[發(fā)明專(zhuān)利]一種具有局部拉扭耦合效應(yīng)的三維多胞新型超材料

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910022038.1
• 申請(qǐng)日: 2019-01-10
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109822981A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 富明慧;胡玲玲;鄭彬彬;鐘榮昌
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中山大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B32B3/12
• 分類(lèi)號(hào): B32B3/12;B32B7/08
• 代理公司: 廣州科粵專(zhuān)利商標(biāo)代理有限公司 44001
• 代理人: 蔣歡妹;莫瑤江

本發(fā)明公開(kāi)了一種具有拉扭耦合效應(yīng)的三維多胞新型超材料，該材料由單胞三維結(jié)構(gòu)通過(guò)空間陣列得到，通過(guò)在手性蜂窩板中間增加傾斜桿的方式，設(shè)計(jì)了一類(lèi)新型超材料，該材料在受到垂直于手性蜂窩板的荷載時(shí)，會(huì)由于傾斜桿的變形帶動(dòng)手性蜂窩板旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生拉扭耦合效應(yīng)。實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真分析均表明，該材料的拉扭耦合效應(yīng)比現(xiàn)有拉扭耦合材料更顯著，因而有望在縱波/旋轉(zhuǎn)波轉(zhuǎn)換、拉扭構(gòu)件設(shè)計(jì)中擁有更大的應(yīng)用前景。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種具有局部拉扭耦合效應(yīng)的三維多胞新型超材料。

背景技術(shù)：

超材料指的是具有人工設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)并呈現(xiàn)出天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的復(fù)合材料。在力學(xué)相關(guān)領(lǐng)域，最常見(jiàn)的超材料包括負(fù)泊松比材料、負(fù)熱膨脹材料等。負(fù)泊松比材料和負(fù)熱膨脹材料即其泊松比或熱膨脹系數(shù)為負(fù)值的材料。1987年，Lakes等在science上首次提出了一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的孔隙材料。在此之后，各種形式的二維的負(fù)泊松比材料層出不窮，其中最為典型的有內(nèi)凹六角形蜂窩和手性蜂窩等，這些結(jié)構(gòu)都是通過(guò)細(xì)觀上的胞壁彎曲或韌帶纏繞來(lái)實(shí)現(xiàn)宏觀上的負(fù)泊松比效應(yīng)。近年來(lái)，隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，以二維的負(fù)泊松比材料為基礎(chǔ)，學(xué)者們擴(kuò)展出了形式更為多樣的三維負(fù)泊松比材料。此外，受到負(fù)泊松比材料實(shí)現(xiàn)機(jī)理的啟發(fā)，學(xué)者們利用雙材料梁又設(shè)計(jì)出了各類(lèi)負(fù)熱膨脹材料。

Frenzel等于2017年利用四韌帶手性蜂窩的拉剪耦合效應(yīng)，通過(guò)空間組裝，設(shè)計(jì)出了一種具有拉扭耦合效應(yīng)的新型超材料。拉扭耦合效應(yīng)是一種獨(dú)特的力學(xué)效應(yīng)，它意味著材料在某個(gè)方向產(chǎn)生拉伸或壓縮變形時(shí)，將引起繞該方向的扭轉(zhuǎn)變形。這一奇特的性質(zhì)可有多方面應(yīng)用，如機(jī)械波在縱波和旋轉(zhuǎn)波之間的轉(zhuǎn)換，以及微型機(jī)械傳動(dòng)方式的轉(zhuǎn)換等。Frenzel等發(fā)現(xiàn)他們?cè)O(shè)計(jì)的材料的拉扭耦合效應(yīng)與結(jié)構(gòu)胞元數(shù)具有顯著依賴(lài)關(guān)系，在胞元數(shù)增多時(shí)拉扭耦合效應(yīng)極速下降。隨后，方岱寧等將各種類(lèi)型的手性蜂窩圍成圓筒狀，設(shè)計(jì)出了一系列拉扭耦合材料，并進(jìn)行了理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這種空心的圓筒狀結(jié)構(gòu)，受載荷時(shí)會(huì)由于局部屈曲而引發(fā)結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞。相對(duì)于負(fù)泊松比和負(fù)熱膨脹結(jié)構(gòu)而言，拉扭耦合材料的種類(lèi)和研究都比較稀少，因此，拓展三維拉扭耦合材料的設(shè)計(jì)思路和研究方法，是一個(gè)迫切的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明是在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(資助號(hào)11672338)資助下完成的，本發(fā)明的目的是提供一種具有更強(qiáng)局部拉扭耦合效應(yīng)的三維多胞新型超材料。

本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)的：

一種具有局部拉扭耦合效應(yīng)的三維多胞新型超材料，由單胞三維結(jié)構(gòu)通過(guò)空間陣列得到，所述單胞三維結(jié)構(gòu)通過(guò)在上下兩個(gè)完全相同的四韌帶手性蜂窩單元的方環(huán)之間增加傾斜的直桿實(shí)現(xiàn)，所述單胞三維結(jié)構(gòu)中，相鄰兩層完全相同的四韌帶手性蜂窩單元等距排列，且手性蜂窩單元方環(huán)沿形心對(duì)齊，傾斜的直桿將相鄰兩層對(duì)齊的方環(huán)頂點(diǎn)兩兩相連，從而形成一個(gè)三維空間結(jié)構(gòu)，其中每對(duì)方環(huán)頂點(diǎn)連接的傾斜直桿個(gè)數(shù)與方環(huán)頂點(diǎn)個(gè)數(shù)相等。

每對(duì)方環(huán)頂點(diǎn)連接的傾斜直桿為4條，組成一組并形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)方向，每組直桿形成的旋轉(zhuǎn)方向完全相同。這種結(jié)構(gòu)在垂直于手性蜂窩單元的方向受到荷載時(shí)，由于傾斜直桿的變形，會(huì)令相鄰兩層蜂窩單元之間出現(xiàn)相對(duì)扭轉(zhuǎn)。由于每組傾斜直桿的旋轉(zhuǎn)方向相同，產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)放方向也相同，因此這些扭轉(zhuǎn)會(huì)在垂直于蜂窩單元的方向上疊加傳遞，進(jìn)而使結(jié)構(gòu)整體產(chǎn)生拉扭耦合效應(yīng)。

所述四韌帶手性蜂窩單元方環(huán)替換為圓環(huán)或方盤(pán)或圓盤(pán)。

所述四韌帶手性蜂窩單元可替換為三韌帶手性蜂窩單元，相應(yīng)地方環(huán)替換為三角形環(huán)，層間連接的傾斜直桿數(shù)替換為三條。

所述四韌帶手性蜂窩單元替換為六韌帶手性蜂窩單元，相應(yīng)地方環(huán)替換為六邊形環(huán)，層間連接的傾斜直桿數(shù)替換為六條。

所述四韌帶手性蜂窩單元可替換為方形網(wǎng)狀單元。

三維結(jié)構(gòu)制備的基底材料可以是金屬、高分子材料或其它復(fù)合材料，不限于ABS光敏樹(shù)脂。