CN116102873A - 一种负泊松比结构体及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种负泊松比结构体及其制作方法，属于力学超材料技术领域，能够解决现有技术中的负泊松比材料不具备机械性能的自适应性且选材、加工制备复杂的问题，是一种智能负泊松比结构体。本发明的负泊松比结构体，包括负泊松比框架和响应性凝胶，多个阵列排布的胞体单元组成的二维容纳腔架；响应性凝胶为离子液体凝胶或相转变油水凝胶。本发明的响应性凝胶能够在不同环境温度下做出不同的响应行为，进一步，引发硬质框架的变形机制发生变化，实现了结构体整体的智能响应，形成一种智能负泊松比结构体。

Description

一种负泊松比结构体及其制作方法
技术领域
本发明属于力学超材料技术领域，具体涉及一种负泊松比结构体及其制作方法。
背景技术
力学超材料的典型例子是具有负指标的材料，如负泊松比、负压缩性、或负热膨胀性。随着3D打印等制造技术的发展，设计和制备具有特定结构如可重入的、手性的或旋转的几何形状等，来实现材料的负泊松比及其相关应用成为目前力学超材料领域的一个研究热点。与普通材料在垂直于拉力的方向上变薄相反，负泊松比材料在拉伸时向各个方向膨胀，在压缩时向各个方向收缩。这赋予了负泊松比材料如能量吸收、抗断裂等特性，以及通过形成双曲率圆顶来适应弯曲力的能力和抗剪切载荷破坏的能力。由于这些特性，负泊松比材料在许多领域得到了应用，包括碰撞防护、防弹衣、紧固件、医疗设备、运动设备和航空航天技术。目前，已经有大量的相关研究，如中国专利：CN109825087B和CN105860379B。
随着便携式及可穿戴设备和生物传感等领域的飞速发展，人们对材料和结构的智能化提出了更多要求。智能材料通常是指对外界刺激（如热、力等）作出响应的一类材料，显示了自适应性的特点。然而，基于特定结构单元的负泊松比材料的机械性能通常是不具备自适应性的，即在特定结构的生命周期内，一些机械属性如强度和韧性等保持固定。因此，开发负泊松比材料的自适应性，对于拓展其在智能化领域的应用具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种负泊松比结构体及其制作方法，解决了现有技术中的负泊松比材料不具备机械性能的自适应性且选材、加工制备复杂的问题，构成一种智能负泊松比结构体。
本发明提供的一种负泊松比结构体，包括负泊松比框架和响应性凝胶；
负泊松比框架包括多个阵列排布的胞体单元；
胞体单元为内凹蜂窝晶胞单元、手性晶胞单元、多切向梁手性晶胞单元或二维周期性圆孔单元；
胞体单元包括容纳腔；
响应性凝胶为离子液体凝胶或相转变油水凝胶；
响应性凝胶填充于胞体单元的容纳腔内；
其中，离子液体凝胶包括单体甲基丙烯酸异冰片酯40-100份、交联剂0.4-1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双亚胺盐40-100份和光引发剂0.5-2.5份；
相转变油水凝胶包括丙烯酰胺单体40-100份、甲基丙烯酸十八酯单体200-500份、丙烯酸单体1-4份、铝溶胶分散液2-10份，光引发剂2-10份、聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1-5份和水100-300份。
可选地，胞体单元的原材料为热塑性聚氨酯、热塑性弹性体或聚乳酸。
可选地，内凹蜂窝晶胞单元包括上平行壁、下平行壁、第一斜壁、第二斜壁、第三斜壁和第四斜壁；上平行壁、下平行壁、第一斜壁、第二斜壁、第三斜壁和第四斜壁的内侧壁围成的空间构成容纳腔。
可选地，内凹蜂窝晶胞单元的上平行壁的一端与第一斜壁的一端连接，上平行壁的另一端与第二斜壁的一端连接；第一斜壁的另一端与第三斜壁的一端连接，第二斜壁的另一端与第四斜壁的一端连接；下平行壁的一端与第三斜壁的另一端连接，下平行壁的另一端与第四斜壁的另一端连接。
