[发明专利]具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，将不同形状的多边形手性结构周期排列并相互连接，使其同时具有优异的压剪耦合特性和拉胀特性，且连杆相交处以圆形方式连接，在承受载荷时通过内凹和旋转两种变形机制产生负泊松比行为，从而形成很强的吸能抗冲击特性；仿真结果表明，该结构具有显著的压剪耦合和拉胀特性，在工业应用上具有广泛前景。

技术领域

本发明属于负泊松比材料结构技术领域，具体涉及一种具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法。

背景技术

压剪超构材料是负泊松比材料中的一种,它具有压剪耦合效应,即正应力会引起剪应变,剪应力会引起正应变,该耦合效应成为三维拉扭耦合材料的设计基础。其主体由多韧带手性蜂窝结构组成，承受载荷时通过内凹和旋转两种变形机制产生负泊松比行为，从而形成很强的吸能抗冲击特性，可作为结构防护材料和夹芯填充结构，在航空航天、交通运输等众多碰撞及冲击能量吸收技术领域具有广泛的应用前景。

对于压剪超构材料，传统制备方法采用熔模铸造法，但是这种方法工艺流程繁琐、单胞尺度偏大、结构精度较低、适用材料较少，很难满足实际应用的需求。

近年来，学者们设计和制造了多种压剪超构材料，但相对于其他常见超材料来说，其研究仍然有限，因此设计和制造新型压剪超构材料，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，将不同形状的多边形手性结构周期排列并相互连接，使其同时具有优异的压剪耦合特性和拉胀特性。

本发明采用以下技术方案：

具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构，包括若干二维单胞结构，每个二维单胞结构包括多边形环状结构，多边形环状结构的顶点处分别设置有连杆，连杆以多边形环状结构的形心为中心呈圆周阵列分布，若干二维单胞结构采用平面阵列方式分布，通过对应的连杆连接构成具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

具体的，连杆与多边形环状结构的顶点处的连接角度为锐角。

具体的，二维单胞结构以X方向和与X呈120°方向在平面上阵列分布。

具体的，在XOY平面上，相邻二维单胞结构的连杆相交处以圆形方式连接。

进一步的，多边形环状结构包括正六边形环状结构、正方形环状结构、圆环状结构和三角形环状结构。

更进一步的，圆环状结构对应的连杆的数量为4。

本发明的另一个技术方案是，一种制备具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构的方法，包括以下步骤：

S1、根据多边形环状结构确定单胞形状，然后将对应的连杆与多边形环状结构的顶点处以锐角角度连接构成二维单胞结构，再将二维单胞结构在平面上阵列分布，通过连杆连接得到平面模型，再将平面模型在垂直方向上拉伸得到制备用模型；

S2、对步骤S1获得的模型进行几何建模和构型设计，得到模型文件；

S3、采用3D打印方式，导入步骤S2确定的模型文件，打印点阵模型，去除支撑后得到具有压剪耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

具体的，步骤S2中，确定多边形环状结构的边长和宽度、连杆的长度和宽度、连杆与多边形环状结构的连接角度，建立二维单胞结构，再根据各方向上的二维单胞结构个数，通过平面阵列和拉伸操作得到相应的点阵结构模型文件。

具体的，步骤S3中，3D打印采用熔融沉积法和激光选区熔化方法。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：