CN114523662A - 一种三维超材料功能构件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维超材料功能构件及其制作方法，功能构件包括若干可拆卸连接的三维超材料胞元，每个三维超材料胞元由至少一种二维超材料单元组成，每个二维超材料单元包括若干中心对称的二维超材料基础单元，三维超材料胞元按空间阵列方式排布。二维超材料单元为刚性超材料单元S_Pi、柔性超材料单元S_Qi、负泊松比超材料单元S_Zi以及扭转超材料单元S_Ti；本发明通过选用不同二维超材料单元，将其组装成为具有不同拓扑结构及力学性能的三维超材料胞元，实现三维超材料胞元在载荷作用下多个方向上结构变形的可设计性。本发明的二维超材料基础单元结构简单，采用增材制造、激光切割等制造方法，能有效实现大批量制造，降低制造成本，提高制造效率。

Description

一种三维超材料功能构件及其制作方法

技术领域

本发明涉及超材料结构技术领域，具体涉及一种三维超材料功能构件及其制作方法。

背景技术

近年来，航空航天等工程技术领域对轻质、高强结构材料的需求日益增加，这使得力学超材料这一周期性有序结构成为研究的热点。力学超材料是一种具有特殊力学性能的微结构，不同于材料的物理属性，其力学性能主要由几何结构决定。根据力学超材料泊松比的大小，力学超材料可分为负泊松比拉胀材料、零泊松比柔性材料及正泊松比刚性材料。相比于一般的材料，其力学性能具有一定可设计性，且在载荷的作用下不同的力学超材料将发生不同的结构变化，这样的特性使得力学超材料在航空航天等工业领域具有广阔的应用前景。

传统力学超材料的设计思路通常以单个三维胞元结构为基础，将其设计为连续的整体结构并进行整体制造，这一设计方法下生产的力学超材料只能满足单一的工程问题，后续根据工程条件的变化而调整整体结构的方法过于复杂。从生产工艺角度来看，大部分力学超材料由于其结构复杂，主要采用增材制造技术打印连续的整体结构，将受到工艺和机器平台打印空间的限制，无法快速制备大规模的力学超材料结构，限制了力学超材料在实际工程中的应用，因此设计出具有更普遍的适用性的力学材料结构有着十分重要的研究意义和广阔的应用前景。

中国专利文献号CN112140647A中描述了一种三维负泊松比结构的制造方法及应用，通过3D打印制备三维负泊松比整体结构并与面板焊接形成点阵夹芯结构，该结构承载效率高，在载荷作用下具有抗冲击和高能量吸收等优异力学性能。但在工程问题中，我们需要根据实际需求设计载荷条件下力学超材料各个方向的不同力学性能，同时受制于3D打印工艺要求，该技术无法高效制备大规模结构，当结构出现损坏时，无法替换单个受损胞元，降低了超材料结构的使用效率。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种三维超材料功能构件及其制作方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种三维超材料功能构件，包括若干可拆卸连接的三维超材料胞元，每个所述三维超材料胞元由至少一种二维超材料单元组成，每个所述二维超材料单元包括若干二维超材料基础单元，所述三维超材料胞元按空间阵列方式排布。

为本发明所优选的是，所述二维超材料单元为刚性超材料单元S_Pi、柔性超材料单元S_Qi、负泊松比超材料单元S_Zi以及扭转超材料单元S_Ti中的任意一种，i为每个二维超材料单元中二维超材料基础单元的数量；

所述三维超材料胞元的胞元构型为S_3D（S_M（n），T_N），其中S_M∈{S_Pi，S_Qi，S_Zi，S_Ti}，n为二维超材料单元的数量，T_N为三维超材料胞元空间阵列方式。

