一种三维双箭头负泊松比材料及其制造方法

本发明涉及负泊松比超材料吸能，尤其是涉及一种三维双箭头负泊松比材料及其制造方法。

背景技术：

1、当前生产建设在不断的发展，对工程技术的要求也随之提高，传统的力学材料在一些领域的可适用性逐渐下降，已经不能满足人们生产生活的需要，因此，需要一些具有超常力学特性的材料应用到工程技术中。

2、负泊松比超材料具有受压时收缩，受拉时膨胀这一力学特性，使得其与传统的力学超材料相比有着优秀的抗剪切性能、良好的比吸能、比强度和抗冲击性能。目前，负泊松比超材料已经广泛应用在车辆船舶、航空航天、医疗器械等领域，发挥着重要的作用。

3、目前，研究人员已经提出一些具有双箭头负泊松比超材料结构模型，但是对于三维的双箭头负泊松比超材料的研究较少，现有的双箭头负泊松比超材料大多不够轻量化，负泊松比效果不够显著，而且在受到冲击载荷受压时初始应力过高稳定性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种三维双箭头负泊松比材料及其制造方法，本发明相比与以往的双箭头负泊松比超材料有着更加优秀的可定制负泊松比效果、更加的轻量化，在提高材料负泊松比性能，增强结构稳定性和普适性方面有着重要意义。

2、本发明提供了一种三维双箭头负泊松比材料，包括：双箭头结构单元，所述双箭头结构单元在三维空间中沿x轴、y轴、z轴方向相互连接形成阵列结构；所述双箭头结构单元包括两个指向相反的箭头状框架结构，所述箭头状框架结构包括上杆、对称连接在所述上杆两端的两根斜杆、以及连接在两根所述斜杆之间的两根底杆，两根所述底杆的另一端相连，且向所述上杆一侧倾斜，形成凹陷结构；所述两个指向相反的箭头状框架结构垂直连接在两根所述底杆的连接位置处；所述斜杆与所述底杆连接位置的外侧具有连接切面，在x轴、y轴方向上，相邻的两个所述双箭头结构单元之间通过所述连接切面相对接；在z轴方向上，相邻的两个所述双箭头结构单元之间通过所述上杆相对接。

3、进一步地，所述底杆的长度大于所述上杆的长度。

4、进一步地，所述底杆相连的位置连接有下杆，所述下杆与所述上杆平行。

5、进一步地，所述下杆的长度与所述上杆相等。

6、进一步地，所述斜杆与所述底杆之间的夹角为锐角。

7、进一步地，所述连接切面为正方形。

8、进一步地，相邻的两个所述连接切面之间为无缝连接。

9、本发明提供了一种三维双箭头负泊松比材料的制造方法，包括：

10、s1，在前视基准面上画出单箭头结构的二维草图；

11、s2，在单箭头结构的二维草图基础上，双向等距偏移，再双向等距拉伸，形成单箭头结构的三维草图；

12、s3，在斜杆与底杆连接处切出一个连接切面，形成双箭头结构单元上半部分的三维模型；

13、s4，将双箭头结构单元上半部分的三维模型以过下杆的轴线并垂直于前视基准面的基准面为镜像平面镜像，之后将镜像过来的三维模型绕垂直于下杆的基准轴旋转90°，将两部分组合起来构成双箭头结构单元；

14、s5，将各双箭头结构单元在横向上通过连接切面无缝连接，纵向上通过上一个双箭头结构单元的上杆与下一个双箭头结构单元的上杆正交无缝连接，从而将各双箭头结构单元在横向和纵向上阵列，形成三维双箭头负泊松比材料。

15、进一步地，在所述步骤s2中，双向等距偏移t/2，再双向拉伸t/2。

16、进一步地，在所述步骤s3中，连接切面为边长为t的正方形。

17、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

18、1.本发明所提出的一种三维双箭头负泊松比超材料，负泊松比效果要优于传统的负泊松比超材料，本发明中的双箭头方向互逆的同时相互正交，在受压时两端箭头受压中间箭尾向中间收缩的效果更好，结构的负泊松比效果响应速度相比传统的负泊松比超材料也更加的快。

19、2.传统的三维箭头重入结构箭头方向相同相互正交设计，这样的设计方法使得结构在受载时结构之间过早的相互接触，结构过早地进入密实阶段，从而导致吸能效果不够理想，而本发明中通过将双箭头互逆相互正交形成单胞的设计使得在有限的空间中更好的提升结构的比吸能效果。

20、3.本发明中的结构具有泊松比可调节性，通过改变结构中斜杆与底杆的长度比例和两杆件之间的角度可以调节本结构的泊松比大小同时也能调节泊松比的响应速度，便于在各种不同场景的的应用。

21、4.本发明中点阵结构的连接处通过连接切面无缝连接的设计处理，可以改善结构的吸能效果，有效减少应力集中的现象，提高了结构的稳定性。

技术特征：

1.一种三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，包括：双箭头结构单元，所述双箭头结构单元在三维空间中沿x轴、y轴、z轴方向相互连接形成阵列结构；

2.根据权利要求1所述的三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，所述底杆(3)的长度大于所述上杆(1)的长度。

3.根据权利要求2所述的三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，所述底杆(3)相连的位置连接有下杆(5)，所述下杆(5)与所述上杆(1)平行。

4.根据权利要求3所述的三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，所述下杆(5)的长度与所述上杆(1)相等。

5.根据权利要求1所述的三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，所述斜杆(2)与所述底杆(3)之间的夹角为锐角。

6.根据权利要求1所述的三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，所述连接切面(4)为正方形。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的三维双箭头负泊松比材料，其特征在于，相邻的两个所述连接切面(4)之间为无缝连接。

8.一种三维双箭头负泊松比材料的制造方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的三维双箭头负泊松比材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤s2中，双向等距偏移t/2，再双向拉伸t/2。

10.根据权利要求9所述的三维双箭头负泊松比材料的制造方法，其特征在于，在所述步骤s3中，连接切面为边长为t的正方形。

技术总结
本发明提供了一种三维双箭头负泊松比材料及方法，包括：双箭头结构单元，所述双箭头结构单元在三维空间中沿x轴、y轴、z轴方向相互连接形成阵列结构；所述双箭头结构单元包括两个指向相反的箭头状框架结构，所述箭头状框架结构包括上杆、对称连接在所述上杆两端的两根斜杆、以及连接在两根所述斜杆之间的两根底杆，两根所述底杆的另一端相连，且向所述上杆一侧倾斜，形成凹陷结构；所述两个指向相反的箭头状框架结构垂直连接在两根所述底杆的连接位置处。本发明负泊松比效果要优于传统的负泊松比超材料，本发明中的双箭头方向互逆的同时相互正交，在受压时两端箭头受压中间箭尾向中间收缩的效果更好，结构的负泊松比效果响应速度更快。

技术研发人员：李方义,王子杰,张强,汪涛,陈远文,曾荣
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14