一种Z形压扭超材料结构制造技术

本发明专利技术属于超材料技术领域，具体为一种Z形压扭超材料结构。本发明专利技术超材料结构由若干胞元重复堆叠而成，所述胞元是由四个相同的面内梁结构相互垂直围成的一个方形架；所述面内梁结构由一根正梁和一根斜梁成夹角成45

【技术实现步骤摘要】
一种Z形压扭超材料结构


[0001]本专利技术属于超材料
，具体涉及一种Z形压扭超材料结构。

技术介绍

[0002]超材料是指通过人为设计制造材料的空间结构，使材料具有前所未有的特性，这些特性主要源于其结构设计而非材料组成。近年来，超材料在许多领域具有广泛应用，产生了力学超材料、电磁超材料、光学超材料、声学超材料、太赫兹超材料、热学超材料等分支。本专利提出一种轴向受压产生扭转的力学超材料结构，其特点是仅在轴向受压时发生显著而稳定的扭转，且结构简单制造方便。
[0003]现有压扭超材料往往存在着结构复杂、制造难度高等缺点，而复杂的微结构也使得压扭效果不够稳定。
[0004]本专利技术所提出的一种各向异性Z形方台压扭超结构有望在机械传动、建筑设计、航空宇航等领域发挥作用，且因其各向异性的特点，也能起到方向识别的作用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于扭转行为稳定可靠、扭转方向灵活可控的Z形压扭超材料结构。
[0006]本专利技术提出的Z形压扭超材料结构，在受压时会发生稳定显著的扭转。由若干胞元重复堆叠而成，所述胞元是由四个相同的面内梁结构相互垂直围成的一个方形架；所述面内梁结构由两根直梁按正方形的一边（即正梁）和对角线（即斜梁）的形式连接组成，即；两根直梁的一端连接构成，两根梁夹角成45
°
，如图1和图2所示；方形架胞元中，四个面内梁结构中的正梁端部连接成正方形，斜梁按统一方向在正方形下面，如图3所示。多个胞元堆叠后形成若干形如“Z”字母的结构。如图5等所示。
[0007]本专利技术设计的Z形压扭超材料结构，结构简单。其面内梁结构、胞元，可采用3D打印技术（增材）制造，也可采用铸造、焊接、切削等方式实现。
[0008]制备材料要求有较好的弹性和韧性，比如TPU。
[0009]例如，采用3D打印方式，打印结构，去除支撑材料后即可实现轴向受压扭转。
[0010]本专利技术设计的Z形压扭超材料结构具有如下特点：（1）受压能产生大幅度、稳定的扭转行为，且扭转方向可通过手性方向调控；（2）扭转角度灵活可控，通过增减层数即可快速准确调整；（3）结构具有各向异性，仅轴向受压时方可发生稳定扭转；若从轴向以外方向施压并不会产生压扭效果，可实现特定方向的识别；（4）调整最大压扭角度手段丰富，可以从梁粗细、角度和横向堆叠个数来调控。
附图说明
[0011]图1为面内梁示意图。
[0012]图2为面内梁三视图。
[0013]图3为方筒胞元示意图。
[0014]图4为方筒胞元三视图。
[0015]图5为1
×1×
8堆叠示意图。
[0016]图6为1
×1×
8堆叠三视图。
[0017]图7为2
×2×
8堆叠示意图。
[0018]图8为2
×2×
8堆叠三视图。
[0019]图9为实施例11
×1×
8堆叠初始斜视图。
[0020]图10为实施例11
×1×
8堆叠压扭斜视图。
[0021]图11为实施例1中1
×1×
8堆叠初始前视图。
[0022]图12为实施例1中1
×1×
8堆叠扭转前视图。
[0023]图13为实施例1中1
×1×
8堆叠初始俯视图。
[0024]图14为实施例1中1
×1×
8堆叠压扭俯视图。
[0025]图15为实施例1中1
×1×
8堆叠扭转角度示意图。
[0026]图16为实施例2中2
×2×
8堆叠初始斜视图。
[0027]图17为实施例2中2
×2×
8堆叠扭转斜视图。
[0028]图18为实施例2中2
×2×
8堆叠初始前视图。
[0029]图19为实施例2中2
×2×
8堆叠扭转前视图。
[0030]图20为实施例2中2
×2×
8堆叠初始俯视图。
[0031]图21为实施例2中2
×2×
8堆叠扭转俯视图。
[0032]图22为实施例2中
×2×
8堆叠扭转角度示意图。
具体实施方式
[0033]实施例1：使用3D打印机打印，所用材料为TPU95A，所用水溶性支撑材料为PVA。
[0034]实施例1，面内梁结构如图2所示，其主要结构由2根直梁成45
°
连接，短梁宽度均为10mm，长梁（即斜梁）宽度约为7mm，其厚度均为10mm。
[0035]实施例1中胞元如图4所示，胞元是由4个面内梁彼此垂直拼成的方筒。
[0036]实施例1中1
×1×
8堆叠如图9所示，此堆叠是由8个胞元排列成1行、1列、8层的结构。
[0037]待打印完成后，将打印件置于水中浸泡，待清水变浑浊更换清水直至PVA支撑完全消失，晾干。
[0038]如图9、图10、图11、图12、图13和图14所示，1
×1×
8堆叠的压扭超结构在受压后发生明显扭转，由图11、图12可测的下压距离约为388mm，应变为48.5%，可由图15可量得扭转角度约为328
°
，弧度为5.72，计算得角度与应变比值为8
°
/%，弧度比值为11.8/%。
[0039]实施例2：实施例2中胞元尺寸与实施例1相同，制造方式也与实施例1相同，故不再赘述。
[0040]实施例2中2
×2×
8堆叠如图16所示，此堆叠是由32个胞元排列成2行、2列、8层的结构。
[0041]如图16、图17、图18、图19、图20和图21所示，2
×2×
8堆叠的压扭超结构在受压后
发生明显扭转，由图18、图19可测的下压距离约为125mm，应变为15.6%，可由图22可量得扭转角度约为18
°
，弧度为0.314，计算得角度与应变比值为1.15
°
/%，弧度比值为0.02/%。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Z形压扭超材料结构，其特征在于，由若干胞元重复堆叠而成，所述胞元是由四个相同的面内梁结构相互垂直围成的一个方形架；所述面内梁结构由两根直梁按正方形的一边和对角线的形式连接组成，即；两根直梁的一端连接构成，两根梁夹角成45
°
，称正方形一边的梁为正梁，对角线的梁为斜梁；方形架胞元中，四个面内梁结构中的正梁端部连接成正...

【专利技术属性】
技术研发人员：张晓亮，徐凡，杨易凡，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：