一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构制造技术

一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，属于负泊松比结构设计技术领域，该结构包括交叉手性单元，整体结构由若干数量的交叉手性单元以阵列形式组成，所述的交叉手性单元尺寸和厚度一致；所述的交叉手性单元包括右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆、右下L形杆和中心棱柱，所述右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的短轴端部分别与中心棱柱的四个侧面相连，呈卍字形，同一行相邻的交叉手性单元左上L形杆和右下L形杆长轴端相连，同一列相邻的交叉手性单元左下L形杆和右上L形杆长轴端相连。该结构不仅具有较高的抗压强度、抗弯强度、延性和良好的吸能特性，并且具有制作成本较低的特点。制作成本较低的特点。制作成本较低的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构


[0001]本专利技术涉及负泊松比结构设计
，特别涉及一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构。

技术介绍

[0002]泊松比也称横向变形系数，用于表征材料在垂直于作用力方向上的横向变形特性，大多数材料的泊松比都为正值，但一些特殊的材料和结构具有负泊松比效应，即在拉伸下横向膨胀，在压缩下横向收缩。经典的负泊松比结构有手性结构和重入结构，负泊松比结构具有较高的剪切刚度、抗压能力、断裂韧性以及良好的动态力学性能和吸能特性。
[0003]手性又称手征性，是指一个物体不能与其镜像相重合的现象。例如人的左右手是镜像对称的，不能通过平面内的转动或平移左右手使其重合。手性结构单元大多由圆柱中心体和连接韧带所构成，当手性结构在一个方向受拉或受压时，韧带变形并带动圆柱中心旋转、收缩或扩张，由此产生负泊松比效应。其中交叉手性结构是一种四切向反手性结构，具有良好的轴对称性、力学稳定性和抗平面外变形的特性。同时交叉手性结构还具有较高的孔隙率，因此在轻质结构中有着潜在的应用前景。申请号为202222539323.0的中国专利申请，公开了一种复合手性结构及负泊松比防撞围栏，但该专利中申请的复合手性结构只是通过结合两种不同的结构单元来优化传统手性结构，从而提高负泊松比结构的力学性能，缺少通过调整负泊松比结构的组成材料来提高负泊松比结构力学性能的研究。
[0004]目前，负泊松比结构的组成材料对其整体力学性能有很大影响，现有的研究大多数都集中于将金属和聚合物作为负泊松比结构的组成材料，其中金属材料主要包括钢、铜和铝合金等；聚合物材料包括PLA、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、尼龙、橡胶数字材料和树脂等。这些组成材料中，如钢、铜和铝合金等金属材料能够很好地改善负泊松比结构的力学性能，但成本较高，不利于大规模的工程实践；而成本较低的组成材料却无法为结构提供良好的力学性能，如PLA等材料。
[0005]高延性水泥基复合材料是一种具有高延性、高韧性和细密裂缝破坏特征的高性能材料。高延性水泥基复合材料可获得3％～7％的极限抗拉应变和平均裂缝宽度小于60μm的微裂缝，这为高延性水泥基复合材料作为负泊松比结构的组成材料提供了可能。目前，尚没有关于高延性水泥基复合材料制备负泊松比结构的报道，更没有关于高延性水泥基复合材料制备成交叉手性负泊松比结构的报道。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构不仅具有较高的抗压强度、抗弯强度、延性和良好的吸能特性，并且具有制作成本较低的特点，大大降低了负泊松比结构的制造成本，有助于交叉手性负泊松比结构的生产和应用。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：
[0008]一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，包括交叉手性单元，整体结构由若干数量的交叉手性单元以阵列形式组成，多个所述的交叉手性单元尺寸均一致；
[0009]所述的交叉手性单元包括右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆、右下L形杆和中心棱柱，所述右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的短轴端部分别与中心棱柱的四个侧面相连，呈卍字形，同一行相邻的交叉手性单元左上L形杆和右下L形杆长轴端相连，同一列相邻的交叉手性单元左下L形杆和右上L形杆长轴端相连。
[0010]进一步的，所述的交叉手性单元的中心棱柱呈正方形，中心棱柱的边与竖直方向的夹角为45
°
。
[0011]进一步的，所述的右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的几何尺寸相同。
