【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及力学超材料，具体涉及一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构及其制备方法与用途。
技术介绍
1、负泊松比材料是力学超材料中的一种，其具有在纵向拉伸(压缩)作用下，横向发生膨胀(收缩)的特殊力学特性。多胞元结构负泊松比材料具有轻质、比强度高、吸能效率高、隔热、吸声等方面的特点，比传统材料更具优势，在结构设计和功能优化中具有广阔的应用前景。
2、负泊松比胞元结构，根据其变形机理的不同，大致可分为：内凹角、手性、旋转刚体、狭缝型结构。将不同几何拓扑配置的二维负泊松比平面结构卷曲，可形成具有负泊松比效应的三维圆管结构，已被应用于不同领域。其中，在生物医学领域，cn201910233257.4公开了一种负泊松比可降解血管支架结构，该结构的外形特点是均匀的圆柱筒，内部结构拓扑由若干内凹六边形胞元形成。将此类负泊松比圆管置于动脉血管中，可撑开血管狭窄位置，防止堵塞。但是，一个关于结构设计与变形的问题没有得到充分考虑，若结构两端有施力边界存在的情况下，两端拉伸时，圆管中间膨胀变形量较大，中间位置尺寸大于两端圆管口直径尺寸，形成的变形结构近似“橄榄型”。此外，动脉血管或食管等其他组织中，诸如分叉等特殊位置会存在不均匀尺寸的通路，植入的均匀圆柱筒状支架若不与内膜组织匹配会增大对组织的损伤。
3、基于此，设计一种三维梯度圆台管结构将使得相关方面的研究更加充分。cn201821715259.4公开了一种具有负泊松比效应的钉子，该结构包括头部、杆部和尾部三部分。其中通过设计杆部管状结构上的孔分布，使其具有负泊松比效应。然而，
4、相较于均匀对称的负泊松比结构，梯度结构可实现物理性质，如弹性模量、泊松比、密度等，随空间位置变化而变化的情况。cn201720461026.5公开了一种变厚度梯度负泊松比汽车缓冲吸能结构，由外至内包含三层负泊松比结构，每层负泊松比结构均由三维内凹六边形胞元构成，且三层结构厚度呈变梯度分布。仅依靠三层厚度梯度胞元来提高缓冲吸能，同时保证结构的耐撞性，效果通常不够理想，且厚度梯度分布会造成结构质量分布差异较大。
5、针对上述提出的问题，考虑到特殊位置的应用以及对非均匀外形结构有特殊要求的场景，三维梯度负泊松比结构的设计亟需补充。此外，三维多胞元负泊松比材料，结构复杂，加工困难，因而限制了其应用。3d打印技术的出现，很好地解决了这一问题。本专利技术针对现有三维负泊松比结构设计的不足，提出了一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构及其制备方法与用途，具体以圆台管为外形的三维梯度负泊松比多胞元结构，并可通过调整结构几何参数，实现不同梯度程度以及不同内部拓扑配置的构型。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构及其制备方法与用途，所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的外部构型为圆台管结构，所述圆台管结构包含若干绕圆台管结构的中心轴线和沿圆台管母线方向梯度排列的曲面内凹六边形胞元，所述结构梯度首先可依靠圆台管结构倾斜壁面的固有特征实现，进一步可通过调节内部胞元参数控制；所述骨架结构可通过3d打印工艺制备。本专利技术提供的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构具有自重轻，线性可变形，结构梯度效应和负泊松比效应协同作用的特点，在外载荷作用下具有柔性线性膨胀的变形特点，可用于防护工程、人工智能、可穿戴设备、医疗器具、人工假体等领域。
2、为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术的目的之一在于提供一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的外部构型为圆台管结构；所述圆台管结构的侧壁面由若干梯度排列的曲面内凹六边形胞元组成；所述梯度排列的堆叠方式包括：尺寸相同的曲面内凹六边形胞元沿圆台管周向排列，尺寸梯度递变的曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列。
4、作为本专利技术优选的技术方案，所述圆台管结构的曲面内凹六边形胞元拓扑配置方式包括：定义空间直角坐标系xyz，所述圆台管结构的上底面位于xy平面，所述圆台管结构的中心轴线平行于z轴，且z轴的正方向为所述圆台管结构的上底面指向下底面；尺寸梯度递变的若干曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列形成一列晶格，若干所述晶格绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周形成完整的闭环结构。
5、作为本专利技术优选的技术方案，任一所述曲面内凹六边形胞元具有弯曲弧度，所述弯曲弧度为其中，n为绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周的晶格数量，n满足2≤n≤360且n能被360整除。
6、作为本专利技术优选的技术方案，任一所述曲面内凹六边形胞元对应的胞元体结构为二维内凹六边形平面结构；所述二维内凹六边形平面结构包括一根水平支撑柱，所述水平支撑柱平行于所述圆台管结构的圆台底面；所述曲面内凹六边形胞元还包括位于所述水平支撑柱上方的两根上斜支撑柱，以及位于所述水平支撑柱下方的两根下斜支撑柱。
7、作为本专利技术优选的技术方案，所述二维内凹六边形平面结构为梯形，所述水平支撑柱的厚度为t，单胞元上内凹角为θ1，单胞元下内凹角为θ2，单胞元上斜支撑柱长度为l1，单胞元下斜支撑柱长度为l2，单胞元高度为h；
8、单胞元内几何参数关系式包括：l1×sinθ1+l2×sinθ2＝h；
9、所述单胞元上内凹角θ1的取值范围为30°～80°；所述单胞元下内凹角θ2的取值范围为30°～80°，θ1与θ2相等或不等。
10、作为本专利技术优选的技术方案，沿z轴的正方向，第i层所述曲面内凹六边形胞元的胞元高度为hi，相邻两个胞元高度比值为q，定义q为设定所述圆台管结构的总高度为h，则其中，l为沿圆台管母线方向排列的曲面内凹六边形胞元的个数，t1为圆台管结构的上环形边界的厚度，t2为圆台管结构的下环形边界的厚度。
11、作为本专利技术优选的技术方案，所述圆台管结构的上环形边界与下环形边界的厚度相等，即，t1＝t2＝t，则
12、作为本专利技术优选的技术方案，所述圆台管结构的顶角v的取值范围为10°～90°，所述圆台管结构的壁厚d的取值范围为2～20mm。
13、本专利技术的目的之二在于提供一种目的之一所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的制备方法，通过增材制造方法制备，采用的母材包括单一组分材料或多组分材料。
