一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构制造技术

本发明专利技术公开一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，由若干三维单胞结构通过空间周期阵列得到，三维单胞结构由四个形状、大小以及材料组合方式完全相同的平面单元在空间中拼接得到，平面单元为两个三角形结构组成的四边形平面结构或四个三角形结构组合而成的组合四边形平面结构，三角形结构的三条边分别使用三种不同的材料，材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数可调，三角形结构的三个顶角可调。本发明专利技术的有益效果是：采用三角形结构作为三维单胞结构的平面基本单元，通过调节三角形结构的顶角，使到三维多胞结构的泊松比和热膨胀系数可调节，以简单的结构实现了负泊松比和负热膨胀特性。

【技术实现步骤摘要】
一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构
本专利技术涉及超材料
，尤其涉及一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维结构。
技术介绍
超材料是指具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工材料，其在吸能耗能、声学、光学、机械性能等方面具有极大的优势。力学超材料又称机械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，如拉胀材料、负压缩性材料、负热膨胀材料、模式转换可调刚度材料等。拉胀材料也称负泊松比材料，是泊松比为负值的材料，此类材料具有优异的抗剪切能力、抗压痕阻力和吸能能力。负热膨胀材料是指具有负的热膨胀系数的材料，此类材料呈现出“冷胀热缩”的反常特性。这些奇特的性质在航空航天、机械交通、生物医学工程、微型机械中的传感设备等诸多领域显示出巨大的应用前景。而现有的三维超材料中能同时调节泊松比和热膨胀系数的种类十分有限，使用范围过于局限。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，主要解决能同时调节泊松比和热膨胀系数的三维结构种类少的问题。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，由若干三维单胞结构通过空间周期阵列得到，三维单胞结构由四个平面单元在空间中拼接得到，平面单元为两个三角形结构组成的四边形平面结构或四个三角形结构组合而成的组合四边形平面结构，三角形结构的三条边分别使用三种不同的材料，所述材料的抗拉刚度和热膨胀系数可调，三角形结构的三个顶角可调。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用三角形结构作为三维单胞结构的平面基本单元，通过调节三角形结构的顶角，或调节材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数，使三维多胞结构的泊松比和热膨胀系数可调节，以简单的结构实现了负泊松比和负热膨胀特性。当三维多胞结构材料受拉伸、压缩或者外界温度变化时，构成材料的各个杆件发生轴向伸长或缩短，由于各个杆件选择了不同的几何参数和材料组合，使得三维多胞结构材料的宏观泊松比和热膨胀系数能够在正、近零、负之间变化，故本专利技术可应用于同时具有机械敏感性和温度敏感性的元器件制造中。附图说明图1是本专利技术的实施例一的三维多胞结构的示意图；图2是本专利技术的实施例一的三维单胞结构的示意图1；图3是本专利技术的实施例一的三维单胞结构的示意图2；图4是本专利技术的实施例一的三维单胞结构的平面展开图；图5是本专利技术的实施例二的三维多胞结构的示意图；图6是本专利技术的实施例二的三维单胞结构的示意图1；图7是本专利技术的实施例二的三维单胞结构的示意图2；图8是本专利技术的实施例二的三维单胞结构的平面展开图；图9是本专利技术的实施例三的三维多胞结构的示意图；图10是本专利技术的实施例三的三维单胞结构的示意图；图11是本专利技术的实施例四的三维多胞结构的示意图；图12是本专利技术的实施例四的三维单胞结构的示意图；图13a和13b是本专利技术实施例一的数值仿真分析图，其中，图13a表示随着的变化，结构的泊松比(νxy,νxz,νzx)变化情况，图13b表示随着的变化，结构的热膨胀系数(αx,αz)变化情况；图14a和14b是本专利技术实施例二的数值仿真分析图，其中，图14a表示随着的变化，结构的泊松比(νxy,νxz,νzx)变化情况，图14b表示随着的变化，结构的热膨胀系数(αx,αz)变化情况。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术的内容做进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，而非对本专利技术的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅表示出了与本专利技术相关的部分而非全部内容。本专利技术提出了一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，由若干三维单胞结构通过空间周期阵列得到，所述三维单胞结构由四个形状、大小以及材料组合方式完全相同的平面单元在空间中拼接得到，平面单元为两个三角形结构组成的四边形平面结构或四个三角形结构组合而成的组合四边形平面结构，三角形结构的三条边分别使用三种不同的材料，所述材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数可调，三角形结构的三个顶角可调。