一种三维手性负泊松比材料结构

1.本发明涉及负泊松比材料制造，具体是涉及一种三维手性负泊松比材料结构。


背景技术：

2.负泊松比材料，也被叫做拉涨材料，是一种会在轴向拉伸载荷下产生横向扩张(或在轴向压缩载荷下发生横向收缩)。由于该特性使得负泊松比超材料在物理学和力学领域拥有一些超过其他材料特性，例如高剪切刚度，良好的抗冲击能力，高抗断裂能力，压痕阻力，吸音性能和渗透率可变。这些优点使得负泊松比超材料在航空航天领域，建筑领域，生物医学领域，纺织材料领域，消声减震领域都有非常广阔的应用潜力。
3.由于2d胞状结构的局限性，研究者们着眼于三维负泊松比单元的研究。如现有技术中“"predictions of young's modulus and negative poisson's ratio of auxetic foams."physica status solidi(b)248.1(2011).”中提出了一类3d负泊松比的计算模型。随着3d打印技术的发展，使得一些超材料模型可以通过3d打印的方式制备出来，这极大的促进了3d发展。几类基于2d细胞结构的3d模型被提出。如现有技术“"mechanical properties of 3d re-entrant honeycomb auxetic structures realized via additive manufacturing."international journal of solids and structures 69-70.(2015).”中提出的一种3d重入六边形细胞结构，均采用较多连杆，且存在多个连杆共用一个节点，导致连杆尺寸受限，容易断裂，承受载荷有限。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上缺点，本发明提供一种承受较大载荷的三维手性负泊松比材料结构。
5.技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种三维手性负泊松比材料结构，包括若干依次连接的基本单胞，所述基本单胞包括中心圆球及第一至第六连杆，所述第一至第六连杆均一端与中心圆球的外壁相连但不相切，第一至第六连杆的另一端均向外延伸，所述基本单胞在空间直角坐标系三个坐标面上的投影均存在四个连杆围绕中心圆形成逆时针或顺时针旋向且沿中心圆周向均匀分布，相邻基本单胞通过任意第一至第六连杆相互连接、形成阵列排布。
6.进一步的，所述第一至第六连杆的横截面形状为圆形、矩形、变截面中的任意一种。所述基本单胞在空间直角坐标系一个坐标面上投影的四个连杆中，相对的两个连杆相互平行，且两个连杆的垂直距离等于圆球的半径。所述基本单胞采用3d打印结构。所述中心圆球采用空心圆球。
7.有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是通过连接在圆球特殊节点位置上的连杆设计，形成三维基本单胞，相比于通过二维手性结构层叠连接的三维负泊松比结构大大减小了结构所需要的连杆数，由于较少的连杆数量，且连杆均不共节点，因此连杆可以设置的较粗，不易断了，可以承受较大的载荷，并可以在较为宽泛的应变范围内实现负泊
松性能。由于整体结构部件由基础的方形连杆和圆球截面连杆组成，使得3d打印出来的模型表面精度较高，且由于连杆较少，所以更方便去除3d打印模型的打印支撑结构，使得3d模型的制备更加简单，良品率较高。
附图说明
8.图1所示为本发明中三维基本单胞的结构示意图；
9.图2所示为本发明中三维基本单胞的二维平面投影结构示意图；
10.图3所示为本发明中2*2*2三维正手性材料结构示意图；
11.图4所示为本发明中不同杆长三维基本单胞的结构示意图；
12.图5所示为本发明中不同粗细连接杆的三维基本单胞结构示意图；
13.图6所示为3d打印得到的三维手性负泊松比材料结构。
具体实施方式
14.如图3所示，本实施例中的一种三维手性负泊松比材料结构，包括若干依次连接的基本单胞，如图1所示，基本单胞包括圆球及第一至第六连杆，基本单胞将与连杆连接的节点布置在中心圆球的特定位置(非端点)，并使连杆方向朝向拉伸的轴向方向(非切向)，第一至第六连杆均一端与空心圆球的外壁相连但不相切，第一至第六连杆的另一端均向外延伸，如图2所示，基本单胞在空间直角坐标系三个坐标面上的投影均存在四个连杆围绕中心圆形成逆时针或顺时针旋向且沿中心圆周向均匀分布，相邻基本单胞通过任意第一至第六连杆相互连接、形成阵列排布。利用中心圆球上刚性节点受拉伸载荷后向右端点运动的趋势带动圆球发生旋转，通过带动各节点旋转来产生负泊松比效应，由于特殊的节点布置和极少的连杆数量，本实施例中的负泊松比结构可以承受较大的载荷。
15.本实施例中的三维手性结构在2d四连杆手性结构的基础上，通过中心圆转化为圆球，并沿坐标轴的6个方向在圆球中心体表面非坐标轴交点的6个节点处插入连杆，且连杆与坐标轴的垂直距离均相等，即在空间直角坐标系一个坐标面上投影的四个连杆中，相对的两个连杆相互平行，且两个连杆的垂直距离等于圆球的半径，得到基本的3维手性结构，其基本的几何形状由5个基本的参数确定：空心圆球的内径r和外径r，连杆长度l，以及连杆的宽度b和厚度t，第一至第六连杆的横截面形状为圆形、矩形、变截面中的任意一种，在本实施例中设置连杆横截面为正方形，因此可以b＝t。
16.如图3所示，将基本胞元结构通过阵列排布的方式，通过基本单胞的连杆横截面两两连接在一起，便可以的到正手性模型，假设每条模型边长上的单胞数量分别为n、m和k，则将这个模型定义为n*m*k胞元的正手性模型。正手性模型的最小重复单元为一个基本单胞。
17.3d手性负泊松比超材料在不同几何尺寸下受到拉伸和压缩载荷具有不同的负泊松比效应。对于本实施例中正方形横截面连杆的负泊松比手性胞元结构，决定负泊松比大小的几何参数有三个：连杆长度l，圆球中心体半径r，以及连杆截面宽度w。设置圆球中心体半径r为定值，如图4所示，通过改变连杆长l的值可以得到不同l/r的基本胞元模型，如图5所示，通过改变连杆截面宽的值可以得到不同w/r的基本胞元模型。将具有不同尺寸参数的基本胞元模型通过阵列排布的方式得到不同载荷承受能力的正手性模型。
18.本实施例中的三维负泊松比结构可以通过光敏树脂激光3d打印的方式进行制备，
并去除支撑的方式即可得到。


