CN115163717A - 一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其包括形状呈内凹六边形的框架结构，在框架结构的两侧设置有向外凸出的折角结构，在框架结构和折角结构之间设置有四边形材料。所述四边形材料为抗拉但不抗压的高分子材料加工制成的。本发明将传统材料的正泊松比与超材料的负泊松比结合起来，所设计的新型复合超材料既能呈现正泊松比又能呈现负泊松比的性质，其在纵向不管受压还是受拉时，横向变形总是向内收缩的。本发明丰富了超材料的功能，扩大了超材料的实际应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及超材料设计领域，具体地说是涉及一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料及其设计方法。
背景技术
泊松比是反映材料横向变形的弹性常数，指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。目前存在着呈现正泊松比的传统材料和负泊松比的超材料。它们在单轴受力时只能呈现单一的泊松比。例如：正泊松比传统材料在纵向单轴受压时，其横向发生膨胀变形；而在纵向单轴受拉时，其横向发生收缩变形。负泊松比超材料恰好相反，在纵向单轴受压时，其横向发生收缩变形；而在纵向单轴受拉时，其横向发生膨胀变形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，该超材料在纵向不管受压还是受拉，横向变形总是向内收缩的。
本发明所采用的技术解决方案是：
一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，包括形状呈内凹六边形的框架结构，在框架结构的两侧设置有向外凸出的折角结构，在框架结构和折角结构之间设置有四边形材料。
优选的，所述四边形材料为抗拉但不抗压的高分子材料加工制成的。
优选的，所述四边形材料是采用玻璃纤维加工制成的；所述框架结构是采用钢材料加工制成的，折角结构是采用铝材料加工制成的。
优选的，所述框架结构是由第一水平段、第一内凹弯折段、第二水平段和第二内凹弯折段依次首尾连接形成；
第一水平段和第二水平段呈平行布置，且长度相等；第一内凹弯折段和第二内凹弯折段呈对称分布；
第一水平段分别和第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间，以及第二水平段分别和第一内凹弯折段和第二内凹弯折段之间均采用活动连接；
所述第一内凹弯折段和第二内凹弯折段均由两个第一直段体组成，两个第一直段体的长度相等，且在端点处采用活动连接。
优选的，所述第一水平段分别和第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间的夹角，以及第二水平段分别和第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间的夹角相等，均为50°到60°。
优选的，所述第一水平段和第一直段体的长度之比为2:1。
优选的，所述折角结构是由两个第二直段体连接形成，折角结构的两端分别与第一水平段和第二水平段的端部活动连接；两个第二直段体之间也采用活动连接，且夹角为160°到180°。
优选的，所述框架结构的厚度和折角结构的厚度相等，所述四边形材料的厚度小于或等于框架结构厚度的1/10，且四边形材料处于框架结构和折角结构的中间截面位置处。
优选的，该复合超材料作为一个结构单元，在X轴方向和Y轴方向呈周期排列。
优选的，将两个如上所述的复合超材料结构单元进行十字交叉，即二者呈垂直布置(一个复合超材料结构单元处于水平面内，另一个复合超材料结构单元处于竖直面内，相应的两个复合超材料结构单元对应的第一水平段和第二水平段均呈交叉固定连接)，这样也能够达到既呈现正泊松比和负泊松比的效果。
本发明还提供如上所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料的设计方法，包括以下步骤：
(1)采用钢材料加工制成第一水平段、第一内凹弯折段、第二水平段和第二内凹弯折段，然后依次首尾连接，得到形状呈内凹六边形的框架结构，该框架结构为负泊松比超材料；
(2)采用铝材料加工制成折角结构，然后在框架结构的两侧分别连接一个折角结构，该折角结构为正泊松比材料；
(3)在折角结构和框架结构的第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间设置有四边形材料，四边形材料呈薄膜状，是由玻璃纤维加工制成的，该四边形材料为正泊松比材料，从而整体形成复合超材料结构单元；