本专利技术采用三角形结构作为三维单胞结构的平面基本单元，通过调节三角形结构的顶角，或调节材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数，使三维多胞结构的泊松比和热膨胀系数可调节，以简单的结构实现了负泊松比和负热膨胀特性。当三维多胞结构材料受拉伸、压缩或者外界温度变化时，构成材料的各个杆件发生轴向伸长或缩短，由于各个杆件选择了不同的几何参数和材料组合，使得三维多胞结构材料的宏观泊松比和热膨胀系数能够在正、近零、负之间变化，故本专利技术可应用于同时具有机械敏感性和温度敏感性的元器件制造中。另外，该三维多胞结构主要基于三角形单元，变形以拉压为主，因此具有较高的刚度。作为本专利技术的又一种优选实施方案，上述的三角形结构的其中两条边使用同种材料，第三条边使用与同种材料不同杨氏模量和不同热膨胀系数的异种材料。实施例一如图1、2、3、4所示,本实施例公开了一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，所述三维单胞结构由四个完全相同的平行四边形结构垂直拼接而成，每个所述平行四边形结构包括两个旋转对称拼接的所述三角形结构。所述三维单胞结构的四个所述平行四边形结构展开在同一平面后，相邻的两个所述平行四边形结构镜像对称。以三维单胞结构的形心为原点建立笛卡尔坐标系，以两个相邻的平行四边形结构的法线分别作为笛卡尔坐标系的x轴和y轴，与xoy平面垂直的方向设为z轴。三维单胞结构包括两个平行于xoz平面的ABCD平行四边形结构以及A′B′C′D′平行四边形结构，还包括两个平行于yoz平面的AA′D′D平行四边形结构以及BB′C′C平行四边形结构，ABCD平行四边形结构设有对角杆AC，A′B′C′D′平行四边形结构设有对角杆B′D′，AA′D′D平行四边形结构设有对角杆AD′，BB′C′C平行四边形结构设有对角杆B′C，形成ACB、ACD、AD′D、AD′A′、B′D′A′、B′D′C′、B′CC′和B′CB共8个三角形结构。三角形结构的∠ACB＝θ和构成三维单胞结构的杆AD、A′D′、BC和B′C′的长度为L1，弹性模量和热膨胀系数分别为E1和α1；杆BB′、B′A′、A′A、AB、DC、CC′、C′D′和D′D的长度为L2，弹性模量和热膨胀系数分别为E2和α2；杆AC、AD′、B′C和B′D′的长度为L3，弹性模量和热膨胀系数分别为为E3和α3。根据胞元的对称关系，x方向和y方向的等效参数相同，下面通过利用ANSYS软件的APDL进行数值模拟，使用的模型大小在x轴和y轴方向上有8层胞元，在z轴方向上有30层胞元(30个平行四边形)。使用的单元类型为BEAM189。长度为L1和L2的杆件使用铁的材料参数，即E1＝E2＝80.65GPa,v1＝v2＝0.29，α1＝α2＝1.22×10-5/℃。长度为L3的杆件使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，其特征在于，由若干三维单胞结构通过空间周期阵列得到，所述三维单胞结构由四个形状、大小以及材料组合方式完全相同的平面单元在空间中拼接得到，所述平面单元为两个三角形结构组成的四边形平面结构或四个三角形结构组合而成的组合四边形平面结构，所述三角形结构的三条边分别使用三种不同的材料，所述材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数可调，所述三角形结构的三个顶角可调。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，其特征在于，由若干三维单胞结构通过空间周期阵列得到，所述三维单胞结构由四个形状、大小以及材料组合方式完全相同的平面单元在空间中拼接得到，所述平面单元为两个三角形结构组成的四边形平面结构或四个三角形结构组合而成的组合四边形平面结构，所述三角形结构的三条边分别使用三种不同的材料，所述材料的杨氏模量、横截面积和热膨胀系数可调，所述三角形结构的三个顶角可调。


2.如权利要求1所述的具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，其特征在于，所述三角形结构的其中两条边使用同种材料，第三条边使用与所述同种材料不同杨氏模量和不同热膨胀系数的异种材料。


3.如权利要求1所述的具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，其特征在于，所述三维单胞结构由四个完全相同的平行四边形结构垂直拼接而成，每个所述平行四边形结构包括两个旋转对称拼接的所述三角形结构。


4.如权利要求3所述的具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，其特征在于，所述三维单胞结构的四个所述平行四边形结构展开在同一平面后，相邻的两个所述平行四边形结构镜像对称。


5.如权利要求3所述的具有可调泊松比和热膨胀系数的三维多胞结构，其特征在于，所述三维单胞结构的四个所述平行四边形结构展开在同一平面后，其中第一个平行四边行结构和第二个...

【专利技术属性】
技术研发人员：富明慧，陈明明，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44