为本发明所优选的是，所述刚性超材料单元的二维超材料基础单元为刚性杆件，所述刚性超材料单元为刚性杆件头尾相连形成的矩形结构。

为本发明所优选的是，所述柔性超材料单元的二维超材料基础单元为中部具有折叠弯曲结构的柔性杆件，所述柔性超材料单元为柔性杆件头尾相连形成的矩形结构。

为本发明所优选的是，所述负泊松比超材料单元的二维超材料基础单元为负泊松比材料构成的八字拱形件，所述负泊松比超材料单元为八字拱形件拼接而成的内凹十六边形结构。

为本发明所优选的是，所述扭转超材料单元的二维超材料基础单元为一个圆环和若干个环绕圆环扭转的八字形结构件，所述扭转超材料单元为八字形结构件沿圆环切线方向均匀设置构成的单向螺旋结构。

为本发明所优选的是，所述二维超材料基础单元的横截面为矩形截面、梯形截面、圆形横截面以及菱形横截面中的任意一种或多种组合。

为本发明所优选的是，所述二维超材料单元通过固定连接组成三维超材料胞元。

为本发明所优选的是，所述二维超材料基础单元通过3D打印生成。

一种三维超材料功能构件的制作方法，包括：

将二维超材料基础单元连接形成二维超材料单元；

选择所述二维超材料单元的种类和个数，并组合形成三维超材料胞元；

将若干所述三维超材料胞元按照通过可拆卸方式连接形成空间阵列，得到三维超材料功能构件。

相对于现有技术，本发明的有益效果在于：

1、本发明通过设计及选用不同二维超材料单元，将其组装成为具有不同拓扑结构及力学性能的三维超材料胞元，实现三维超材料胞元在载荷作用下多个方向上结构变形的可设计。

2、本发明的二维超材料基础单元结构简单，采用增材制造、激光切割、模具制造等制造方法，能有效实现大批量制造，降低制造成本，提高制造效率。

3、本发明中胞元构型设计实现了三维超材料结构的空间可扩展性，解决了增材制造技术对于大型超材料结构制造的困难。

4、本发明中的超材料结构可拆卸、替换和维修，避免了部分结构由于制造、破坏或其他问题使得超材料整体结构失效，这提高了超材料整体结构的使用效率。

附图说明

图1（a）为本发明实施例中刚性超材料单元S_P4的结构示意图；

图1（b）为本发明实施例中柔性超材料单元S_Q4的结构示意图；

图1（c）为本发明实施例中负泊松比超材料单元S_Z4的结构示意图；

图1（d）为本发明实施例中扭转超材料单元S_T4的结构示意图；

图2（a）为本发明实施例一种三维超材料胞元中二维超材料单元的空间排布方法；

图2（b）为本发明实施例另一种三维超材料胞元中二维超材料单元的空间排布方法；

图3（a）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元的结构示意图；

图3（b）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Q4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元的结构示意图；

图3（c）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Z4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元的结构示意图；

图3（d）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_T3（4），T_Octahedron）的三维超材料胞元的结构示意图；

图4（a）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Z轴方向压缩载荷下变形示意图；

图4（b）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Q4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Z轴方向压缩载荷下变形示意图；

图4（c）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Z4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Z轴方向压缩载荷下变形示意图；

图4（d）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_T3（4），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Z轴方向压缩载荷下变形示意图；

图5（a）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元的结构示意图；

图5（b）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Z轴方向压缩载荷下变形示意图；

图5（c）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Y轴方向压缩载荷下变形示意图；

图6（a）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元的结构示意图；

图6（b）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Z轴方向压缩载荷下变形示意图；

图6（c）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元受Y轴方向压缩载荷下变形示意图；

图7为本发明实施例中一种大型三维超材料功能构件的结构示意图；

图8（a）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（2）S_T3（8），T_Cubiod）的三维超材料胞元的结构示意图；

图8（b）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（2）S_T3（8），T_Cubiod）的三维超材料胞元在XOZ平面受Z轴方向压缩载荷时的变形示意图；

图8（c）为本发明实施例中胞元构型为S_3D（S_P4（2）S_T3（8），T_Cubiod）的三维超材料胞元在XOY平面受沿X轴正方向向Y轴正方向偏转45°方向上的压缩载荷时的变形示意图。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。例如下述的“上”、“下”、“前”、“后”等指示方位或位置关系的词语仅基于附图所示的方位或位置关系，仅为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置/元件必须具有特定的方位或以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如在本说明书中所使用的，单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数对象，复数形式“多个”包括两个以上的对象，除非内容另外明确指出外。如在本说明书中所使用的，术语“或”通常是以包括“和/或”的含义而进行使用的，除非内容另外明确指出外，以及术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接。可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。

