[发明专利]一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，该三维结构可以分别由两种不同的单胞通过空间阵列得到，所述的第一种单胞是由两个二维手性蜂窝的单胞通过空间旋转90度后固接到一起得到的，第二种单胞是由三个二维手性蜂窝的单胞通过空间旋转60度和120度后固接到一起得到的，所述的二维手性蜂窝的单胞则是由两根交叉并固接的杆经过两次镜面对称得到的。该多胞材料可以具有负泊松比性质，当其在一个方向上受到压缩时，会在另外两个方向上向内收缩，从而使结构更加致密，更有效的抵抗压缩载荷。此外，可以通过改变第一杆和第二杆的长细比和倾斜角度，调节多胞材料的弹性性能。

技术领域

本发明涉及一种拉胀结构，特别涉及一种基于3D打印的可控三维拉胀多胞结构。

背景技术

泊松比是指材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变绝对值的比值，也叫横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。其计算公式为：

其中，ε_x是材料的横向正应变，ε_y是材料的轴向正应变。

泊松比的取值范围为-1～0.5，人们所熟知的传统材料一般都具有正的泊松比，即材料在轴向拉伸时，横向会收缩，或在轴向压缩时，则横向会膨胀。而一些自然材料和人工设计制备的材料则可以实现负泊松比，即拉胀效应。当拉胀材料受到轴向压缩时，会产生横向收缩，结构就会变得越来越致密，从而能有效的抵抗压缩载荷，因此在承载、能量吸收等领域有着良好的应用前景。此外，拉胀材料还具有较高的断裂韧度、同向曲率、吸声降噪等优异性能，在航空航天、国防工业、汽车领域、生物医学等多个领域都有广泛的潜在应用前景。

除了自然中存在的单晶砷和镉、黄铁矿以及一些动物皮肤(猫皮肤，蝾皮肤和牛乳头皮肤)等拉胀材料之外，人工制备的拉胀材料也层出不穷，但主要为二维拉胀材料。因为受限于传统制备工艺水平，多数三维拉胀材料仅停留在理论层面，或被简化为二维结构。但随着制备技术的发展，复杂的三维结构可以通过3D打印制备出来。现有的三维拉胀多胞结构主要有两种：三维内凹六边形多胞结构和三维双箭头多胞结构，这两种三维多胞结构具有拉胀效应，且泊松比是可控的，但是这两种结构的刚度比较小。Lu等学者提出了一种基于二维十字手性蜂窝的三维十字手性多胞结构，虽然较前两种结构，该结构具有拉胀效应且刚度较大，但是模型的可控性有限，泊松比的变化范围只有-1～0。

本发明所述的三维可控拉胀多胞结构，具有两种周期性单胞形式，且空间的阵列形式多样，从而可以得到不同类型的三维多胞结构。组成周期性单胞的二维手性蜂窝结构的可控性强，第一杆和第二杆的长度以及角度θ₁和θ₂可以在一定区间内自由变化，且第一杆和第二杆的横截面可以有多种选择。这一系列可控参数和空间变化，使得本发明所述的三维可控拉胀多胞结构可以在三个主轴方向上表现出不同的且可控的弹性性能，其泊松比不仅可以是负值，也可以是正值，从而完全可以根据实际应用的要求去设定几何参数以满足要求。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述现有技术的缺点和不足，提出一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，可以通过3D打印技术快速制备。与传统的三维开孔泡沫材料相比，本发明所述的三维拉胀多胞结构材料具有负泊松比，并且弹性性能可在一个较大范围内调节，同时，还有孔隙率大、质量轻的特点；与现有三维拉胀多胞结构相比，本发明所述的三维拉胀多胞结构具有更高的刚度。

本发明主要通过下述技术方案实现：

一种基于3D打印的三维可控拉胀多胞结构，该结构是由其单胞结构通过空间阵列得到，阵列方式包括平行阵列、对角阵列和正六边形阵列形式。所述的周期性单胞有两种类型：