[發明專利]具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構及其制備方法

有效

• 申請號: 202010948368.6
• 申請日: 2020-09-10
• 公開（公告）號: CN112049886B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 韓賓;吳昊;張琦
• 申請（專利權）人: 西安交通大學;浙江西安交通大學研究院
• 主分類號: F16F7/12
• 分類號: F16F7/12;B22F3/105;B29C64/118;B29C64/386;B33Y10/00;B33Y50/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 高博

本發明公開了一種具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構及其制備方法，包括若干三維單胞結構，每個三維單胞結構包括上下設置的兩個多邊形環狀結構，上下兩個多邊形環狀結構的頂點處分別通過對應設置的傾斜圓柱連接，多個傾斜圓柱沿同一方向錯位設置，兩個多邊形環狀結構的頂點處分別設置有用于連接相鄰三維單胞結構的連桿，若干三維單胞結構按空間陣列方式排布，通過對應的連桿連接構成具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構。

技術領域

本發明屬于多孔材料結構技術領域，具體涉及一種具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構及其制備方法。

背景技術

拉扭超構材料是近年來隨著結構力學的迅速發展而出現的一種人為設計的材料結構，具有在單向拉伸/壓縮加載情況下發生扭轉變形響應的特性。其主體由手性結構通過周期排列組成，承受載荷時不會像常規材料向四周膨脹，而是由于手性結構對力的傳導從而發生整體的扭轉。此外，這類超構材料還具有拉脹特性，即單向拉伸/壓縮時，垂直于加載方向會出現膨脹/收縮變形，結合大變形條件下節點旋轉和桿的彎曲，從而產生很強的沖擊能量吸收能力，其已在工業領域中存在應用，如：航空航天工程中的變形結構，如變形機翼；形狀記憶智能驅動器；生物醫學中具有高徑向擴張能力的人工支架；智能柔性微電子器件；具有高延展性的大型手性金屬玻璃等。

拉扭超構材料的結構單元由上下兩個方向相反的手性結構和中間的傾斜桿組成，單元之間由圓柱連接。在傳統制備方法中，各部件使用金屬或高分子樹脂分別獲得，傾斜桿通過激光焊接或拼裝方式與手性結構固定，但存在制備過程復雜、連接效果差、定位精度低等問題，這對其力學性能會產生很大的影響，表現為加載過程中傾斜桿的脫落和結構的提前破壞，使得其拉扭耦合行為、能量吸收能力嚴重受到制約。

近年來，學者們以二維手性結構為基礎，設計和制造了多種三維拉扭超構材料，但相對于其他常見超材料來說，其研究仍然有限，因此設計和制造新型三維拉扭超構材料，具有重要的理論意義和應用價值。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構及其制備方法，將不同形狀的多邊形手性結構與傾斜圓桿組合在一起，使其同時具有優異的拉扭耦合特性和拉脹特性。

本發明采用以下技術方案：

一種具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構，包括若干三維單胞結構，每個三維單胞結構包括上下設置的兩個多邊形環狀結構，上下兩個多邊形環狀結構的頂點處分別通過對應設置的傾斜圓柱連接，多個傾斜圓柱沿同一方向錯位設置，兩個多邊形環狀結構的頂點處分別設置有用于連接相鄰三維單胞結構的連桿，若干三維單胞結構按空間陣列方式排布，通過對應的連桿連接構成具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構。

具體的，傾斜圓柱的個數與多邊形環狀結構的頂點個數相同，每個傾斜圓柱的軸線與上下兩個多邊形環狀結構的形心連線不平行且以形心連線為中心線呈圓周陳列分布，形成一個傾斜的旋轉方向。

具體的，連桿與多邊形環狀結構頂點處的連接角度為銳角，連桿以多邊形環狀結構的形心為中心呈圓周陣列分布，上下兩個多邊形環狀結構互為翻轉關系且形心在Z方向上對齊。

進一步的，三維單胞結構以X方向、與X呈120°方向和Z方向在空間上陣列分布。

更進一步的，在XOY平面上，相鄰三維單胞結構的連桿相交處通過傾斜圓柱連接，傾斜圓柱的高度與多邊形環狀結構的厚度相同。

更進一步的，在Z方向上，相鄰的傾斜圓柱的旋轉方向呈正反交替排列。

具體的，多邊形環狀結構包括正六邊形環狀結構、正方形環狀結構、圓環狀結構和三角形環狀結構。

本發明的另一個技術方案是，一種制備具有拉扭耦合特性的手性拉脹超構材料結構的方法，包括以下步驟：