对单元施加Y方向的压力时，框架结构的第一内凹弯折段和第二内凹弯折段在受力后向内收缩，使得四边形材料受拉力，从而带动折角结构向内收缩，呈现负泊松比效应；
对单元施加Y方向的拉力时，折角呈现正泊松比向内收缩，框架结构的第一内凹弯折段和第二内凹弯折段向外扩张，但由于四边形材料抗压力小，所以在折角与框架结构之间力的传播不足以使折角向外扩张，单元呈现正泊松比；
(4)将该复合超材料结构单元在X轴方向和Y轴方向进行周期排列，得到能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料。
本发明的有益技术效果是：
本发明将传统材料的正泊松比与超材料的负泊松比结合起来，所设计的新型复合超材料既能呈现正泊松比又能呈现负泊松比的性质，其在纵向不管受压还是受拉时，横向变形总是向内收缩的。本发明丰富了超材料的功能，扩大了超材料的实际应用范围。
附图说明
图1为本发明中单个复合超材料结构单元的结构原理示意图；
图2为本发明复合超材料结构单元在Y方向受压时的变形示意图；
图3为本发明复合超材料结构单元在Y方向受拉时的变形示意图；
图4为本发明复合超材料结构单元按3×3周期排列所形成整体新型复合超材料的结构示意图，且图中为Y方向受拉时的超材料变形图；
图5为本发明复合超材料结构单元按3×3周期排列所形成整体新型复合超材料的结构示意图，且图中为Y方向受压时的超材料变形图；
图6示出本发明复合超材料结构单元按3×3周期排列所形成整体新型复合超材料在Y方向受力时Y方向与X方向应变关系；
图7为本发明中单个复合超材料结构单元的另一种实施方式，图中示出通过正交连接的三维结构单元。
具体实施方式
现有的传统材料和负泊松比超材料在单轴受压或者受拉时都只能呈现单一的正泊松比或者负泊松比，且目前将负泊松比超材料与正泊松比传统材料的组合中没有能够使其既呈现正泊松比又呈现负泊松比的性质。而本发明通过对负泊松比超材料和传统正泊松比材料进行设计并组合，得到新型复合超材料，当其单轴受压时，内部的负泊松比超材料带动外部的正泊松比传统材料向内收缩，使其呈现负泊松比；当其单轴受拉时，外部的正泊松比传统材料向内收缩，虽然内部负泊松比超材料向外扩张，但传统材料与负泊松比超材料之间的作用力小于正泊松比向内收缩的力，所以新型复合超材料整体还是向内收缩，此时呈现正泊松比。这种新型超材料的设计方法能够使正泊松比传统材料与负泊松比超材料协同工作，使其同时具有正泊松比和负泊松比性质，扩大了材料的属性，为超材料在实际中的应用提供了更多的选择。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，包括形状呈内凹六边形的框架结构11，在框架结构11的左右两侧分别设置有向外凸出的第一折角结构12和第二折角结构13，在框架结构的左侧和第一折角结构12之间设置有第一四边形材料14，在框架结构的右侧和第二折角结构13之间设置有第二四边形材料15。复合超材料整体结构单元呈现上下左右对称。
作为对本发明的进一步设计，所述形状呈内凹六边形的框架结构11是采用钢材料加工制成的，第一折角结构12和第二折角结构13均是采用铝材料加工制成的。所述第一四边形材料14和第二四边形材料15均为抗拉但不抗压的高分子材料或者高强膜材料加工制成的，如四边形材料可采用玻璃纤维加工制成。具体材料性能见表1。
表1
也就是说，内凹六边形的框架结构11为负泊松比超材料，而第一折角结构12、第二折角结构13、第一四边形材料14和第二四边形材料15均为正泊松比材料。图2与图3分别示出复合超材料结构单元在Y方向受压和受拉时的两种状态。如图2所示，对复合超材料整体结构单元施加Y方向的压力时，单元呈现负泊松比效应。这是因为内凹六边形负泊松比超材料在受力后向内收缩，使得两侧四边形材料受拉力，从而带动两侧折角结构向内收缩。如图3所示，对单元施加Y方向的拉力时，单元呈现正泊松比，这是因为受拉力时，折角呈现正泊松比向内收缩，内凹六边形负泊松比超材料向外扩张，但由于四边形材料承受的挤压力很小，或者说虽然内凹六边形负泊松比超材料向外扩张，但四边形材料会适当收缩变形，仍仅具有很小的向外扩张力，所以在折角与内凹六边形负泊松比超材料之间力的传播不足以使折角向外扩张，因此整体上是折角呈现正泊松比向内收缩。
进一步的，所述框架结构11是由第一水平段101、第一内凹弯折段102、第二水平段103和第二内凹弯折段104依次首尾连接形成。第一水平段101和第二水平段103呈平行布置，且长度相等；第一内凹弯折段102和第二内凹弯折段104呈对称分布。第一水平段101分别和第一内凹弯折段102、第二内凹弯折段104之间，以及第二水平段103分别和第一内凹弯折段102和第二内凹弯折段104之间均采用活动连接。所述第一内凹弯折段102和第二内凹弯折段104均由两个第一直段体105组成，两个第一直段体的长度相等，且在端点处采用活动连接。
