一种可改变表面红外线反射率的柔性气动结构及制作方法与流程

本发明涉及一种通过改变其红外线吸收(反射)比率来达到热调节功能的负泊松比结构及该结构的制作工艺，该负泊松比结构可作为调温隔热材料或建筑节能环保材料。

背景技术：

在自然界中，许多物种都有变色的能力以实现自己的目标，例如保护自己，防晒或吸引昆虫。例如变色龙，有一种非凡的能力，能在雄性动物的竞争或求爱等社会交往中表现出复杂而迅速的颜色变化。以往研究人员认为这种行为主要是为了求偶或防御天敌，近期的研究发现，变色龙还通过皮肤的这一特性来反射阳光，提高自身热防护性能。

(一)调温隔热材料

热物理范畴中，热能的传递分为三种方式：热传导、热对流和热辐射。凡可以减弱任意传热方式的调温材料均可提高材料的隔热性能。在已有的调温隔热材料中，主要分为两种类型，第一种是利用其它形式的能量，如电能、自能、化学能等，主动改变材料的温度或隔热性能。如碳纤维加热材料，是通过电能转化为热能，从而达到调温的功效。再比如相变材料，通过材料的相变实现吸热或者放热。另一种是被动调温材料，比如形状记忆材料，当温度达到一定数值时，形状记忆材料改变形状，静止空气量增加，达到隔热效果。目前已有的调温材料或隔热材料，主要通过改变一种热能传递方式来达到隔热功效。很少有材料可以同时改变两种以上热能传递方式来改变其保暖性能。

(二)负泊松比结构——罗恩·雷施(ronresch)三角形

泊松比(poisson’sratio)的概念由法国著名数学家西莫恩·德尼·泊松(simeon-denispoisson)首次提出，用于描述在材料发生横向变形的同时伴随产生的纵向变形现象，大多数传统材料具有正泊松比。目前，经典弹性理论证明了各向同性材料的泊松比取值范围在-1.0～0.5之间。当泊松比为负值时，材料会表现出不同于传统材料的反常特性，同时这种特性可表现在平面二维结构或立体三维结构中。例如二维平面的负泊松比结构，其横向受拉伸载荷时，会沿纵向发生膨胀。当物体z轴方向收到外力挤压时，常规材料的x，y轴方向发生外扩形变，而负泊松比结构(又称超材料或拉涨结构)的x和y轴方向则发生反向内缩形变。负泊松比结构在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势，因而此类材料在医疗设备、传感器、防护设备、航空航海及国防工程等领域有广泛的应用前景。

(三)软体机器人(流体压差驱动)

科学家所定义的软体机器人(softrobotics)是由与自然界生物体的杨氏模量相当的材料构成的具有自主行为的人造系统。国际机器人协会对软体机器人的定义是：(1)由某种特殊的柔软弹性材料制成的机械装置；(2)或由多个刚性部件构成，但能展现出类似软体机器人变形特性的机电装置。软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料；一般有介电弹性体(de)、离子聚合物金属复合材料(ipmc)、形状记忆合金(sma)、形状记忆聚合物(smp)等等，从响应的物理量暂时分为如下几类：电场、压力、磁场、化学反应、光、温度等。其中基于压力的流体压差驱动方式，是目前控制软体机器人的主要方法之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以改变自我形态的柔性结构及其制作方法，以实现热调节功能。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种可改变表面红外线反射率的柔性气动结构，其特征在于，包括n个单体结构，所有单体结构无穿插、无镂空排列形成成片连接的完整的片状结构，每个单体结构至少包括由高弹性模量材料制成的顶面结构及由低弹性模量材料制成的底面结构，单体顶面结构为无法展开为平面的三维立体负泊松比结构，该三维立体负泊松比结构具有红外线反射区域及红外线吸收区域，通过预先设计，所有单体结构的顶面结构在浇筑时连接形成完整的顶面片状结构，所有单体结构的底面结构连接形成完整的底面片状结构，顶面片状结构与底面片状结构之间形成有空腔，空腔与流体输入接头相连通；经由流体输入接头向空腔内注入流体，使得片状结构由闭合状态变化至打开状态；当片状结构处于闭合状态时，所有单体结构的顶面结构处于闭合状态，仅红外线反射区域露于外，红外线吸收区域翻折于内部；当片状结构处于打开状态时，所有单体结构的顶面结构处于打开状态，红外线反射区域露于外，且红外线吸收区域展开露于外。

