS OF SOLIDS》 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN113915274A (zh) * | 2021-09-29 | 2022-01-11 | 长安大学 | 一种星型-菱形负泊松比结构 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN113410652B (zh) | 2023-01-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111950095B (zh) | 一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构 | |
Zhang et al. | Automatically assembled large-scale tensegrities by truncated regular polyhedral and prismatic elementary cells | |
Zhou et al. | Design of self-supporting lattices for additive manufacturing | |
CN102708853B (zh) | 一种含共振单元的三维声子功能材料结构及其制作方法 | |
Mizzi et al. | Lightweight mechanical metamaterials designed using hierarchical truss elements | |
CN113410652B (zh) | 一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料 | |
Lim | 2D metamaterial with in-plane positive and negative thermal expansion and thermal shearing based on interconnected alternating bimaterials | |
US20160025344A1 (en) | Low porosity auxetic sheet | |
CN111881531B (zh) | 四面内凹金字塔点阵结构弹性参数计算及无量纲设计方法 | |
WO2018126465A1 (zh) | 一种用于消除薄膜结构拉伸褶皱的优化设计方法 | |
CN104123421A (zh) | 一种基于机电场耦合的静电成形薄膜反射面形态设计方法 | |
CN112420134A (zh) | 泊松比和热膨胀系数可调的新型三维结构及其设计方法 | |
CN111680441B (zh) | 一种适用于热力工况的梯度点阵夹芯板结构 | |
CN111969327B (zh) | 一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料 | |
CN201593240U (zh) | 一种空间网架结构 | |
Zhang et al. | A new design concept of dual-constituent sandwich panel with in-plane zero thermal expansion | |
CN217811577U (zh) | 一种热膨胀自适应桁架支撑结构 | |
CN116692000A (zh) | 智能蒙皮夹心结构、智能蒙皮及变体飞行器 | |
CN112728392A (zh) | 一种具有多种模量和负泊松比性质的二维多胞结构 | |
Zeng et al. | Three-dimensional bi-metallic lattice with multi-directional zero thermal expansion | |
CN114999432A (zh) | 一种结合多单胞带隙的s型声子晶体周期结构 | |
CN116312872A (zh) | 一种热膨胀系数和泊松比均可变号的力学超材料 | |
CN205591345U (zh) | 一种球面单层建筑网壳 | |
CN109990193A (zh) | 一种多级手风琴式蜂窝结构 | |
CN219976111U (zh) | 热膨胀和泊松比可同时调控的超材料胞元及结构 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
GR01 | Patent grant | ||
GR01 | Patent grant | ||
CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20230103 |