更进一步的，所述第一水平段101分别和第一内凹弯折段102、第二内凹弯折段104之间的夹角，以及第二水平段103分别和第一内凹弯折段102、第二内凹弯折段104之间的夹角相等，如图1所示，夹角16均为50°到60°。所述第一水平段101和第一直段体105的长度之比为2:1。
进一步的，所述第一折角结构12和第二折角结构13均是由两个第二直段体106连接形成，第一折角结构12和第二折角结构13的两端分别与第一水平段101和第二水平段103的端部活动连接。两个第二直段体106之间也采用活动连接，且夹角为160°到180°，即第二直段体106与复合超材料结构单元横向中心线之间的夹角17为80°到90°。
更进一步的，所述框架结构11的厚度和第一折角结构12、第二折角结构13的厚度相等，框架结构和折角结构的段体，如第一水平段、第二直段体等可呈条形长方体状或细长的圆柱杆状，所述第一四边形材料14和第二四边形材料15均呈平面薄膜状，第一四边形材料14和第二四边形材料15的厚度小于或等于框架结构厚度的1/10，且四边形材料处于框架结构和折角结构的中间截面位置处，即四边形材料所处于的平面也为框架结构和折角结构的中心横截面。在复合超材料结构单元组装时，可对四边形材料施加一定的预应力，预应力对于内凹六边形负泊松比超材料和折角结构产生的变形小于比例极限。
上述复合超材料可作为一个结构单元，在X轴方向和Y轴方向呈周期排列。即制作整体新型复合超材料时，所设计的新型复合超材料单元进行Y方向和X方向的周期排列的固定连接。Y方向相邻的新型复合超材料结构单元可共用一个底边进行首尾相接，且相邻的新型复合超材料结构单元关于其公用的底边对称，该底边即为上述的第一水平段或第二水平段。如图4和图5所示为3×3整体新型复合超材料在Y方向受拉和受压的变形图，由图中可以看出整体新型复合超材料在Y方向受压时呈现负泊松比性质，在受拉时呈现正泊松比性质。
图6展示了3×3整体新型复合超材料在Y方向受力时Y方向与X方向应变关系。由于整体新型复合超材料的X方向横向应变不一致，因此取图5中的位点51与51’之间，位点52与52’之间以及位点53与53’之间的总X位移的平均值来除以变形前位点51与51’之间的X距离作为X方向应变。拉伸应变作为正应变，压缩应变作为负应变。由图6可知，不管Y方向的应变是正的或者负的，其X方向的应变总是负的。也就是说所提出的新型复合超材料在Y方向不管是产生拉伸应变还是压缩应变时，其X方向都产生收缩应变，这也验证了图4和图5的变形。此外，由图6还可以看出当在Y方向产生的拉伸应变还是压缩应变相同时，其X方向产生的收缩变形的大小是不一样的。
上述复合超材料结构单元还可进行其他不同的排列组合，仍然能够达到泊松比正负转换的效果。如图7所示，将两个如图1所示的复合超材料结构单元进行十字交叉，即二者呈垂直布置(一个复合超材料结构单元处于水平面内，另一个复合超材料结构单元处于竖直面内，相应的两个复合超材料结构单元对应的第一水平段和第二水平段均呈交叉固定连接)，这样也能够达到既呈现正泊松比和负泊松比的效果。
本发明还提供一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料的设计方法，包括以下步骤：
(1)采用钢材料加工制成第一水平段101、第一内凹弯折段102、第二水平段103和第二内凹弯折段104，然后依次首尾连接，得到形状呈内凹六边形的框架结构11，该框架结构11为负泊松比超材料。
(2)采用铝材料加工制成折角结构，然后在框架结构的两侧分别连接一个折角结构，即第一折角结构12和第二折角结构13，该折角结构为正泊松比材料。
(3)在第一折角结构12、第二折角结构13分别和框架结构的第一内凹弯折段102、第二内凹弯折段104之间设置有四边形材料，四边形材料呈薄膜状，是由玻璃纤维加工制成的，该四边形材料为正泊松比材料，从而整体形成复合超材料结构单元。
在设计时，还对四边形材料施加一定的预应力，预应力对于内凹六边形负泊松比超材料和折角结构产生的变形小于比例极限。对四边形材料施加预应力的目的，通俗来说是消除褶皱，使其初始即处于张紧状态。
对单元施加Y方向的压力时，框架结构的第一内凹弯折段102和第二内凹弯折段104在受力后向内收缩，使得四边形材料受拉力，从而带动折角结构向内收缩，呈现负泊松比效应。
对单元施加Y方向的拉力时，折角呈现正泊松比向内收缩，框架结构的第一内凹弯折段102和第二内凹弯折段104向外扩张，但由于四边形材料抗压力小，所以在折角与框架结构之间力的传播不足以使折角向外扩张，单元呈现正泊松比。
