一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构及其设计方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构及其设计方法和应用。本发明专利技术所设计的结构为由多杆件固定连接组合成的空间桁架结构，且其杆件的组成材料为热膨胀和泊松比均为正值的两种不同的常见材料。本发明专利技术所设计的结构可实现热膨胀和泊松比两种性能的同时调控，在高度方向上可实现正、零或负的热膨胀系数值，以及正或负的泊松比值，且两种性能可以进行组合设计。本发明专利技术通过理论分析推导得到了两种性能的理论公式，定量分析了两种性能与结构中各角度和各杆件长度之间关系，根据工程应用需求给出的热膨胀及泊松比的设计值。通过改变各杆件的角度与长度，结构可以实现两种性能的精细化控制。现两种性能的精细化控制。

【技术实现步骤摘要】
一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构及其设计方法和应用


[0001]本专利技术涉及一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构及其设计方法和应用，该方法用于设计和制备热膨胀与泊松比耦合调控的轻质超材料，使超材料能够在多场耦合的工况下长期服役，并可指导与拓展更多新颖的工程实际应用，属于功能材料热膨胀系数和泊松比调控设计方法。

技术介绍

[0002]力学超材料是一类可通过合理的结构设计来实现超常力学性能的特殊材料，因其可实现传统材料所不具有的特殊力学性能和功能而引起了广泛关注。超材料的性质往往取决于内部的人工结构而非其组分材料的本征特征，这使得其具有丰富复杂的结构设计方式，因此超材料在功能实现方面具有多样性和耦合性，可实现诸如负泊松比、负热膨胀等的超常性能。热膨胀系数是衡量固体材料由温度变化导致的体积与形状变化程度的物理参数。材料最常见的属性就是热胀冷缩，而这种热物理性质经常使结构发生变形而产生极大的危害，为设计带来巨大的挑战，例如空间相机镜筒在受热时会发生膨胀，镜筒长度的变化导致光路发生改变，影响空间相机的成像。除此之外，在精密仪器、电子等工程领域，结构对精度的要求很高，但是结构容易受到温度波动的影响，因此具有负膨胀甚至是零膨胀系数的超材料具有很高的应用价值。泊松比是反映材料在单个方向上受拉、压时另一方向上变形的弹性常数。大多数材料具有正的泊松比，如铜、铁、合金钢等，当这些材料受到纵向拉伸载荷时，材料的横向长度会发生缩短变形。而负泊松比超材料是非常难得的，它可以被用作防爆车车底板，当防爆车底部的爆炸物爆炸时，巨大的冲击波会导致负泊松比材料在受冲击点处迅速聚集，密度增加，强度增大，抵抗变形从而保证车内人员的安全。此外，负泊松比材料还可以用于制造汽车轮胎、安全带和安全头盔等，这些都得益于其优异的吸能缓冲性能。
[0003]现有的二维热膨胀和泊松比同时调控结构的应用受到其维度的限制，工程实际中应用最多的仍是三维结构，由二维超材料制备的平面结构只能在面内实现负泊松比性能，而在用作防爆车车底板时，冲击往往来自面外，本专利技术所设计的三维结构，通过高度方向指向面外的周期阵列方式，可实现该防爆底板的设计。虽然现有研究已经给出了二维结构的几何构型及相应两种性能的理论公式，但三维结构两种功能的同时实现，均需重新设计分析其中各杆件的空间位置和约束条件，并重新推导两种功能的理论公式。现有的热膨胀或泊松比调控超材料三维结构设计方法都只能实现单一性能的调控设计，在工程实际应用中会受到较大限制。，与单一性能调控超材料相比，本专利技术所设计的两种性能同时调控的超材料结构能够在多场耦合的工况下长期服役，进一步提升了材料性能极限。例如，该结构可在航天航空器上被用作热防护系统，在航空航天器在遭受冲击时，结构的负泊松比性能可吸收更多的能量，提高安全性，航空航天器在大气层中高速飞行时，表面温度极高，而零或负热膨胀系数可以减小外壳的热变形，防止外壳热变形过大发生破坏。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构及其设计方法；通过本专利技术的设计，热膨胀和泊松比可同时调控的多功能超材料进一步推向工程实际应用当中。
[0005]本专利技术一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；所述结构由下方四棱锥结构和上方内凹四棱锥结构构成；下方四棱锥结构的顶点和上方内凹四棱锥结构的内凹顶点固定连接组成一个整体，其中包含的杆件均为固定连接；
[0006]所述下方四棱锥结构的底面是由4根长度均为l1的杆件所围成的正方形，且4根杆件均由材料1组成；四棱锥的斜边由4根长度均为l2的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为均由材料2组成；
[0007]内凹四棱锥结构的下斜边由4根长度均为l3的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥结构的上斜边由4根长度均为l4的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥的杆件均由材料2组成；
[0008]夹角取值范围均为(0,90
°
)，且长度约束条件为l1＝l2sinθ，
[0009]所述材料1、材料2为热膨胀和泊松比均为正值的两种不同材料。
[0010]在工业上使用时，要求两种材料的结合能力较好。
[0011]本专利技术一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；热膨胀性能取决于材料1和材料2热膨胀系数α1和α2的大小关系，当α1＞α2时，材料可以实现正、零及大范围的负热膨胀，当α1≤α2时，可以实现大范围的正膨胀。
[0012]根据两种构型对泊松比调控能力的不同，本专利技术可设计为两种构型，
[0013]分别为PH-D构型和PH-T构型，其中在PH-D构型中有此时，整个结构向XOY平面进行投影；上方内凹四棱锥结构在XOY平面上得到4个点，用直线连接4个点构成正方形的面积大于等于下方四棱锥结构底面正方形的面积，上方内凹四棱锥结构在XOY平面上的最大投影正方形的边长记为W
PH-D
；PH-D结构可实现负泊松比性能。