可选地，其特征在于，手性晶胞单元包括第一Z字壁和第二Z字壁，第一Z字壁包括两个第一平行端壁和第一中间壁，两个第一平行端壁分别设置于第一中间壁的两端；第二Z字壁的包括两个第二平行端壁和第二中间壁，两个第二平行端壁分别设置于第二中间壁的两端；其中，一个Z字壁的平行端壁的内侧壁、该Z字壁的中间壁面向该平行端壁的内侧壁的侧壁与另一个Z字壁的中间壁面向该平行端壁的内侧壁的侧壁围成的空间构成容纳腔。
可选地，手性晶胞单元的第一中间壁与第二中间壁在相交设置。
可选地，多切向梁手性晶胞单元包括框形容纳架和多个延伸梁，延伸梁的一端设置于框形容纳架的外侧壁；框形容纳架的内侧壁，以及框形容纳架的外侧壁与多个延伸梁围成的空间构成容纳腔。
可选地，二维周期性圆孔单元为设置有中空圆孔的容纳单元，中空圆孔围成的空间构成容纳腔。
另一方面，本发明提供的一种负泊松比结构体的制作方法，用于制备前述的负泊松比结构体，具体步骤如下：
步骤1、制备负泊松比框架；
步骤2、制备响应性凝胶；
当响应性凝胶为离子液体凝胶时，获取单体甲基丙烯酸异冰片酯40-100份，交联剂0.4-1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双亚胺盐40-100份，光引发剂0.5-2.5份混合均匀得到离子液体凝胶预聚体；
当响应性凝胶为相转变油水凝胶时，获取丙烯酰胺单体40-100份，丙烯酸单体1-4份，铝溶胶分散液2-10份，光引发剂2-6份和聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1-5份加入100-300份水中，磁力搅拌1-3小时得到水相预聚液；称取甲基丙烯酸十八酯单体200-500份和光引发剂1-4份，混合后水浴加热得到油相预聚液；将油相预聚液加入到水相预聚液中，剪切乳化，得到相转变油水凝胶预聚体；
步骤3、将响应性凝胶填充入胞体单元的容纳腔；
步骤4、给填入响应性凝胶的负泊松比框架胶封。
可选地，给填入响应性凝胶的负泊松比框架的开孔与外界接触的末端处进行胶封；胶封时，使用波长为250-550 nm的光照射填充入胞体单元的响应性凝胶0.5-3小时。
与现有技术相比，本发明至少具有现如下有益效果：本发明的材料具备机械性能的自适应性，所使用的原材料选材和制备加工简单。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明负泊松比结构体实施例一的结构示意图；
图2为本发明负泊松比结构体实施例二的结构示意图；
图3为本发明负泊松比结构体实施例三的结构示意图；
图4为本发明负泊松比结构体实施例四的结构示意图。
附图标记：
1.内凹蜂窝晶胞单元；2.响应性凝胶；3.手性晶胞单元；4.多切向梁手性晶胞单元；5.二维周期性圆孔单元。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。另外，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明的一个具体实施例，如图1-4，公开了一种负泊松比结构体，由负泊松比框架和响应性凝胶2组成；
负泊松比框架为由多个阵列排布的胞体单元组成的二维容纳腔架；
胞体单元为内凹蜂窝晶胞单元1、手性晶胞单元3、多切向梁手性晶胞单元4或二维周期性圆孔单元5；
胞体单元包括容纳腔；
响应性凝胶为离子液体凝胶或相转变油水凝胶；
响应性凝胶填充于胞体单元的容纳腔内。
本发明的响应性凝胶能够在不同环境温度下做出不同的响应行为，进一步，引发硬质框架的变形机制发生变化，实现了结构体整体的智能响应，形成一种智能负泊松比结构体。