请参阅图1（a）-图1（d），本发明实施例中二维超材料单元为刚性超材料单元S_Pi、柔性超材料单元S_Qi、负泊松比超材料单元S_Zi以及扭转超材料单元S_Ti，其中i为每个二维超材料单元中二维超材料基础单元的数量。

例如，图1（a）中刚性超材料单元S_P4由四个刚性杆件头尾相连构成，呈矩形结构；图1（b）中柔性超材料单元S_Qi由中部具有折叠弯曲结构的柔性杆件头尾相连构成，呈矩形结构；图1（c）中负泊松比超材料单元S_Zi由四个八字拱形件构成内凹十六边形结构；图1（d）中扭转超材料单元S_Ti呈单向螺旋结构，包括一个圆环和四个环绕圆环扭转的八字形结构件，其中八字形结构件沿圆环切线方向均匀设置。

请参阅图2（a）-图2（b），本发明实施例公开了两种三维超材料胞元中二维超材料单元的空间排布方法，其中一种如图2（a）所示，第一种三维超材料胞元的胞元构型为S_3D（S_M（3），T_Octahedron）,其中T_Octahedron代表该三维超材料胞元为八面体结构，该三维超材料胞元中具有三个二维超材料单元，其中两个二维超材料单元沿各自对角线交错并相互垂直，然后再将一二维超材料单元的顶点与上述两个二维超材料单元的顶点（不包括上述相互垂直的二维超材料单元重合的顶点）重合。另一种如图2（b）所示，其胞元构型为S_3D（S_M（4），T_Octahedron），由四个二维超材料单元分别通过各自顶点互相连接构成，其中，任一二维超材料单元与其他任一二维超材料单元之间只有一个连接点，且两者之间的角度小于90°。

在本发明的另一个实施例中，刚性超材料单元S_Pi、柔性超材料单元S_Qi、负泊松比超材料单元S_Zi以及扭转超材料单元S_Ti中二维超材料基础单元的横截面为矩形截面。

请参阅图3（a），图中为胞元构型是S_3D（S_P4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元的立体结构示意图；

请参阅图3（b），图中为胞元构型为S_3D（S_Q4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元的立体结构示意图；

请参阅图3（c），图中为胞元构型为S_3D（S_Z4（3），T_Octahedron）的三维超材料胞元的立体结构示意图；

请参阅图3（d），图中为胞元构型为S_3D（S_T3（4），T_Octahedron）的三维超材料胞元的立体结构示意图。

将上述四种三维超材料胞元进行三维空间坐标系Z轴方向上的施压形成如图4（a）-图4（d）的压缩载荷下变形示意图。

其中，可以得知刚性超材料单元S_P4整体形状呈正方形，由刚性超材料单元S_P4构成的三维超材料胞元具有良好的承载性能，在承受沿Z轴方向的外部压缩或冲击载荷时，该三维超材料胞元在平行于XOY平面的方向发生扩展，整体结构呈现刚性。

柔性超材料单元S_Q4在承受X轴或Y轴方向的外部压缩载荷时，载荷将沿柔性杆件方向加载，大部分形变发生在柔性杆件的折叠弯曲结构上，折叠弯曲结构将垂直于载荷方向的形变相互抵消。通过结合图4（b）可以知道柔性超材料单元S_Q4构成的三维超材料胞元具有良好的回弹性能，在承受平行于Z轴外部压缩或冲击载荷时，垂直于载荷方向的形变能够由柔性杆件抵消，呈现零泊松比性能。

由负泊松比超材料单元S_Z4构成的三维超材料胞元在承受沿Z轴方向外部压缩载荷时，载荷将由三维超材料胞元传递至负泊松比超材料单元S_Z4上的八字拱形件，这些八字拱形件的内凹结构沿垂直于载荷方向收缩，使整体结构呈现负泊松比特性。

