[发明专利]基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法

说明书

本申请公开了一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构；所述负泊松比单胞结构包括：平面六边形单元、V型单元和直杆；两个平面六边形单元通过第一线段对称交叉相连，通过第一线段连接在两根直杆和之间，直杆轴线与第一线段重合，四个V型单元连接在两个平面六边形单元上，两两相连，成对称分布。本发明提供的基于量子材料原子结构的负泊松比超材料可以在较大的应变范围能保持恒定的负泊松比值，表现出显著的负泊松比效应。

技术领域

本发明涉及机械超材料结构设计领域，尤其涉及一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料及其设计方法。

背景技术

泊松比指的是材料发生横向变形的同时伴随着纵向变形的现象。具有负泊松比的材料在受到横向拉伸时，会沿着纵向发生膨胀变形，因而能够诱导出许多异于自然材料属性的反常力学特性，例如优异的抗剪切性、抗断裂韧性、压阻性、曲面同向性以及良好的缓冲吸能性能等。凭借着这些丰富的力学特性，负泊松比材料在纺织衣物、工程器械、航天航空航海、汽车结构、医疗器械和智能器件等领域有着广泛的应用前景。

负泊松比材料是新一代高性能功能材料研究领域内的重要角色之一。目前，负泊松比材料大多通过人工构造多胞结构的方法设计而成，即负泊松比超材料。负泊松比胞元结构种类目前可大致分为内凹多边形结构、旋转刚体结构、手性结构、穿孔板结构等形式，其相应的负泊松比机理研究也得到了长足的发展。然而，早期提出的内凹多边形负泊松比胞元结构大多受泡沫材料、纤维材料的微观内凹结构启发而来，随后大量涌现的负泊松比胞元结构很大程度上由上述结构衍化而成，具有一定的局限性。实际上，现有的负泊松比胞元结构种类仍十分有限，同类胞元结构的力学性能相差甚微，在实际应用上可供选择的结构较少。同时，大多数的负泊松比结构仍面临着在大应变范围内发生负泊松比劣化的不足，制约了其实际应用范围。

因此，提出一种具有启发性的负泊松比超材料设计方法以及设计具有创新性形变机制的负泊松比超材料，突破现有负泊松超材料结构种类和性能的限制，不仅对负泊松比超材料的发展具有极其重要的科学意义，还能进一步推动其实际应用的进程。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于量子材料原子结构的负泊松比超材料，在三维空间内，包括多个周期性排布且相互连接的负泊松比单胞结构；

所述负泊松比单胞结构包括：平面六边形单元、V型单元和直杆；

所述平面六边形单元包括第一平面六边形和第二平面六边形；

所述第一平面六边形包括顺次首尾连接的六个连接杆，所述第一平面六边形的连接杆包括第一甲连接杆、第二甲连接杆、第三甲连接杆、第四甲连接杆、第五甲连接杆和第六甲连接杆，所述第一甲连接杆和所述第六甲连接杆相交于第一甲节点，所述第一甲连接杆和所述第二甲连接杆相交于第二甲节点，所述第二甲连接杆和所述第三甲连接杆相交于第三甲节点，所述第三甲连接杆和所述第四甲连接杆相交于第四甲节点、所述第四甲连接杆和所述第五甲连接杆相交于第五甲节点，所述第五甲连接杆和所述第六甲连接杆相交于第六甲节点；

所述第二平面六边形包括顺次首尾连接的六个连接杆，所述第二平面六边形的连接杆包括第一乙连接杆、第二乙连接杆、第三乙连接杆、第四乙连接杆、第五乙连接杆和第六乙连接杆，所述第一乙连接杆和所述第六乙连接杆相交于第一乙节点，所述第一乙连接杆和所述第二乙连接杆相交于第二乙节点，所述第二乙连接杆和所述第三乙连接杆相交于第三乙节点，所述第三乙连接杆和所述第四乙连接杆相交于第四乙节点、所述第四乙连接杆和所述第五乙连接杆相交于第五乙节点，所述第五乙连接杆和所述第六乙连接杆相交于第六乙节点；