14、优选地，所述单一组分材料包括金属、聚乳酸、热塑性聚氨酯、高弹性材料或形状记忆合金中的任意一种。
15、优选地，所述多组分材料包括连续纤维/短纤与热塑性材料组合的复合材料，或者连续纤维/短纤与热固性材料组合的复合材料。
16、本专利技术的目的之三在于提供一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的用途，将目的之一所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，或者目的之二所述制备方法得到的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，用于防护工程、人工智能、可穿戴设备、医疗器具、人工假体领域。
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【技术保护点】
1.一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的外部构型为圆台管结构；所述圆台管结构的侧壁面由若干梯度排列的曲面内凹六边形胞元组成；所述梯度排列的堆叠方式包括：尺寸相同的曲面内凹六边形胞元沿圆台管周向排列，尺寸梯度递变的曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列。
2.根据权利要求1所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述圆台管结构的曲面内凹六边形胞元拓扑配置方式包括：定义空间直角坐标系XYZ，所述圆台管结构的上底面位于XY平面，所述圆台管结构的中心轴线平行于Z轴，且Z轴的正方向为所述圆台管结构的上底面指向下底面；尺寸梯度递变的若干曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列形成一列晶格，若干所述晶格绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周形成完整的闭环结构。
3.根据权利要求2所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元具有弯曲弧度，所述弯曲弧度为其中，N为绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周的晶格数量，N满足2≤N≤360且N能被360整除。
4.根据权利要求1-3任一项所述的三维
5.根据权利要求4所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述二维内凹六边形平面结构为梯形，所述水平支撑柱的厚度为t，单胞元上内凹角为θ1，单胞元下内凹角为θ2，单胞元上斜支撑柱长度为l1，单胞元下斜支撑柱长度为l2，单胞元高度为h；
6.根据权利要求2或3所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，沿Z轴的正方向，第i层所述曲面内凹六边形胞元的胞元高度为hi，相邻两个胞元高度比值为q，定义q为设定所述圆台管结构的总高度为H，则其中，L为沿圆台管母线方向排列的曲面内凹六边形胞元的个数，T1为圆台管结构的上环形边界的厚度，T2为圆台管结构的下环形边界的厚度。
7.根据权利要求6所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述圆台管结构的上环形边界与下环形边界的厚度相等，即，T1＝T2＝T，则
8.根据权利要求1-7任一项所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述圆台管结构的顶角V的取值范围为10°～90°，所述圆台管结构的壁厚d的取值范围为2～20mm。
9.一种权利要求1-8任一项所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的制备方法，其特征在于，通过增材制造方法制备，采用的母材包括单一组分材料或多组分材料；
10.一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的用途，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，或者权利要求9所述制备方法得到的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，用于防护工程、人工智能、可穿戴设备、医疗器具、人工假体领域。
...【技术特征摘要】
1.一种三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的外部构型为圆台管结构；所述圆台管结构的侧壁面由若干梯度排列的曲面内凹六边形胞元组成；所述梯度排列的堆叠方式包括：尺寸相同的曲面内凹六边形胞元沿圆台管周向排列，尺寸梯度递变的曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列。
2.根据权利要求1所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，所述圆台管结构的曲面内凹六边形胞元拓扑配置方式包括：定义空间直角坐标系xyz，所述圆台管结构的上底面位于xy平面，所述圆台管结构的中心轴线平行于z轴，且z轴的正方向为所述圆台管结构的上底面指向下底面；尺寸梯度递变的若干曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列形成一列晶格，若干所述晶格绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周形成完整的闭环结构。
3.根据权利要求2所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元具有弯曲弧度，所述弯曲弧度为其中，n为绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周的晶格数量，n满足2≤n≤360且n能被360整除。
4.根据权利要求1-3任一项所述的三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元对应的胞元体结构为二维内凹六边形平面结构；所述二维内凹六边形平面结构包括一根水平支撑柱，所述水平支撑柱平行于所述圆台管结构的圆台底面；所述曲面内凹六边形胞元还包括位于所述水平支撑柱上方的两根上斜支撑柱，以及位于所述水平支撑柱下方的两根下斜支撑柱。
5.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐俊波，庄晟逸，向文超，杨超，王敏，权维利，赵永忠，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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