具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构及制备方法

1.本发明涉及一种具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构及制备方法。


背景技术：

2.工程科技发展支撑着我国现代化经济体系建设，解决工程科技发展中的问题对于推动科技和经济发展有重要的促进作用。振动和冲击碰撞是航空航天、动力机械、防护装备、交通运输、土木建筑等工程领域中难以避免的问题，而强烈的振动或剧烈的冲击严重影响装备或器件的性能、精度、寿命，严重时甚至会造成事故威胁到人身安全。实现振动的减弱或抑制，提高结构的耐撞性能，具有极其重要的工程意义。除了开发冲击防护技术外，也迫切需要发展具有优良减振/吸能特性的工程材料或结构。机械超材料是一种基于其几何结构获得独特机械性能或力学性质的超材料。在减振吸能等工业应用中，机械超材料的带隙减振特性和缓冲吸能特性彰显出独特的潜力。在对物理结构进行设计以实现特定功能需求的设计理念指引下，人工构筑的减振/吸能机械超材料显示出可设计性强、性能可定制化等特点，再加上其本身具有的轻质承载特点，作为一种特殊功能结构在减振吸能应用场景中可发挥出重要作用。
3.目前周期性胞元结构金属多孔材料的制造技术主要有：增材制造法、熔模铸造法、变形成形法、金属丝搭接组装法等。
4.现有的三维负泊松比结构的问题和缺陷主要有：（1）现有的负泊松比结构在功能设计方面，主要以增强结构的负泊松比效应，满足承载、抗冲击、吸能、热防护等功能需求为主，几乎没有考虑结构的带隙减振性能。而现有的声子晶体结构主要以研究带隙起止频率和宽度调控为主，结构自身抗冲击能力有限。在现有的周期性胞元结构中，几乎没有兼具优良减振和吸能特性的轻质超材料结构，难以满足工程实际的多功能需求。
5.（2）金属丝网结构材料制造技术方面：现有的增材制造技术主要采用选区熔化工艺，在加工丝网状构件时，容易产生局部热应力不均匀，进而导致定形后的材料弹塑性性能一致性较差；熔模铸造法需要通过使用挥发性制备模具，污染较大，且容易产生影响结构材料的残余物；变形成形法主要适用与微结构相对简单，且以板材加工为主，对于复杂功能构件模具和成形工艺难度较大；金属丝搭接组装法可采用定制化工装实现各种功能微结构材料的制备，但在节点可靠连接方法目前采用的过渡液相连接技术或阻焊方式，操作过程较为复杂，效率较低。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构及制备方法。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构，包括负泊松比的金属骨架，所述金属骨架的顶部设置有固定连接片，所
述固定连接片上开设有若干个圆孔，其中一部分圆孔经金属骨架顶部的波峰连接节点一一对应穿过，且两者之间均过盈穿插连接有固定金属丝，另一部分圆孔上均固连有振子，所述振子与波峰连接节点均呈矩形阵列排布，形成两种点阵胞元，两种胞元之间交互作用。
8.优选的，所述金属骨架由两种几何参数的金属丝编织而成，所述固定连接片与金属骨架使用同种金属材料，所述振子为密度大的金属材料，其密度大于固定连接片与金属骨架。
9.优选的，所述振子为螺栓形振子，螺栓形振子包括螺栓与螺母，螺栓穿过圆孔后经螺母螺接紧固在固定连接片上。
10.优选的，所述金属骨架为单层三维双箭头负泊松比结构，单层三维双箭头负泊松比结构包括若干组二维双箭头结构，二维双箭头结构均包括两种规格的波浪形的金属丝，两种金属丝的波峰高度均不同，两种金属丝的波谷均一一相对应排列，且波谷连接节点均通过电阻点焊连接成二维双箭头结构；若干组二维双箭头结构之间再正交排列，若干组二维双箭头结构的波峰连接节点一一相对应排列，且在波峰连接节点处采用电阻点焊连接形成单层三维双箭头负泊松比结构。
11.优选的，所述金属骨架的数量具有若干组且上下叠设，其中下层金属骨架的顶部波峰位置与上层金属骨架的底部波峰位置一一相对应，并在此节点处采用电阻点焊的方式连接形成多层三维双箭头负泊松比结构。