[0014]在所述PH-T构型中有此时整个结构向XOY平面进行投影；上方内凹四棱锥结构在XOY平面上得到4个点，用直线连接4个点构成正方形的面积小于下方四棱锥结构底面的面积；下方四棱锥结构底面正方形的边长记为W
PH-T
；PH-T结构可实现正泊松比性能；
[0015]作为优选方案，PH-T和PH-D的角度约束条件均为夹角取值范围均为(0,90
°
)，且长度约束条件为l1＝l2sinθ，
[0016]本专利技术一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；三维超材料结构的高度h由四棱锥结构的高度h1和内凹四棱锥结构的高度h2组成，且h＝h1+h2；在受热和/或受载时，h1和h2的变化Δh1和Δh2耦合成总高度的变化Δh。通过合理的设计几何参数，可以实现高度方向的热膨胀和泊松比调控设计。
[0017]本专利技术一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构的设计方法；所述所述结构由下方四棱锥结构和上方内凹四棱锥结构构成；下方四棱锥结构的顶点和上方内凹四
棱锥结构的内凹顶点固定连接组成一个整体，其中包含的杆件均为固定连接；
[0018]所述下方四棱锥结构的底面是由4根长度均为l1的杆件所围成的正方形，且4根杆件均由材料1组成；四棱锥的斜边由4根长度均为l2的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为均由材料2组成；
[0019]内凹四棱锥结构的下斜边由4根长度均为l3的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥结构的上斜边由4根长度均为l4的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥的杆件均由材料2组成；
[0020]夹角取值范围均为(0,90
°
)，且长度约束条件为l1＝l2sinθ，所述材料1、材料2为热膨胀和泊松比均为正值的两种不同材料；
[0021]所述三维超材料结构的高度h由四棱锥结构的高度h1和内凹四棱锥结构的高度h2组成，且h＝h1+h2；在受热和/或受本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；其特征在于：所述结构由下方四棱锥结构和上方内凹四棱锥结构构成；下方四棱锥结构的顶点和上方内凹四棱锥结构的内凹顶点固定连接组成一个整体；所述下方四棱锥结构的底面是由4根长度均为l1的杆件所围成的正方形，且4根杆件均由材料1组成；四棱锥的斜边由4根长度均为l2的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为均由材料2组成；内凹四棱锥结构的下斜边由4根长度均为l3的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥结构的上斜边由4根长度均为l4的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥的杆件均由材料2组成；夹角取值范围均为(0,90
°
)，且长度约束条件为l1＝l
2 sinθ，所述材料1、材料2为热膨胀和泊松比均为正值的两种不同材料。2.根据权利要求1所述的一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；其特征在于：热膨胀性能取决于材料1和材料2热膨胀系数α1和α2的大小关系，当α1＞α2时，材料可以实现正、零及大范围的负热膨胀，当α1≤α2时，可以实现正膨胀。3.根据权利要求1所述的一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；其特征在于：所述三维超材料结构包括两种构型，分别为PH-D构型和PH-T构型，其中在PH-D构型中有此时，整个结构向XOY平面进行投影，上方内凹四棱锥结构在XOY平面上得到4个点，用直线连接4个点所构成的正方形的面积大于等于下方四棱锥结构底面正方形的面；PH-D结构可实现负泊松比性能，在所述PH-T构型中有此时整个结构向XOY平面进行投影；上方内凹四棱锥结构在XOY平面上得到4个点，用直线连接4个点构成正方形的面积小于下方四棱锥结构底面的面积；PH-T结构可实现正泊松比性能；作为优选方案，PH-T和PH-D的角度约束条件均为夹角取值范围均为(0,90
°
)，且长度约束条件为l1＝l2sinθ，4.根据权利要求1所述的一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构；其特征在于：三维超材料结构的高度h由四棱锥结构的高度h1和内凹四棱锥结构的高度h2组成，且h＝h1+h2；在受热和/或受载时，h1和h2的变化Δh1和Δh2耦合成总高度的变化Δh。通过合理地设计几何参数，可以实现高度方向的热膨胀和泊松比同时调控设计。5.一种热膨胀和泊松比可同时调控的三维超材料结构的设计方法；其特征在于：所述结构由下方四棱锥结构和上方内凹四棱锥结构构成；下方四棱锥结构的顶点和上方内凹四棱锥结构的内凹顶点固定连接组成一个整体，其中包含的杆件均为固定连接；所述下方四棱锥结构的底面是由4根长度均为l1的杆件所围成的正方形，且4根杆件均由材料1组成；四棱锥的斜边由4根长度均为l2的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为均由材料2组成；内凹四棱锥结构的下斜边由4根长度均为l3的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥结构的上斜边由4根长度均为l4的杆件构成，且4根杆件与竖直方向的夹角均为内凹四棱锥的杆件均由材料2组成；
夹角取值范围均为(0,90
°
)，且长度约束条件为l1＝l
2 sinθ，所述材料1、材料2为热膨胀和泊松比均为正值的两种不同材料；所述三维超材料结构的高度h由四棱锥结构的高度h1和内凹四棱锥结构的高度h2组成，且h＝h1+h2；在受热和/或受载时，h1和h2的变化Δh1和Δh2耦合成总高度的变化Δ...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦凯，彭勇，杨旭静，陈嘉馨，李茂君，杨启东，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：