CN113488120A - 一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及超材料技术领域。技术方案是：一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：该结构包括由第一连杆、第二连杆、第三连杆组成的两个三角形单元以及设置在两个三角形单元上方并由两条第三连杆与两条第四连杆组成的四边形单元。本发明结构具有获得更小负热膨胀系数的能力。

Description

一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构
技术领域
本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构。
背景技术
超材料是一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或材料。近年来，功能迥异的超材料在各个领域层出不穷。其中，力学超材料，也称机械超材料，是一类可人工调控材料外观和力学特性的超材料，能够实现轻质高刚度、负压缩性、负泊松比、负热膨胀等特性。
热膨胀可调材料作为超材料的一种，在几何参数设计合理的前提下，可以实现热膨胀系数由正到负的调控。目前主流的设计形式有弯曲主导型、拉伸主导型和基于负泊松比结构的改进型：弯曲主导型的设计主要通过双材料双层梁受热弯曲变形原理，减小梁两端距离，可以在不改变结构本身构型的情况下改变其热膨胀系数；拉伸主导型以三角形为基础，由热膨胀系数较大的材料作为底边，热膨胀系数较小的材料作为斜边，受热时，底边膨胀量大于斜边膨胀量，因此三角形两条斜边之间的夹角会增大，从而降低高度方向的膨胀，实现热膨胀系数可调；基于负泊松比结构的改进型主要是在不改变负泊松比结构大体形式的前提下，改变结构中部分杆件的材料或增加辅助杆件的方式引入额外的热应力，就能设计出既具有负泊松比效应，又具有可调热膨胀系数的结构。在许多工程领域，比如航空航天、精密仪器等，热膨胀可调特性有着极高的应用价值。
目前，已经有一些具有热膨胀系数可调的二维超材料结构，如双材料内凹三角形结构，可通过尺寸的设计调控其等效热膨胀系数。但现有超材料能实现的热膨胀系数调控范围较小，灵活性不足，亟需提出一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术中的不足，提供一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构。
本发明的技术方案是：
一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：该结构包括由第一连杆、第二连杆、第三连杆组成的两个三角形单元以及设置在两个三角形单元上方并由两条第三连杆与两条第四连杆组成的四边形单元。
所述四边形单元关于第一对角线对称；所述两个三角形单元关于四边形单元的第一对角线对称；所述两条第一连杆同轴布置。
所述第一连杆、第四连杆为低热膨胀系数材料制成；所述第二连杆、第三连杆为高热膨胀系数材料制成。
所述四边形单元与三角形单元的各连杆横截面均为矩形且大小相同。
所述第一连杆与第四连杆的夹角θ1小于90度；所述第一连杆与第三连杆的夹角θ3小于90度；所述第一连杆与第二连杆夹角的补角θ2大于第一连杆与第三连杆的夹角θ3。
本发明的有益效果是：
三角形单元的第一连杆采用较低热膨胀系数材料制作，三角形单元的第二连杆与第三连杆采用较高热膨胀系数材料制作，当温度升高时，三角形单元各连杆膨胀量不匹配，产生热应力，使得三角形单元发生弯曲变形，对第四连杆产生拉伸或者压缩作用，从而降低或者提高高度方向的尺寸。通过对结构尺寸的合理设计实现高度方向热膨胀系数正、负甚至零的调控。第四连杆采用较低热膨胀系数材料制作，可以使本发明结构具有获得更小负热膨胀系数的能力。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是当θ1＝30°，θ2＝45°，θ3＝30°时，本发明的等效热膨胀系数随D变化而变化的曲线图。
图3是当θ2＝45°，θ3＝30°，D＝100mm时，本发明的等效热膨胀系数随θ1变化而变化的曲线图。
图4是当θ1＝30°，θ3＝30°，D＝100mm时，本发明的等效热膨胀系数随θ2变化而变化的曲线图。
图5是当θ1＝30°，θ2＝45°，D＝100mm时，本发明的等效热膨胀系数随θ3变化而变化的曲线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图，对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1所示，本发明为一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，包括四边形单元与两个三角形单元。
