[发明专利]基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料

说明书

本发明属于结构优化和材料技术领域，具体涉及一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料。所述三维可控拉胀结构是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述立体结构表现出负泊松比效应；所述3D单胞结构是由不同尺寸的直杆和一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元，或所述3D单胞结构是全部由一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元；所述3D单胞结构具有空间平移对称性。本发明针对目前三维负泊松比结构与材料存在应力集中和构型单一的问题，提供了一种可设计性好、性能可控性强、应力集中小、强度高的拉胀结构与材料。

技术领域

本发明属于结构优化和材料技术领域，具体涉及一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料。

背景技术

随着工程技术对轻质、高强材料需求的日益增加，使得周期性有序点阵材料应运而生，这种点阵结构的设计可以使材料表现出不寻常或前所未有的物理和机械特性，也被称为超构材料。作为力学超构材料重要的一类，拉胀超构材料由于人工独特的结构设计，而呈现出拉胀效应(也称负泊松比效应)，即具有在拉伸载荷下膨胀，压缩载荷下收缩的力学特性，这种反常的“拉胀”行为使其表现出一系列更加优异的力学和物理特性，如更高的能量吸收本领、阻尼特性、剪切模量、压痕阻力、断裂韧性等优良的力学性能，同时可以通过改变单胞的构型，内部填充等实现力学、声学和电学等性能的调控，这些优异的特性均使拉胀材料和结构在航空航天、交通、阻尼减振、传感器、生物医学等领域具有广阔的应用前景，已成为世界各国材料研究的前沿领域。

泊松比的定义为弹性体在受到纵向拉伸时，横向收缩应变与纵向伸长应变的比值的负值。自然界的材料，泊松比大部分都在0.3～0.5之间，负泊松比材料在自然界存在较少，20世纪早期研究者发现黄铁矿，砷、镉等少数材料可在低应变下表现出负泊松比效应。但作为一种可设计性材料的概念，直到20世纪80年代才由Lakes提出，并首次制备了具有负泊松比性质的泡沫聚氨酯材料。20世纪90年代后Evans等人把这种具有负泊松比性质的材料命名为拉胀胞状材料(以下简称拉胀材料)，此后人们对拉胀材料才有了正确认识，具有多孔结构的拉胀材料才不断被设计、合成与制备，尺度涵盖了微观分子到宏观结构范围，其特殊的力学性能使拉胀材料迅速发展。

拉胀结构根据其单胞构型及空间结构形式分为二维(2D)和三维(3D)拉胀结构，其中2D拉胀结构最早被提出，也是目前研究最广泛的结构。与2D拉胀结构和材料相比，3D拉胀结构与材料具有更加优异的力学和功能特性，然而其结构复杂，制备合成面临着巨大挑战。近年来，随着激光选区熔化、电子束选区熔化、激光直写等增材制造技术的发展，使得制备复杂形状的3D拉胀结构与材料成为了可能，3D周期性拉胀材料也成为了目前材料领域研究的焦点。

然而，目前拉胀结构的设计主要集中在单胞杆件为直杆的情况，构型单一，应力集中明显，三维弯曲杆件(一定曲率的杆件)构成的拉胀材料未见报道。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构与材料。

本发明的目的是提供一种基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述三维可控拉胀结构是由若干3D单胞结构在三维空间内周期排列连接而成的立体结构；所述立体结构表现出负泊松比效应；

所述3D单胞结构是由不同尺寸的直杆和一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元，或所述3D单胞结构是全部由一定曲率的弯曲杆件组成的结构单元；所述3D单胞结构具有空间平移对称性；

所述弯曲杆件的曲率半径大于等于1mm。

优选的，上述基于曲率设计的三维可控拉胀结构，所述3D单胞结构的设计参数包括直杆或弯曲杆件的截面形状、直杆直径、弯曲杆件直径、弯曲杆件的曲率半径、直杆长度、两直杆之间的间距；

所述直杆或弯杆的截面形状为圆形、矩形或者U形，所述直杆的直径范围是0.1～10.0mm，弯曲杆件直径范围是0.2～10mm，所述直杆长度范围是5.0～100.0mm，两直杆之间的间距范围是5.0～100.0mm。