技术特征：
1.一种三维手性负泊松比材料结构，其特征在于，包括若干依次连接的基本单胞，所述基本单胞包括中心圆球及第一至第六连杆，所述第一至第六连杆均一端与中心圆球的外壁相连但不相切，第一至第六连杆的另一端均向外延伸，所述基本单胞在空间直角坐标系三个坐标面上的投影均存在四个连杆围绕中心圆形成逆时针或顺时针旋向且沿中心圆周向均匀分布，相邻基本单胞通过任意第一至第六连杆相互连接、形成阵列排布。2.根据权利要求1所述的三维手性负泊松比材料结构，其特征在于，所述第一至第六连杆的横截面形状为圆形、矩形、变截面中的任意一种。3.根据权利要求1所述的三维手性负泊松比材料结构，其特征在于，所述基本单胞在空间直角坐标系一个坐标面上投影的四个连杆中，相对的两个连杆相互平行，且两个连杆的垂直距离等于圆球的半径。4.根据权利要求1所述的三维手性负泊松比材料结构，其特征在于，所述基本单胞采用3d打印结构。5.根据权利要求1所述的三维手性负泊松比材料结构，其特征在于，所述中心圆球采用空心圆球。

技术总结
本发明公开了一种三维手性负泊松比材料结构，包括若干依次连接的基本单胞，基本单胞包括中心圆球及第一至第六连杆，第一至第六连杆均一端与中心圆球的外壁相连但不相切，第一至第六连杆的另一端均向外延伸，基本单胞在空间直角坐标系三个坐标面上的投影均存在四个连杆围绕中心圆形成逆时针或顺时针旋向且沿中心圆周向均匀分布，相邻基本单胞通过任意第一至第六连杆相互连接、形成阵列排布。通过连接在圆球特殊节点位置上的连杆设计，形成三维基本单胞，相比于通过二维手性结构层叠连接的三维负泊松比结构大大减小了结构所需要的连杆数，由于较少的连杆数量，负泊松比结构可以承受较大的载荷，并可以在较为宽泛的应变范围内实现负泊松性能。内实现负泊松性能。内实现负泊松性能。


技术研发人员：戴文杰 孙慧玉 高晨彤
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2022.11.02
技术公布日：2023/3/14