本申请公开了一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构，涉及力学超材料领域，该手性力学超材料结构提供了一种全新的单胞结构设计，基于活性材料制成第一实体梁，基于弹性材料制成第二结构体，第一结构体和第二结构体嵌套固定在一起，可最终获得具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合特性的手性力学超材料结构，该手性力学超材料结构可在受到压力作用或吸收环境水分时产生扭转变形，从而具有力场和湿度敏感性，为设计具有力场和湿度敏感的新型先进功能设备提供了技术基础。感的新型先进功能设备提供了技术基础。感的新型先进功能设备提供了技术基础。
【技术实现步骤摘要】
具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构
[0001]本申请涉及力学超材料领域，尤其是一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构。
技术介绍
[0002]力学超材料具有独特的如负泊松比、负压缩性和负热膨胀等力学性能，而且可以通过微观结构的设计来调控其性能以适应不同的应用需求，因此在精密仪器、航空航天和海洋结构领域具有良好的应用前景。
[0003]力学超材料的结构形式主要包括手性结构、分层结构、折纸剪纸和三维折构结构等。其中，手性结构是指物体和它的镜像不能重叠的特性，具有手性结构的力学超材料被称为手性力学超材料、是一种重要的力学超材料结构模型，在力学、电磁学、光学、声学和热学领域有着广泛的应用前景。在力学领域，目前已设计出具有拉伸
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剪切耦合、拉伸
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扭转耦合、拉伸
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弯曲耦合和热
‑
扭转耦合特性的二维和三维手性力学超材料，这些手性力学超材料可用于制造具有力场和温度场敏感的高灵敏度传感器、激励器和波转换器等。基于手性力学超材料的工业应用价值，具有其他特性的手性力学超材料也被迫切需要，以满足不同应用场景的使用需求。
技术实现思路
[0004]本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构，本申请的技术方案如下：
[0005]一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构，其特征在于，手性力学超材料结构的单胞结构包括第一结构体和第二结构体，第一结构体通过若干根第一实体梁构成且具有手性对称性，第二结构体通过若干根第二实体梁构成且具有立方对称性；
[0006]第一结构体和第二结构体嵌套固定在一起，且第一结构体形成为外部框架结构、第二结构体形成为内部支撑结构；
[0007]其中，所有第一实体梁的长度相同且基于活性材料制成，所有第二实体梁的长度相同且基于弹性材料制成；手性力学超材料结构在第一实体梁的活性材料吸水膨胀时发生扭转变形而表现出溶胀扭转耦合特性，手性力学超材料结构在受到压缩时发生扭转变形而表现出压缩扭转耦合特性。
[0008]其进一步的技术方案为，第一结构体的虚拟外廓呈正立方体结构且包括平行于x1‑
x3平面的两个虚拟侧面、平行于x2‑
x3平面的两个虚拟侧面以及平行于x1‑
x2平面的两个虚拟表面；
[0009]每个虚拟表面处包括沿着对角线交叉设置的两根第一实体梁，每个虚拟侧面处分别包括沿着对角线设置的一根第一实体梁，且第一结构体在各个虚拟侧面处的结构均相同。
[0010]其进一步的技术方案为，第二结构体包括固定在一起的8根第二实体梁，8根第二实体梁的一端均相连，8根第二实体梁的另一端分别连接第一结构体的虚拟外廓的8个顶点处的第一实体梁，第一结构体的虚拟外廓的每个顶点处由两根第一实体梁相连在一起。
[0011]其进一步的技术方案为，手性力学超材料结构在第一实体梁吸水膨胀时发生沿着x3方向轴的扭转变形，手性力学超材料结构在受到沿着x3方向轴的压缩时发生沿着x3方向轴的扭转变形。
[0012]其进一步的技术方案为，手性力学超材料结构包括A
×
B
×
C个互相堆叠的单胞结构，A≥1，B≥1且C≥1，A个单胞结构沿着x1方向依次堆叠，B个单胞结构沿着x2方向依次堆叠，C个单胞结构沿着x3方向依次堆叠。
[0013]其进一步的技术方案为，每根第一实体梁由保护壳以及填充在保护壳内部的活性材料制成，保护壳采用弹性材料制成。
[0014]其进一步的技术方案为，第一实体梁的保护壳上开设有若干个透水孔，填充在保护壳内部的活性材料相对于保护壳外露。
[0015]其进一步的技术方案为，任意一根第一实体梁的截面形状为正方形、长方形、圆形、圆环或梯形，任意一根第二实体梁的截面形状为正方形、长方形、圆形、圆环或梯形。