(4)将该复合超材料结构单元在X轴方向和Y轴方向进行周期排列，得到能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料。
上述方式中未述及的部分采取或借鉴已有技术即可实现。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：包括形状呈内凹六边形的框架结构，在框架结构的两侧设置有向外凸出的折角结构，在框架结构和折角结构之间设置有四边形材料。
2.根据权利要求1所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述四边形材料为抗拉但不抗压的高分子材料加工制成的。
3.根据权利要求2所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述四边形材料是采用玻璃纤维加工制成的；所述框架结构是采用钢材料加工制成的，折角结构是采用铝材料加工制成的。
4.根据权利要求1所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述框架结构是由第一水平段、第一内凹弯折段、第二水平段和第二内凹弯折段依次首尾连接形成；
第一水平段和第二水平段呈平行布置，且长度相等；第一内凹弯折段和第二内凹弯折段呈对称分布；
第一水平段分别和第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间，以及第二水平段分别和第一内凹弯折段和第二内凹弯折段之间均采用活动连接；
所述第一内凹弯折段和第二内凹弯折段均由两个第一直段体组成，两个第一直段体的长度相等，且在端点处采用活动连接。
5.根据权利要求4所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述第一水平段分别和第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间的夹角，以及第二水平段分别和第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间的夹角相等，均为50°到60°。
6.根据权利要求4所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述第一水平段和第一直段体的长度之比为2:1。
7.根据权利要求4所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述折角结构是由两个第二直段体连接形成，折角结构的两端分别与第一水平段和第二水平段的端部活动连接；两个第二直段体之间也采用活动连接，且夹角为160°到180°。
8.根据权利要求1所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：所述框架结构的厚度和折角结构的厚度相等，所述四边形材料的厚度小于或等于框架结构厚度的1/10，且四边形材料处于框架结构和折角结构的中间截面位置处。
9.根据权利要求1所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料，其特征在于：该复合超材料作为一个结构单元，在X轴方向和Y轴方向呈周期排列。
10.如权利要求1-9中任一权利要求所述的一种能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料的设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)采用钢材料加工制成第一水平段、第一内凹弯折段、第二水平段和第二内凹弯折段，然后依次首尾连接，得到形状呈内凹六边形的框架结构，该框架结构为负泊松比超材料；
(2)采用铝材料加工制成折角结构，然后在框架结构的两侧分别连接一个折角结构，该折角结构为正泊松比材料；
(3)在折角结构和框架结构的第一内凹弯折段、第二内凹弯折段之间设置有四边形材料，四边形材料呈薄膜状，是由玻璃纤维加工制成的，该四边形材料为正泊松比材料，从而整体形成复合超材料结构单元；
对单元施加Y方向的压力时，框架结构的第一内凹弯折段和第二内凹弯折段在受力后向内收缩，使得四边形材料受拉力，从而带动折角结构向内收缩，呈现负泊松比效应；
对单元施加Y方向的拉力时，折角呈现正泊松比向内收缩，框架结构的第一内凹弯折段和第二内凹弯折段向外扩张，但由于四边形材料抗压力小，所以在折角与框架结构之间力的传播不足以使折角向外扩张，单元呈现正泊松比；
(4)将该复合超材料结构单元在X轴方向和Y轴方向进行周期排列，得到能够实现泊松比正负转换的新型复合超材料。
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