可选地，胞体单元的原材料为热塑性聚氨酯、热塑性弹性体或聚乳酸。
可选地，内凹蜂窝晶胞单元1包括上平行壁、下平行壁、第一斜壁、第二斜壁、第三斜壁和第四斜壁；上平行壁、下平行壁、第一斜壁、第二斜壁、第三斜壁和第四斜壁的内侧壁围成的空间构成容纳腔；上平行壁的一端与第一斜壁的一端连接，上平行壁的另一端与第二斜壁的一端连接；第一斜壁的另一端与第三斜壁的一端连接，第二斜壁的另一端与第四斜壁的一端连接；下平行壁的一端与第三斜壁的另一端连接，下平行壁的另一端与第四斜壁的另一端连接；平行壁与斜壁的夹角为60°，相邻斜壁的夹角为240°。
可选地，手性晶胞单元包括第一Z字壁和第二Z字壁，第一Z字壁包括两个第一平行端壁和第一中间壁，两个第一平行端壁分别设置于第一中间壁的两端；第二Z字壁的包括两个第二平行端壁和第二中间壁，两个第二平行端壁分别设置于第二中间壁的两端；其中，一个Z字壁的平行端壁的内侧壁、该Z字壁的中间壁面向该平行端壁的内侧壁的侧壁与另一个Z字壁的中间壁面向该平行端壁的内侧壁的侧壁围成的空间构成容纳腔；第一中间壁与第二中间壁在中间位置相交，相交角度为90°；第一Z字壁的相邻壁的夹角均为90°；第二Z字壁的相邻壁的夹角均为90°。
可选地，多切向梁手性晶胞单元包括框形容纳架和多个延伸梁，延伸梁的一端设置于框形容纳架的外侧壁；框形容纳架的内侧壁，以及框形容纳架的外侧壁与多个延伸梁围成的空间构成容纳腔；
优选地，框形容纳架为圆环形中心容纳架；延伸梁设置4个，构成四切向梁手性晶胞单元。
可选地，二维周期性圆孔单元为设置有中空圆孔的容纳单元，中空圆孔围成的空间构成容纳腔。
可以理解的是，本发明中同一壁中的一端与另一端为该壁的两个相对端。
可选地，离子液体凝胶包括单体甲基丙烯酸异冰片酯40-100份、交联剂0.4-1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺盐40-100份和光引发剂0.5-2.5份；其中，光引发剂为二乙氧基苯乙酮。
优选地，交联剂为二甲基丙烯酸乙二醇酯。
优选地，离子液体凝胶包括单体甲基丙烯酸异冰片酯100份、交联剂1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺盐100份和光引发剂二乙氧基苯乙酮2份。
可选地，相转变油水凝胶包括丙烯酰胺单体40-100份、甲基丙烯酸十八酯单体200-500份、丙烯酸单体1-4份、重量比为20 wt.%的铝溶胶分散液2-10份，光引发剂2-10份、聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1-5份和水100-300份；其中，铝溶胶分散液包括氧化铝和水，光引发剂为二乙氧基苯乙酮。
优选地，相转变油水凝胶包括丙烯酰胺单体40份、甲基丙烯酸十八酯单体230份、丙烯酸单体1份、重量比为20wt.%的铝溶胶分散液4份，光引发剂二乙氧基苯乙酮4份、聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末2份和水150份。
本发明的另一个具体实施例，公开了一种负泊松比结构体的制作方法，具体步骤如下：
步骤1、制备负泊松比框架；
通过3D打印将原料打印为由多个胞体单元阵列排布的负泊松比框架。
步骤2、制备响应性凝胶；
当响应性凝胶为离子液体凝胶时，称取单体甲基丙烯酸异冰片酯40-100份，交联剂二甲基丙烯酸乙二醇酯0.4-1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双（三氟甲烷磺酰）亚胺盐40-100份，光引发剂0.5-2.5份混合均匀得到离子液体凝胶预聚体；