[0016]其进一步的技术方案为，手性力学超材料结构在第一实体梁的活性材料恢复干态时恢复扭转变形，手性力学超材料结构在压缩作用撤去后恢复扭转变形。
[0017]其进一步的技术方案为，用于制成第一实体梁的活性材料采用水凝胶活性填充物，用于制成第二实体梁的弹性材料采用橡胶弹性体。
[0018]本申请的有益技术效果是：
[0019]本申请公开了一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构，该手性力学超材料结构提供了一种全新的单胞结构设计，可最终获得具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合特性的手性力学超材料结构，该手性力学超材料结构可在受到压力作用或吸收环境水分时产生扭转变形，从而具有力场和湿度敏感性，为设计具有力场和湿度敏感的新型先进功能设备提供了技术基础。
[0020]该手性力学超材料结构的单胞结构的结构简单，通过多材料3D打印的方式就能制得，易于实现。
附图说明
[0021]图1是本申请一个实施例中的单胞结构的结构图。
[0022]图2是本申请一个实施例中的第一结构图的结构图。
[0023]图3是本申请一个实施例中的第二结构图的结构图。
[0024]图4是本申请一个实施例中的第一实体梁的保护壳的结构示意图。
[0025]图5是本申请一个实施例中的多个单胞结构沿着x3方向依次堆叠的结构示意图。
[0026]图6是多个单胞结构沿着x1方向和x2方向依次堆叠的结构示意图。
[0027]图7是一个实例中手性力学超材料结构的溶胀扭转耦合特性的示意图。
[0028]图8是另一个实例中手性力学超材料结构的溶胀扭转耦合特性的示意图。
[0029]图9是一个实例中手性力学超材料结构的压缩扭转耦合特性的示意图。
具体实施方式
[0030]下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。
[0031]本申请公开了一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构，请参考图1所示的单胞结构的结构图，该单胞结构包括第一结构体和第二结构体，第一结构体通过若干根第一实体梁1构成且具有手性对称性，第二结构体通过若干根第二实体梁2构成且具有立方对称性。图1中黑色的实体梁均为第一实体梁1，所有第一实体梁1构成的即为第一结构体。图1中白色的实体梁均为第二实体梁2，所有第二实体梁2构成的即为第二结构体。
[0032]第一结构体和第二结构体嵌套固定在一起，且第一结构体形成为外部框架结构、第二结构体形成为内部支撑结构。所有第一实体梁的长度相同且基于活性材料制成，所有第二实体梁的长度相同且基于弹性材料制成。
[0033]基于这种结构，该手性力学超材料结构在第一实体梁1的活性材料吸水膨胀时发生扭转变形而表现出溶胀扭转耦合特性，另外，由于第一结构体具有手性对称性，因此该手性力学超材料结构在受到压缩时发生扭转变形而表现出压缩扭转耦合特性。另外，该手性力学超材料结构在第一实体梁1的活性材料恢复干态时恢复扭转变形、恢复成初始状态，该手性力学超材料结构本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种具有压缩扭转耦合和溶胀扭转耦合的手性力学超材料结构，其特征在于，所述手性力学超材料结构的单胞结构包括第一结构体和第二结构体，所述第一结构体通过若干根第一实体梁构成且具有手性对称性，所述第二结构体通过若干根第二实体梁构成且具有立方对称性；所述第一结构体和所述第二结构体嵌套固定在一起，且所述第一结构体形成为外部框架结构、所述第二结构体形成为内部支撑结构；其中，所有第一实体梁的长度相同且基于活性材料制成，所有第二实体梁的长度相同且基于弹性材料制成；所述手性力学超材料结构在所述第一实体梁的活性材料吸水膨胀时发生扭转变形而表现出溶胀扭转耦合特性，所述手性力学超材料结构在受到压缩时发生扭转变形而表现出压缩扭转耦合特性。2.根据权利要求1所述的手性力学超材料结构，其特征在于，所述第一结构体的虚拟外廓呈正立方体结构且包括平行于x1‑
x3平面的两个虚拟侧面、平行于x2‑
x3平面的两个虚拟侧面以及平行于x1‑
x2平面的两个虚拟表面；每个虚拟表面处包括沿着对角线交叉设置的两根所述第一实体梁，每个虚拟侧面处分别包括沿着对角线设置的一根所述第一实体梁，且所述第一结构体在各个虚拟侧面处的结构均相同。3.根据权利要求1所述的手性力学超材料结构，其特征在于，所述第二结构体包括固定在一起的8根所述第二实体梁，8根所述第二实体梁的一端均相连，8根所述第二实体梁的另一端分别连接所述第一结构体的虚拟外廓的8个顶点处的第一实体梁，所述第一结构体的虚拟外廓的每个顶点处由两根第一实体梁相连在一起。4.根据权利要求3所...
【专利技术属性】
技术研发人员：姚宇，丁军，金建海，周叶，
申请(专利权)人：中国船舶科学研究中心，
类型：发明
国别省市：
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