扭转超材料单元S_T4在承受X轴或Y轴方向的外部压缩时，载荷将沿八字形结构件方向延伸加载，由于八字形结构件与扭转超材料单元S_T4的中心存在偏置且结构并不对称，因此在载荷作用下该三维超材料胞元将会沿圆环切线方向扭转。

结合图4（d），由扭转超材料单元S_T4构成的三维超材料胞元在承受沿Z轴方向外部压缩载荷时，四个扭转超材料单元S_T4各自发生扭转形变，这些扭转超材料单元S_T4的扭转形变在连接处发生耦合，使整体结构发生定向的扭转。

请参阅图5（a）-图6（c），本发明实施例另外提供了两种三维超材料胞元，图5（a）-图5（c）为胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元的立体结构图及压缩载荷下变形示意图，图6（a）-图6（c）为胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元的立体结构图及压缩载荷下变形示意图。上述的两种三维超材料胞元以S_3D（S_Q4（3），T_Octahedron）为基础，该三维超材料胞元整体呈现零泊松比性能，通过拆卸、组装、拼接的方法替换两种不同性能的二维超材料单元，利用刚性超材料单元S_P4与负泊松比超材料单元S_Z4来实现对三维超材料胞元力学性能的重新设计，使其在不同方向上具有不同的力学性能。

其中，如图5（b）所示，胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元在承受沿Z轴方向的压缩载荷时，由前述可知平行于载荷方向的刚性超材料单元S_P4在垂直于载荷方向均不发生形变，仅发生沿Z轴方向的压缩形变，使三维超材料胞元在XOZ平面具有零泊松比性能。胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元在承受沿X轴方向的压缩载荷时，三维超材料胞元中的刚性超材料单元S_P4将沿X轴方向发生位移形变，在XOY平面内，三维超材料胞元由正方形近似沿X轴方向拉伸成为菱形，使该三维超材料胞元在XOY平面内具有正泊松比性能。

本实施例在不改变基础三维超材料胞元拓扑结构的基础上，通过组装方法用负泊松比超材料单元S_Z4替换负泊松比超材料单元S_Z4，展现本实施例中力学超材料单元可拆卸、替换的功能，实现三维超材料功能构件力学性能的重新设计。

如图6（a）所示，通过将负泊松比超材料单元S_Z4替换刚性超材料单元S_P4，形成胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元，在图6（b）中该三维超材料胞元在承受沿Z轴方向的压缩载荷时，由前述可知平行于载荷方向的柔性超材料单元S_Q4在垂直于载荷方向均不发生形变，柔性超材料单元S_Q4仅发生沿Z轴方向的压缩形变，使胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元在XOZ平面的力学性能与前述胞元构型为S_3D（S_P4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元保持一致。

如图6（c）所示，对胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元施加Y轴方向的压缩载荷，由前述负泊松比超材料单元S_Z4力学性能可知，

胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元中的负泊松比超材料单元S_Z4将沿X轴方向发生收缩形变，三维超材料胞元发生内缩形变，使胞元构型为S_3D（S_Z4（1）S_Q4（2），T_Octahedron）的三维超材料胞元在XOY平面内具有负泊松比性能。

如图7所示，本实施例的三维超材料胞元间可以相互连接，构成多层级大型三维超材料功能构件，该大型三维超材料功能构件仍具有单个三维超材料胞元的特殊力学性能，

当单个三维超材料胞元出现损坏时，可以通过拆卸替换单个受损胞元，提高了三维超材料功能构件的使用效率，实现了高效制备大规模超材料结构的方法。

如图8（a）-图8（c）所示，本实施例提供了一种胞元构型为S_3D（S_P4（2）S_T3（8），T_Cubiod）的三维超材料胞元，其中T_Cubiod代表该三维超材料胞元为长方体结构。该三维超材料胞元在承受沿Z轴方向的压缩载荷时，由前述可知载荷将沿八字形结构件方向加载，由于在单个扭转超材料单元S_T4中八字形结构件与扭转超材料单元S_T4的中心存在偏置且结构并不对称，因此在载荷作用下该三维超材料胞元将会沿圆环切线方向扭转，对于胞元构型为S_3D（S_P4（2）S_T3（8），T_Cubiod）的三维超材料胞元，上层的四个扭转超材料单元S_T4沿顺时针扭转，下层的四个扭转超材料单元S_T4沿逆时针方向扭转，三维超材料胞元在XOZ平面具有扭转性能。