优选地，所述红外线吸收区域的面积占所述顶面结构整体面积的40％。

优选地，所述顶面结构的壁厚为0.5-3mm。

优选地，所述底面结构的厚度为0.5-3mm。

本发明的另一个技术方案是提供了一种可改变表面红外线反射率的柔性气动结构，其特征在于，包括n个单体结构，所有单体结构穿插连接，且m个单体为一组连接为一个整体结构，m≤n，每组单体之间形成镂空孔洞，每个单体结构至少包括由高弹性模量材料制成的顶面结构、由低弹性模量材料制成的底面结构以及位于顶面结构与底面结构之前的中间层，顶面结构为无法展开为平面的三维立体负泊松比结构，该三维立体负泊松比结构具有红外线反射区域及红外线吸收区域，中间层由与顶面结构及底面结构不相融的材料制成，顶面结构与底面结构之间形成有腔体，每组单体的中间层连接成为一个封闭的环状结构，使得每组单体的所有腔体相连通，且环状结构具有与相邻单体组的环形结构相连接的连接通道，底面结构与顶面结构在连接通道处形成间隙，相邻两个单体组的腔体通过间隙相连通，任意一个腔体与流体输入接头相连通；经由流体输入接头向空腔内注入流体，使得顶面结构由闭合状态变化至打开状态；当顶面结构处于闭合状态时，仅红外线反射区域露于外，红外线吸收区域翻折于内部；当顶面结构处于打开状态时，红外线反射区域露于外，且红外线吸收区域展开露于外。

优选地，所述红外线吸收区域的面积占所述顶面结构整体面积的40％。

优选地，所述顶面结构的壁厚为0.5-3mm。

优选地，所述底面结构的厚度为0.5-3mm。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述的可改变表面红外线反射率的柔性气动结构的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、准备用于制作顶面结构的上模及下模，下模具有与上述的第一种或第二种可改变表面红外线反射率的柔性气动结构的顶面结构相适应的凹槽，上模为薄片状结构，用于分隔顶层各单体气壁结构；

步骤2、若制作上述的第二种可改变表面红外线反射率的柔性气动结构，则通过电子数控激光切割机切割加工中间层，否则进入步骤3；

步骤3、使用下模浇筑顶面结构，将用于制作顶面结构的材料浇筑入下模的凹槽内，浇筑时控制浇筑量，不要超过下模表面；

步骤4、材料浇筑后放置上模，将上模与下模中心对齐后，使得上模嵌入下模的凹槽内，从而在上模与下模之间成型顶面结构；

步骤5、浇筑成型底面结构；

步骤6、若有中间层，则在底面结构完全凝固之前，先放置中间层，然后再放置顶面结构，通过硅胶浇水，使顶面结构和底面结构的边界粘合；若无中间层，则在底面结构完全凝固之后，直接放置顶面结构，通过硅胶浇水使顶面结构和底面结构的边界粘合；

步骤7、将顶面结构与底面结构之间的腔体与流体输入接头相连通。

优选地，步骤4中，材料浇筑后先静置20-40分钟。

本发明创造出一种可以改变自我形态的柔性结构，通过形变，同时改变材料的热传导和热辐射性能，提高了材料调温性能的有效性，这种变形能力，赋予其新的“生命”，可用于作为调温隔热材料或建筑节能环保材料。从此不再是一个单一的个体，而是拥有了“柔性逻辑”，变成了一个灵活多变的“系统”，具有了环境的“自适应”能力。