12.优选的，所述固定金属丝沿金属骨架的金属丝顶部穿过，固定金属丝顶部与波峰连接节点过盈配合，底部与固定连接片过盈配合。
13.优选的，两种点阵胞元分别为a型点阵胞元与b型点阵胞元，其中a型点阵胞元由四个固支点和一个中心振子组成胞元，b型点阵胞元由一个中心固支点和四个振子组成胞元。
14.一种具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构的制备方法，按以下步骤进行：（1）固定连接片采用激光切割方案直接对金属板切割而成；（2）两种规格的波浪形的金属丝通过折弯机对金属直丝加工而成；（3）金属骨架结构由加工得到的两种金属丝组合而成，两种规格的金属丝区分出波峰、波谷位置；（4）两种金属丝的波谷均一一相对应排列，且波谷连接节点均通过电阻点焊连接成二维双箭头结构，若干组二维双箭头结构之间再正交排列，且波峰连接节点一一相对应排列，在波峰连接节点处采用电阻点焊连接形成单层三维双箭头负泊松比结构；（5）将金属骨架制作若干组且上下叠设，其中下层金属骨架的顶部波峰位置与上层金属骨架的底部波峰位置一一相对应，并在此节点处采用电阻点焊的方式连接形成多层三维双箭头负泊松比结构。
15.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）本发明采用三维双箭头单胞阵列组合而成，结构中金属骨架与振子通过固定连接片组合，使结构能同时呈现出负泊松比与带隙减振性能，实现了缓冲吸能特性与带隙减振多功能复合，且点阵结构本身具有轻质承载能力强的特点，能满足工程实际中日益复杂的多功能需求。
16.（2）本发明采用三维双箭头单胞阵列组合而成，对于单胞几何参数的改动可对整体结构的力学性能进行设计定制。例如，通过金属骨架杆件的几何参数对整体结构的负泊松比性能进行定制；通过振子的参数调整对整体结构的带隙减振特性进行定制，设计定制带隙的宽度与起止频率，在工业中具有更为广阔的适用性。
17.（3）本发明采用的制备方式是金属丝编织法，通过金属丝堆垛和电阻点焊复合胶粘的节点连接方式复合成形，可实现低成本、短流程的制造方式，且结构中金属骨架部分使用的金属丝基材成熟稳定，整体结构制备过程简单。
18.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
附图说明
19.图1为多层三维双箭头负泊松比结构的构造示意图。
20.图2为单层三维双箭头负泊松比结构的构造示意图。
21.图3为二维双箭头结构的构造示意图。
22.图4为二维双箭头结构正交排列在波峰节点处点焊连接的示意图。
23.图5为金属骨架与固定连接片的固定方式的局部示意图。
24.图6为螺栓形振子固定在固定连接片上的局部示意图。
25.图7为a型点阵胞元与b型点阵胞元的分布示意图。
26.图中：1、金属骨架；2、螺栓形振子；3、固定连接片；4、连接节点；5、固定金属丝；a、a型点阵胞元；b、b型点阵胞元。
具体实施方式
27.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
28.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
29.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
30.如图1~7所示，本实施例提供了一种具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构，包括负泊松比的金属骨架，所述金属骨架的顶部设置有固定连接片，所述固定连接片上开设有若干个圆孔，其中一部分圆孔经金属骨架顶部的波峰连接节点一一对应穿过，且两者之间均过盈穿插连接有固定金属丝，另一部分圆孔上均固连有振子，所述振子与波峰连接节点均呈矩形阵列排布，形成两种点阵胞元，两种胞元之间交互作用。
31.在本发明实施例中，所述金属骨架由两种几何参数的金属丝编织而成，所述固定连接片与金属骨架使用同种金属材料，所述振子为密度大的金属材料，其密度大于固定连接片与金属骨架。