如图8（c）所示，对胞元构型为S_3D（S_P4（2）S_T3（8），T_Cubiod）的三维超材料胞元在XOY平面内沿X轴正方向及Y轴正方向偏转45°施加压缩载荷时，三维单元中的刚性超材料单元S_P4将发生位移形变，在XOY平面内，三维超材料胞元由正方形近似拉伸成为菱形，使该三维超材料胞元在XOY平面内具有正泊松比性能。

本发明实施例还提供了一种三维超材料功能构件的制作方法，包括：

将二维超材料基础单元连接形成二维超材料单元；

选择二维超材料单元的种类和个数，并组合形成三维超材料胞元；

将若干三维超材料胞元按照通过可拆卸方式连接形成空间阵列，得到三维超材料功能构件。

本发明通过对三维超材料功能构件的设计，实现从二维力学超材料到三维力学超材料功能的可设计，同时通过对二维力学超材料种类及三维力学超材料胞元拓扑结构的选取，实现了具有复合力学性能的三维力学超材料的结构设计，该方法可适用于超材料结构在多个方向受载的场景和三维超材料在多个方向具有不同的力学性能的工程需求。

本实施例中二维超材料基础单元均采用3D打印制造，由于其结构简单，制造时不需要另外添加支撑结构，提高了工作效率。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (10)

1.一种三维超材料功能构件，其特征在于：包括若干可拆卸连接的三维超材料胞元，每个所述三维超材料胞元由至少一种二维超材料单元组成，每个所述二维超材料单元包括若干二维超材料基础单元，所述三维超材料胞元按空间阵列方式排布。

2.根据权利要求1所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述二维超材料单元为刚性超材料单元S_Pi、柔性超材料单元S_Qi、负泊松比超材料单元S_Zi以及扭转超材料单元S_Ti中的任意一种，i为每个二维超材料单元中二维超材料基础单元的数量；

所述三维超材料胞元的胞元构型为S_3D（S_M（n），T_N），其中S_M∈{S_Pi，S_Qi，S_Zi，S_Ti}，n为二维超材料单元的数量，T_N为三维超材料胞元空间阵列方式。

3.根据权利要求2所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述刚性超材料单元的二维超材料基础单元为刚性杆件，所述刚性超材料单元为刚性杆件头尾相连形成的矩形结构。

4.根据权利要求2所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述柔性超材料单元的二维超材料基础单元为中部具有折叠弯曲结构的柔性杆件，所述柔性超材料单元为柔性杆件头尾相连形成的矩形结构。

5.根据权利要求2所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述负泊松比超材料单元的二维超材料基础单元为负泊松比材料构成的八字拱形件，所述负泊松比超材料单元为八字拱形件拼接而成的内凹十六边形结构。

6.根据权利要求2所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述扭转超材料单元的二维超材料基础单元为一个圆环和若干个环绕圆环扭转的八字形结构件，所述扭转超材料单元为八字形结构件沿圆环切线方向均匀设置构成的单向螺旋结构。

7.根据权利要求1-6任一项所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述二维超材料基础单元的横截面为矩形截面、梯形截面、圆形横截面以及菱形横截面中的任意一种或多种组合。

8.根据权利要求1所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述二维超材料单元通过固定连接组成三维超材料胞元。

9.根据权利要求1所述的三维超材料功能构件，其特征在于：所述二维超材料基础单元通过3D打印生成。

10.一种三维超材料功能构件的制作方法，其特征在于，包括：

将二维超材料基础单元连接形成二维超材料单元；

选择所述二维超材料单元的种类和个数，并组合形成三维超材料胞元；

将若干所述三维超材料胞元通过可拆卸方式连接形成空间阵列，得到三维超材料功能构件。

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