当响应性凝胶为相转变油水凝胶时，称取丙烯酰胺单体40-100份，丙烯酸单体1-4份，质量分数为20 wt.%铝溶胶分散液2-10份，光引发剂2-6份和聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1-5份加入100-300份水中，磁力搅拌1-3小时得到水相预聚液；称取甲基丙烯酸十八酯单体200-500份和光引发剂1-4份，混合后水浴加热得到油相预聚液；将油相预聚液加入到水相预聚液中，剪切乳化3-20 min，得到相转变油水凝胶预聚体；优选地，磁力搅拌1小时；剪切乳化6 min。
步骤3、将响应性凝胶填充入胞体单元的容纳腔；
通过原位浸渍聚合法将胞体单元和响应性凝胶原位浸渍聚合填充入负泊松比框架的胞体单元的容纳腔内。
步骤4、给填入响应性凝胶的负泊松比框架胶封；
给填入响应性凝胶的负泊松比框架的开孔与外界接触的末端处进行胶封；
可选地，采用V-704硅橡胶密封胶、V-705硅橡胶密封胶或单组分聚氨酯粘接密封胶作为胶封材料。
可选地，胶封时，使用波长为250-550 nm，优选为368 nm的光照射填充入胞体单元的响应性凝胶0.5-3小时，优选为1-1.2小时。
性能验证：
实施例1中负泊松框架的胞体单元为内凹蜂窝晶胞单元，响应性凝胶为相转变油水凝胶；
实施例2中负泊松框架的胞体单元为手性晶胞单元，响应性凝胶为相转变油水凝胶；
实施例3中负泊松框架的胞体单元为四切向梁手性晶胞单元，响应性凝胶为相转变油水凝胶；
实施例4中负泊松框架的胞体单元为二维周期性圆孔单元，响应性凝胶为相转变油水凝胶；
实施例5中负泊松框架的胞体单元为内凹蜂窝晶胞单元，响应性凝胶为离子液体凝胶；
对比例1使用公开号为CN111171218A中的多重变刚度凝胶,其中负泊松框架的胞体单元为内凹蜂窝晶胞单元；其中，丙烯酰胺单体50份、甲基丙烯酸十八酯单体160份、丙烯酸单体3份、乙二醇二甲基丙烯酸酯9.6份、重量比为20 wt.%的铝溶胶分散液50份，光引发剂5.5份、聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1份和水150份、正十六烷160份、二十八烷120份；其中，铝溶胶分散液包括氧化铝和水，光引发剂为二乙氧基苯乙酮。
对实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和对比例1进行准静态单轴测试。具体为，设置测试环境温度（75℃和25℃）作为变量，压缩速率为（500mm/min），得到应力-应变曲线，实验数据列于表1。
表1 实施例1、实施例2、实施例3、实施例4、实施例5和对比例1进行静态单轴测试的性能对比
由表1可知，本发明制备的智能负泊松比结构材料的机械行为具有温度依赖性。在测试范围内，实施例1-3和5可以实现泊松比的数值可以实现正负变化，同时，其刚度也有约5倍的变化。注意到，实施例4的刚度和泊松比的变化并不显著，这表明相比于二维周期性圆孔框架，内凹蜂窝和手性结构是与离子液体凝胶或相转变油水凝胶相结合使用的优选结构。综上所述，本发明使用响应性凝胶和负泊松比框架二元组分，制得智能负泊松比结构体具有高自适应性和响应快速等优异性能，并且组成简单、易于制造，有望广泛应用于航空航天、可穿戴设备和柔性传感等领域。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种负泊松比结构体，其特征在于，包括负泊松比框架和响应性凝胶；
负泊松比框架包括多个阵列排布的胞体单元；
胞体单元为内凹蜂窝晶胞单元、手性晶胞单元、多切向梁手性晶胞单元或二维周期性圆孔单元；
胞体单元包括容纳腔；
响应性凝胶为离子液体凝胶或相转变油水凝胶；
响应性凝胶填充于胞体单元的容纳腔内；
其中，离子液体凝胶包括单体甲基丙烯酸异冰片酯40-100份、交联剂0.4-1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双亚胺盐40-100份和光引发剂0.5-2.5份；