所述三角形单元由第一连杆1、第二连杆2与第三连杆3连接而成，两个三角形单元的结构完全相同。
所述四边形单元布置在两个三角形单元的上方。所述四边形单元由两条第三连杆与两条第四连杆4连接而成。所述四边形单元的第一对角线A不仅是四边形单元的对称轴，四边形单元的第一对角线A还是两个三角形单元的对称轴。
所述对称轴经过第一连杆与第三连杆的交点，并且对称轴垂直于第一连杆，两条第一连杆布置在同一直线上，两条第四连杆的顶端固定连接，第四连杆的底端同时与第二连杆及第三连杆固定连接。
各连杆之间的连接方式均采用固接，各连杆的横截面均为矩形且大小相同，该矩形的尺寸可以是3mm×2mm。
所述第一连杆、第四连杆为低热膨胀系数材料制成，可选用PVA材料，其热膨胀系数约为21e-6/℃，弹性模量约为2.328GPa。所述第二连杆、第三连杆为高热膨胀系数材料制成，可选用尼龙材料，其热膨胀系数约为166e-6/℃,弹性模量约为0.889GPa。
所述第四连杆与第一连杆的夹角为θ1，第一连杆与第二连杆夹角的补角为θ2、第三连杆与第一连杆的夹角为θ3，第四连杆与第一连杆的交点(延长线的交点)到对称轴的距离为D/2。所述θ1的取值为20°至80°，θ3的取值小于90°，θ2的取值大于θ3，D的取值为20mm至160mm。
所述二维超材料结构的热膨胀系数与θ1、θ2、θ3、D有关。当θ1＝20°，θ2＝9°，θ3＝4°，D＝160mm时，该结构的等效热膨胀系数可取到-1438.3e-6/℃；当θ1＝20°，θ2＝160°，θ3＝40.5°，D＝160mm时，该结构的等效热膨胀系数可取到778.41e-6/℃；当θ1＝52°，θ2＝82°，θ3＝32°，D＝70mm时，该结构的等效热膨胀系数接近零，可取到-9.7816e-11/℃，可以看出该结构具有热膨胀系数可调范围大的特点。
图2为当θ1＝30°，θ2＝45°，θ3＝30°时，该结构的等效热膨胀系数随着D变化而变化的曲线图，其中曲线代表解析解，空心圆代表有限元模拟的结果，可以看到，二者吻合良好，该结构的等效热膨胀系数随D值的增大而减小。
图3为当θ2＝45°，θ3＝30°，D＝100mm时，该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，空心圆代表有限元模拟的结果，可以看到，二者吻合良好，该结构的等效热膨胀系数随θ1值的增大先减小再增大，在30°附近取到最小值。
图4为当θ1＝30°，θ3＝30°，D＝100mm时，该结构的等效热膨胀系数随着θ2变化而变化的曲线图，其中曲线代表解析解，空心圆代表有限元模拟的结果，可以看到，二者吻合良好，该结构的等效热膨胀系数随θ2值的增大先减小再增大，在55°附近取到最小值。
图5为当θ1＝30°，θ2＝45°，D＝100mm时，该结构的等效热膨胀系数随着θ3变化而变化的曲线图，其中曲线代表解析解，空心圆代表有限元模拟的结果，可以看到，二者吻合良好，该结构的等效热膨胀系数随θ3值的增大先减小再增大，在12°附近时取到最小值。

Claims (5)

1.一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：该结构包括由第一连杆(1)、第二连杆(2)、第三连杆(3)组成的两个三角形单元以及设置在两个三角形单元上方并由两条第三连杆与两条第四连杆(4)组成的四边形单元。
2.根据权利要求1所述的一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：所述四边形单元关于第一对角线(A)对称；所述两个三角形单元关于四边形单元的第一对角线(A)对称；所述两条第一连杆同轴布置。
3.根据权利要求2所述的一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：所述第一连杆、第四连杆为低热膨胀系数材料制成；所述第二连杆、第三连杆为高热膨胀系数材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：所述四边形单元与三角形单元的各连杆横截面均为矩形且大小相同。
5.根据权利要求4所述的一种热膨胀系数可调范围大的二维超材料结构，其特征在于：所述第一连杆与第四连杆的夹角θ1小于90度；所述第一连杆与第三连杆的夹角θ3小于90度；所述第一连杆与第二连杆夹角的补角θ2大于第一连杆与第三连杆的夹角θ3。
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