附图说明

图1本发明的单体结构的顶面结构的平面展开图；

图2为本发明的单体结构的顶面结构立体示意图；

图3为现有的罗恩·雷施三角形单体的平面展开图；

图4为现有的罗恩·雷施三角形单体的立体示意图；

图5a及图5b为本发明中一种实施方式的气动结构各层形态示意图；

图6为本发明中另一种实施方式的示意图；

图7、图8a及图8b为本发明中所使用的模具示意图；

图9至图14为本发明的制作工艺步骤示意图；

图15为傅里叶红外光谱测试图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

负泊松比结构有许多形态和种类，本发明涉及的负泊松比结构包含(但不限于)一种立体结构：罗恩·雷施三角形(ronreschtriangler)。该结构发明于20世纪60年代，在折纸、艺术装饰、超材料领域被广泛引用。罗恩·雷施三角形单体由6个相同地等边三角形和18个相同地直角三角形(其中一个角为30°)组成，其中2个直角三角形的面积之和等于1个等边三角形的面积。等边三角形是在折叠和展开形态时都会外露的面积。直角三角形在折叠时会隐藏起来。本发明基于罗恩·雷施三角形并对其进行改良，使其适用于充气结构。

由于本发明的初始目的是创造一种可以改变表面形态、结构或图案的结构，故需要选择合理的结构驱动方式。根据背景技术中所提及的研究和试验，将本发明的驱动方式确定流体压差驱动法。此处流体包含(但不限于)空气、氩气、水、油等各类不同粘度、密度的流体。所以本发明的应用环境可以是日常空气中、水下或者太空环境，具有良好的环境可适应性。

本发明从上述的负泊松比结构出发对其进行改良，以适应气体驱动的控制条件，形成了新的单体几何结构。原有的负泊松比结构多为单一表面或者网状结构，而气体驱动的前提是需要结构为一种闭合的腔体。本发明基于其中一种负泊松比材料(罗恩·雷施三角形)进行了改良，值得说明的是，此发明包含但不限于以上结构。如图3及图4所示，原有的罗恩·雷施三角形外边界为六边形，六边形的各边与相同的单体相连形成贯通的曲面。如图1及图2所示，本发明改良后的罗恩·雷施三角形增加了6个三角形，新增的结构改变了原有的单体相连方式。通过比较原有的和改良后的单体间连接边界可以发现原来的单体展开后是一个二维平面，本发明提供的新的单体几何结构为三维立体结构，不再能展开为纯平面。立体的单体为形成闭合腔体创造了必要条件。

本发明提供的改良后的结构单体连接方式产生了不同，从而改变了各单体之间的组合方式。原有的罗恩·雷施三角形各单体之间无缝隙，成片状结构。本发明提供的新的单体结构可以独立存在，所以可以自由地对其进行排列组合。在设计的过程中，应该考虑结构和材料的特性，同时针对不同的应用情况对本发明提供的新的单体结构。

目前可实现的单体排列可以有以下两种：

第一种、如图6所示的成片连接，即所有单体无穿插、无镂空排列，形成完整的片状结构。此结构的优点在于制作工艺上比下述第二种穿插排列连接简单，无需制作特定中间层结构。同时，由于单体脱离了与底层连接的束缚，成片连接的单体连接成类似于褶皱的结构，为顶层形变提供了大量余量。成片连接的结构充气后厚度增加明显。这种排列方式适合需提供明显形变效果的实施例中，相比下面叙述的穿插排列方式，成片连接的充气气动结构不透气，更适合如建筑表面保暖材料等隔热材料的应用。

第二种、如图5a及图5b所示的穿插连接，及单体之间形成镂空孔洞，形成类似雪花状排列的网状结构，增加整体结构透气性。穿插排列的方式有多种，包含但不限于六边形雪花状排列，应结合应用的负泊松比结构的特点，进行相应的改变。

以图5a及图5b所示结构为例，本发明中闭合腔体由高弹性模量的顶面结构3、中间层4和低弹性模量的底面结构5三部分组成。在腔体内充入气体后，顶面结构3可实现从闭合状态形变为打开状态。6为处于闭合状态的顶面结构，3为处于打开状态的结构顶面结构。

