一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料

1.本发明属于超材料技术领域，特别涉及一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料。
技术背景
2.超材料是指人们在不违背基本的物理学规律的前提下，人工设计出天然材料所不具备的超常物理性质的复合材料。超材料的性能不仅由其组成的基本材料的性能所决定，而且和它们被设计成的结构有关。力学超材料是超材料中的一大类，是指具有反直觉机械性能的人造材料，如负泊松比材料、负热膨胀材料、负刚度材料等等。
3.自然界中绝大多数材料具有“热胀冷缩”的性质，即具有正的热膨胀系数。但是材料的热膨胀系数会对一些处于温差比较大工作环境中的仪器带来不利影响，例如，在太空中围绕地球高速运转的卫星，其外壳与地球大气层摩擦，温度高达数百摄氏度，而舱内依然保持室温，巨大的温差容易产生壳体裂纹致使卫星损坏。其次，太空中昼夜温差高达到200℃，航天卫星的太阳能电池板和基板很容易因不协调的热变形而损坏。为了有效解决在诸多工程领域中，因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题，研究人员便期望获得呈现出“冷胀热缩”的负热膨胀材料。虽然自然界中存在一些负热膨胀性质的天然材料，但是这些材料实现负热膨胀性质的温度区间狭窄并且负热膨胀系数比较小，力学性能往往难以满足工程需求，因此学者们便由两种或多种正膨胀材料制备宏观上呈现负热膨胀性质的超材料。


技术实现要素：

4.鉴于现有技术的缺陷，本发明旨在于提供一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料，该超材料基于双材料三角形单元在平面内周期性排列设计而成的热膨胀系数可调的二维力学超材料，有效的解决了在诸多工程领域中，因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题，而且拓展了超材料的种类。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
6.一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料，所述超材料的结构包括4个三角形晶格单元，三角形晶格单元中相邻的两条边使用热膨胀系数比较大的基础材料制成，另一条边使用热膨胀系数比较小的基础材料制成；所述4个三角形晶格单元排列形成平面菱形结构，其中热膨胀系数比较大的杆件作为所述菱形结构内部的杆，热膨胀系数比较小的杆作为所述菱形结构的边杆，若干所述菱形结构在平面内首尾相连而成的所述超材料。
7.需要说明的是，通过调节所述基础材料的热膨胀系数，或者调节三角形晶格单元的顶角，使所述超材料的宏观热膨胀系数可调节，实现了负热膨胀特性。
8.本发明的有益效果在于，当作用于平面晶格的温度均匀升高时，构成材料的各个杆件发生轴向伸长，两条热膨胀系数较大的杆件相较于热膨胀系数较小的杆件产生比较大
的热变形，由于双材料三角形晶格三条边之间的相互约束，必然使三角形沿热膨胀系数较大杆方向总长度的减小而垂直于此方向高度的增加以维持三角形结构，利用此原理实现三角形晶格热膨胀系数的可调性。故本发明解决了在诸多工程领域中，因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题，而且拓展了超材料的种类。
附图说明
9.图1是本发明实施例一的结构示意图；
10.图2是本发明实施例二的结构示意图；
11.图3是本发明实施例一的数值仿真结果。
具体实施例
12.以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
13.本发明为一种基于双材料三角形晶格的二维负热膨胀超材料，所述超材料的结构包括4个三角形晶格单元，三角形晶格单元中相邻的两条边使用热膨胀系数比较大的基础材料制成，另一条边使用热膨胀系数比较小的基础材料制成；所述4个三角形晶格单元排列形成平面菱形结构，其中热膨胀系数比较大的杆件作为所述菱形结构内部的杆，热膨胀系数比较小的杆作为所述菱形结构的边杆，若干所述菱形结构在平面内首尾相连而成的所述超材料。
14.需要说明的是，通过调节所述基础材料的热膨胀系数，或者调节三角形晶格单元的顶角，使所述超材料的宏观热膨胀系数可调节，实现了负热膨胀特性。
15.实施例
16.实施例一
17.本发明采用四个双材料三角形晶格设计了一种可实现负热膨胀性质的平面菱形单元，如图1a所示。以四个菱形单元在平面内首尾相连的排列方式向外拓展而成的平面材料，如图1b所示。双材料三角形晶格两条边使用热膨胀系数比较大的材料，另一条边使用热膨胀系数比较小的材料。通过调节基础材料的热膨胀系数，或者调节三角形结构的顶角，使二维多胞结构的宏观热膨胀系数可调节，以简单的结构实现了负热膨胀特性。故本发明解决了在诸多工程领域中，因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题，而且拓展了超材料的种类。
18.三角形结构的∠acb＝θ和构成二维单胞结构的杆bc的长度为l1,横截面积为a1，弹性模量和热膨胀系数分别为e1和α1；杆ab的长度为l2，横截面积为a2，弹性模量和热膨胀系数分别为e2和α2；杆ac的长度为l3，横截面积为a3，弹性模量和热膨胀系数分别为e3和α3。
19.根据胞元的对称关系，x方向和y方向的等效热膨胀系数相同。下面通过利用ansys软件进行数值模拟以验证所述超材料的负热膨胀特性，使用的模型大小在x轴和y轴方向上有8层胞元。使用的单元类型为beam189。长度为l1和l2的杆件使用铝的材料参数，即e1＝e2＝71.7gpa,α1＝α2＝2.32
×
10
‑5/℃。长度为l3的杆件使用铁的材料参数，即e3＝80.65gpa,
α3＝1.22
×
10
‑5/℃，材料的初始温度为20℃。构成胞元的杆件横截面积统一取1
×
1mm2的矩形截面，其中l1＝15mm，l2＝20mm,分别取值105
°
，110
°
，115
°
，120
°
，125
°
。在进行数值模拟求解所示超材料的热膨胀系数时，把材料的温度升至50℃，即温度改变量δt＝30℃,测出模型的热膨胀系数α
x
。数值仿真分析结果如图3所示，其中图3不仅反应出该超材料的负热膨胀特性，而且显示了在角度可调节范围内，该超材料的负热膨胀性质随着角度的增大而减弱。
20.实施例二
21.本发明采用四个双材料三角形晶格设计了一种可实现负热膨胀性质的菱形单元，如图1a所示。以六个菱形单元在平面内首尾相连的排列方式向外拓展而成的平面材料，如图2所示。其中双材料三角形晶格两条边使用热膨胀系数比较大的材料，另一条边使用热膨胀系数比较小的材料。通过调节基本材料的热膨胀系数，或者调节三角形结构的顶角，使二维多胞结构的宏观热膨胀系数可调节，以简单的结构实现了负热膨胀特性。故本发明解决了在诸多工程领域中，因环境温度变化剧烈引起的不均匀热应力而造成的安全隐患的问题，而且拓展了超材料的种类。
22.对于本领域的技术人员来说，可以根据以上的技术方案和构思，给出各种相应的改变，而所有的这些改变，都应该包括在本发明权利要求的保护范围之内。