相转变油水凝胶包括丙烯酰胺单体40-100份、甲基丙烯酸十八酯单体200-500份、丙烯酸单体1-4份、铝溶胶分散液2-10份，光引发剂2-10份、聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1-5份和水100-300份。
2.根据权利要求1所述的负泊松比结构体，其特征在于，胞体单元的原材料为热塑性聚氨酯、热塑性弹性体或聚乳酸。
3.根据权利要求1-2任一项所述的负泊松比结构体，其特征在于，内凹蜂窝晶胞单元包括上平行壁、下平行壁、第一斜壁、第二斜壁、第三斜壁和第四斜壁；上平行壁、下平行壁、第一斜壁、第二斜壁、第三斜壁和第四斜壁的内侧壁围成的空间构成容纳腔。
4.根据权利要求3所述的负泊松比结构体，其特征在于，内凹蜂窝晶胞单元的上平行壁的一端与第一斜壁的一端连接，上平行壁的另一端与第二斜壁的一端连接；第一斜壁的另一端与第三斜壁的一端连接，第二斜壁的另一端与第四斜壁的一端连接；下平行壁的一端与第三斜壁的另一端连接，下平行壁的另一端与第四斜壁的另一端连接。
5.根据权利要求1-2任一项所述的负泊松比结构体，其特征在于，手性晶胞单元包括第一Z字壁和第二Z字壁，第一Z字壁包括两个第一平行端壁和第一中间壁，两个第一平行端壁分别设置于第一中间壁的两端；第二Z字壁的包括两个第二平行端壁和第二中间壁，两个第二平行端壁分别设置于第二中间壁的两端；其中，一个Z字壁的平行端壁的内侧壁、该Z字壁的中间壁面向该平行端壁的内侧壁的侧壁与另一个Z字壁的中间壁面向该平行端壁的内侧壁的侧壁围成的空间构成容纳腔。
6.根据权利要求5所述的负泊松比结构体，其特征在于，手性晶胞单元的第一中间壁与第二中间壁在相交设置。
7.根据权利要求1-2任一项所述的负泊松比结构体，其特征在于，多切向梁手性晶胞单元包括框形容纳架和多个延伸梁，延伸梁的一端设置于框形容纳架的外侧壁；框形容纳架的内侧壁，以及框形容纳架的外侧壁与多个延伸梁围成的空间构成容纳腔。
8.根据权利要求1-2任一项所述的负泊松比结构体，其特征在于，二维周期性圆孔单元为设置有中空圆孔的容纳单元，中空圆孔围成的空间构成容纳腔。
9.一种负泊松比结构体的制作方法，用于制备权利要求1-8任一项所述的负泊松比结构体，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、制备负泊松比框架；
步骤2、制备响应性凝胶；
当响应性凝胶为离子液体凝胶时，获取单体甲基丙烯酸异冰片酯40-100份，交联剂0.4-1份，1-十二烷基-3-甲基咪唑双亚胺盐40-100份，光引发剂0.5-2.5份混合均匀得到离子液体凝胶预聚体；
当响应性凝胶为相转变油水凝胶时，获取丙烯酰胺单体40-100份，丙烯酸单体1-4份，铝溶胶分散液2-10份，光引发剂2-6份和聚(乙二醇)-(丙二醇)-(乙二醇)粉末1-5份加入100-300份水中，磁力搅拌1-3小时得到水相预聚液；称取甲基丙烯酸十八酯单体200-500份和光引发剂1-4份，混合后水浴加热得到油相预聚液；将油相预聚液加入到水相预聚液中，剪切乳化，得到相转变油水凝胶预聚体；
步骤3、将响应性凝胶填充入胞体单元的容纳腔；
步骤4、给填入响应性凝胶的负泊松比框架胶封。
10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征在于，给填入响应性凝胶的负泊松比框架的开孔与外界接触的末端处进行胶封；胶封时，使用波长为250-550 nm的光照射填充入胞体单元的响应性凝胶0.5-3小时。
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