顶面结构3由柔性材料，包含但不限于软性硅胶、橡胶、水凝胶、塑料薄膜等材料制成。顶面结构3包含两种具有不同红外线反射率的区域，其中区域2具有较高的红外线反射率，可使用金属涂层增加原有材料的隔热性。区域1具有较高的红外线吸收率，可使用但不限于深色涂层或者吸热涂层增加原有材料吸热性能。区域2无论在顶面结构3处于打开状态或闭合状态时均外露于环境中，用于反射红外线。而当顶面结构3处于闭合状态时，区域1隐藏于褶皱中，不能外露。充气时，区域1逐渐显现。区域1的隐藏和显现带来了整体结构图案和红外线反射率的改变。区域1面积显现比例与柔性气动结构的红外线反射率成反比，和结构红外线吸收率成正比。区域1面积约占整个面积的40％。顶面结构3的壁厚根据选取材料的不同，一般控制在0.5-3mm之间。本发明提供的结构的高度与单体的尺寸成正比，具体几何尺寸比例与罗恩·施雷三角形相同。

中间层4的作用是用于在制作过程中防止顶面结构3与底面结构5的硅胶发生黏连。中间层4的材料可以是聚酯纤维薄膜、蜡纸、pvc薄膜等任何不与硅胶融合的薄膜材料，同时也可用胶脱模喷雾代替中间层4。中间层4为闭合环状结构，各环之间由等宽通道连接，确保结构充气时，各形变单体之间气道相连。

底面结构5由硬质低弹性材料，包含但不限于软性硅胶、橡胶、水凝胶、塑料薄膜等材料制成。底面结构5的材料需与顶面结构3相融，但是底面结构5的弹性模量需要低于顶面结构3，这样在充气时，上下表面才能产生气压压差，从而驱动结构形变。底面结构5的厚度根据选取材料的不同，一般控制在0.5mm-3mm之间。

如图6所示的成片连接结构除无中间层4外，其他结构与上述结构类似，此处不再赘述。

本发明还开发了具体的柔性气动结构的模具和制造方法。柔性气动结构的顶面结构3需要通过硅胶浇筑制作，硅胶浇筑模具为如图7或图8a及图8b所示的阴阳套合模具，模具通过3d打印制作。根据不同的单体排列方式，选用不同的浇筑模具。成片连接的排列方式的模具如图7所示，图8a及图8b所示为穿插排列方式的模具。

制作工艺包括以下步骤：

步骤1、准备用于制作顶面结构的上模及下模，下模具有与成片连接的排列方式的柔性气动结构的顶面结构或与穿插排列方式的柔性气动结构的顶面结构相适应的凹槽，上模形状与成片连接的排列方式的柔性气动结构的顶面结构或与穿插排列方式的柔性气动结构的顶面结构相同，为薄片状结构，用于分隔顶层各单体气壁结构；

步骤2、若制作穿插排列方式的柔性气动结构，则通过电子数控激光切割机切割加工中间层，否则进入步骤3；

步骤3、使用下模浇筑顶面结构，将用于制作顶面结构的材料浇筑入下模的凹槽内，浇筑时控制浇筑量，不要超过下模表面，否则会增加后续修剪的工作量；

步骤4、材料浇筑后放置上模，先静置20-40分钟后，将上模与下模中心对齐使得上模嵌入下模的凹槽内，从而在上模与下模之间成型顶面结构，如果两者没有对齐，会导致硅胶壁厚不均，后续充气时，产生不规则形变；

步骤5、浇筑成型底面结构；

步骤6、若有中间层，则在底面结构完全凝固之前，先放置中间层，然后再放置顶面结构，通过硅胶浇水使顶面结构和底面结构的边界粘合；若无中间层，则在底面结构完全凝固之前，直接放置顶面结构，通过硅胶浇水使顶面结构和底面结构的边界粘合；

步骤7、将顶面结构与底面结构之间的腔体与流体输入接头相连通。

对本发明进行性能测试，金属反光涂层可有效减小热散失，提升材料保暖性能，本测试测试了三种样品，样品基材均为同批次制作的黑色硅胶片。不同的是样品1为黑色硅胶，样品2硅胶单面涂有金属涂层，样品3硅胶双面涂有金属涂层。傅里叶红外光谱测试如图15所示，通过matlab不规则曲线面积积分计算得出曲线与x轴围成的面积为：sall＝282157.8；shalf＝282247.6；sblack＝310926.2¹，可知红外线的透过率减小了9.3％左右。