32.在本发明实施例中，所述振子为螺栓形振子，以实现带隙减振的功能，螺栓形振子包括螺栓与螺母，螺栓穿过圆孔后经螺母螺接紧固在固定连接片上。
33.在本发明实施例中，所述金属骨架为单层三维双箭头负泊松比结构，单层三维双箭头负泊松比结构包括若干组二维双箭头结构，二维双箭头结构均包括两种规格的波浪形的金属丝，具体为箭头型金属丝，两种金属丝的波峰高度均不同，两种金属丝的波谷均一一相对应排列，且波谷连接节点均通过电阻点焊连接成二维双箭头结构；若干组二维双箭头
结构之间再正交排列，若干组二维双箭头结构的波峰连接节点一一相对应排列，且在波峰连接节点处采用电阻点焊连接形成单层三维双箭头负泊松比结构，如附图4，使金属骨架能够呈现出负泊松比力学性能，并在焊接节点处以胶粘复合。三维结构的单胞是由二维双箭头结构正交组合而成的立体结构，该结构中，双箭头单胞作为拉胀结构阵列组合形成负泊松比金属骨架部分，焊接节点与螺栓形振子在固定连接片上呈矩形阵列排布，形成两种点阵胞元，两种胞元之间交互作用，使该种三维双箭头结构同时具有负泊松比和可调带隙，在缓冲吸能的同时，能减弱或抑制结构中振动的传播，且由于整体结构均由单胞有序排列组合而成，还具有可设计性强，性能可定制化等优点。
34.在本发明实施例中，所述金属骨架的数量具有若干组且上下叠设，其中下层金属骨架的顶部波峰位置与上层金属骨架的底部波峰位置一一相对应，并在此节点处采用电阻点焊复合胶粘的方式连接形成多层三维双箭头负泊松比结构。
35.在本发明实施例中，所述固定金属丝沿金属骨架的金属丝顶部穿过，固定金属丝顶部与波峰连接节点过盈配合，底部与固定连接片过盈配合。
36.在本发明实施例中，两种点阵胞元分别为a型点阵胞元与b型点阵胞元，其中a型点阵胞元由四个固支点和一个中心振子组成胞元，b型点阵胞元由一个中心固支点和四个振子组成胞元。双箭头结构和螺栓形振子凭借一个合理的结构配置使得结构在具有吸能性能的同时能够产生弹性波带隙实现减振，保留了金属骨架优越的力学性能，并且实现了兼具减振和吸能效果的多功能性，有广阔的适用性和设计空间，能满足工程实际中日益复杂的多功能需求。
37.一种具有负泊松比和可调带隙的正交金属丝网结构的制备方法，按以下步骤进行：（1）固定连接片采用激光切割方案直接对金属板切割而成；（2）两种规格的波浪形的金属丝通过折弯机对金属直丝加工而成；（3）金属骨架结构由加工得到的两种金属丝组合而成，两种规格的金属丝区分出波峰、波谷位置；（4）两种金属丝的波谷均一一相对应排列，且波谷连接节点均通过电阻点焊连接成二维双箭头结构，若干组二维双箭头结构之间再正交排列，且波峰连接节点一一相对应排列，在波峰连接节点处采用电阻点焊连接形成单层三维双箭头负泊松比结构；（5）将金属骨架制作若干组且上下叠设，其中下层金属骨架的顶部波峰位置与上层金属骨架的底部波峰位置一一相对应，并在此节点处采用电阻点焊的方式连接形成多层三维双箭头负泊松比结构。
38.三维双箭头结构体作为一种点阵结构可作为夹芯结构中的芯子部分，将三维双箭头结构的顶层波峰节点、底层的波谷节点与上、下面板通过电阻点焊、胶粘或钎焊等方式连接，利用结构优良的缓冲吸能和减振隔振特性等力学性能，来满足工程实际的多功能需求。该结构可作为新型多相复合负泊松比结构的骨架增强体，将结构与聚合物硫化形成复合减震结构；也可单独作为元器件在机械装置中发挥作用，并且这种源于结构的多功能性不受限于组成材料，因而具有广阔的适用性和设计空间。
39.三维双箭头结构作为应用于缓冲吸能、带隙减振等方面的零件，可以广泛应用于航空航天、动力机械、防护装备、交通运输、土木建筑等系统中。可利用其疏松多孔特点制作轻质高强度夹层结构；可利用压痕阻力现象制作防弹，抗冲击设备等；可利用特殊的拉胀行为，制作血管支架及变体机翼；可利用结构的带隙，制作减振、隔振零件等。
40.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任
何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。