[0012]进一步的，所述的右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的长轴和短轴的宽与中心棱柱正方形的边长度相等。
[0013]进一步的，所述的交叉手性单元由高延性水泥基复合材料制备而成。
[0014]进一步的，所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构中，同一排的交叉手性单元和同一列的交叉手性单元数量可以相同，也可以不同。
[0015]所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构的制作过程为：
[0016]步骤1：使用软件设计模具的三维模型；
[0017]步骤2：使用3D打印机打印模具；
[0018]步骤3：按照配合比将水泥、粉煤灰、石英砂放入搅拌机中干拌1min；加入称量好的水和高效减水剂，继续搅拌2min；加入增稠剂再搅拌2min；缓慢加入PVA纤维，搅拌至纤维分散均匀；
[0019]步骤4：将新拌高延性水泥基复合材料浇筑到模具中，然后放置在振动台上进行振捣密实，使浆体中的气泡充分逸出；
[0020]步骤5：浇筑完成48小时后进行脱模，然后置于标准养护室养护至28天，标准养护室室内温度为20
±
2℃，相对湿度在95％以上。
[0021]本专利技术的有益效果：
[0022]交叉手性负泊松比结构具有较高的抗压强度、抗弯强度以及良好的动态力学性能和吸能特性；采用高延性水泥基复合材料作为其组成材料，不仅降低了交叉手性负泊松比结构的制造成本，还因其独特的多裂缝开裂特征一定程度上提高了结构的抗压强度和延性。因此高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构具有较高的抗压强度、抗弯强度、延性以及良好的动态力学性能和吸能特性，除此之外还具有制作成本较低的特点，更有助于交叉手性负泊松比结构的生产和应用。
附图说明
[0023]图1是本专利技术提供的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构示意图；
[0024]图2是本专利技术提供的未切除倒角的交叉手性结构示意图；
[0025]图3是本专利技术提供切除位置示意图；
[0026]图4是本专利技术提供的交叉手性单元Ⅰ的平面图；
[0027]图5是本专利技术提供的交叉手性单元Ⅰ中的组成部分的平面布局图；
[0028]图6是本专利技术提供的高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构3D打印工艺流程图；
[0029]图7是本专利技术提供的实施例中单轴拉伸试验的应力
‑
应变图；
[0030]图8是本专利技术提供的实施例中进行压缩试验条件下重入蜂窝结构在不同应变下的变形示意图；
[0031]图9是本专利技术提供的实施例中进行压缩试验下交叉手性结构在不同应变下的变形示意图；
[0032]图10是本专利技术提供的实施例中进行压缩试验条件下重入蜂窝结构的应力
‑
应变图；
[0033]图11是本专利技术提供的实施例中进行压缩试验条件下交叉手性结构的应力
‑
应变图；
[0034]图12是本专利技术提供的实施例中进行压缩试验条件下两种结构试件比能量吸收
‑
应变图；
[0035]图13是本专利技术提供的实施例中进行压缩试验条件下两种负泊松比结构在泊松比
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，其特征在于，包括交叉手性单元，整体结构由若干数量的交叉手性单元以阵列形式组成，所述的交叉手性单元尺寸和厚度一致；所述的交叉手性单元包括右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆、右下L形杆和中心棱柱，所述右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的短轴端部分别与中心棱柱的四个侧面相连，呈卍字形，同一行相邻的交叉手性单元左上L形杆和右下L形杆长轴端相连，同一列相邻的交叉手性单元左下L形杆和右上L形杆长轴端相连。2.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，其特征在于，所述的交叉手性单元的中心棱柱呈正方形，中心棱柱的边与竖直方向的夹角为45
°
。3.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，其特征在于，所述的右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的几何尺寸相同。4.根据权利要求1所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，其特征在于，所述的右上L形杆、左下L形杆、左上L形杆和右下L形杆的长轴和短轴的宽与中心棱柱正方形的边...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈猛，方帅，李佳辉，张通，张明中，王瑜婷，孙志浩，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：