[發明專利]一種多尺度三維五模超材料及其增材制造方法

在審

• 申請號: 202011111080.X
• 申請日: 2020-10-16
• 公開（公告）號: CN112310647A
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發明（設計）人: 宋波;范軍翔;魏帥帥;史玉升
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;B22F3/105;B22F5/10;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 孔娜;李智

本發明屬于超材料相關技術領域，其公開了一種多尺度三維五模超材料及其增材制造方法，所述多尺度三維五模超材料為BCC結構，其包括多個桿及多個節點結構，多個所述桿的兩端分別連接于多個所述節點結構；所述桿呈圓柱狀，其開設有雙錐形通孔，所述雙錐形通孔的直徑自所述桿的一端朝所述桿的另一端先逐漸減小再逐漸增大；所述節點結構內部形成有空腔，所述雙錐形通孔與所述空腔相連通，所述空腔內填充有點陣結構。本發明提高了設計的自由度，可以將五模材料的特性參數在更大范圍內進行調節，從而獲得調控能力更強的五模材料功能構件；通過精細調節這些參數，可以調節單胞的等效密度、等效模量等特性參數，進而獲得具有不同功能的器件。

技術領域

本發明屬于超材料相關技術領域，更具體地，涉及一種多尺度三維五模超材料及其增材制造方法。

背景技術

五模材料(Pentamode materials)是一種具有固體特征的復雜流體。理想的五模材料彈性張量的六個特征值中只有一個非零，只能承受一種應力狀態，在其余應力狀態下會像流體一樣發生流動，可認為是一種廣義流體。水就是一種常見的理想五模材料，難以壓縮卻在剪切應力下極易發生變形，實際應用到的五模材料通常都具有似水的特性，即體模量很大而剪切模量很小。這種特性相當于實現了體模量和剪切模量的解耦，且體模量和剪切模量與材料中的壓縮波和剪切波的傳播速度密切相關，可以表示為：

其中，c_B和c_G分別為壓縮波的波速及剪切波的波速，B和G分別為體模量和剪切模量，ρ為密度。對于理想五模材料而言，其剪切模量G為0，因此壓縮波速度可以表達為不存在剪切波。對于實際的五模材料而言，由于其采用固體進行制造，剪切模量不可能嚴格為0，但是可以將其控制在很小的范圍內，壓縮波速遠大于剪切波速，近似具有五模特性，這使得五模材料在聲學領域有著廣泛的應用前景，可以在很大范圍內對聲波進行調控。

五模材料可以通過結構設計來實現，二維形式的五模材料通常設計為蜂窩狀，可以實現二維尺度下的聲波聚焦、隱身等功能。三維五模材料通常設計為雙錐形的金剛石結構，通過調整錐形結構的粗端和細端直徑，可以獲得不同的體模量和剪切模量，通過對其能帶結構分析可知，五模材料存在單模頻率區域，即在該頻率范圍內，只有壓縮波可以傳播，剪切波將被截止，意味著體模量和剪切模量實現了解耦。然而，傳統的雙錐形三維五模結構主要有兩個可調的參數，即雙錐的粗端和細端直徑，可以調控的范圍較窄，對于一些比較極端的參數，這種結構將難以實現。而且，當細端直徑過小時，成形誤差較大，難以達到理想的效果。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種多尺度三維五模超材料及其增材制造方法，所述五模超材料被設計為體心立方點陣(body centered cubic，BCC)結構，其由節點結構及桿兩部分組成，節點結構調節所述五模超材料的等效密度，桿主要用于調節所述五模超材料的模量。相比于傳統的雙錐形三維五模結構，本發明的多尺度三維五模超材料引入了一個新的設計自由度，即節點結構的尺寸和內部點陣結構的填充率，如此可以在不顯著影響模量的條件下調節等效密度。通過精細調節這些參數，可以調節單胞的等效密度、等效模量等特性參數，然后將這些具有不同特性參數的單胞按照一定的規則進行組合，可以獲得具有不同功能的器件，如聲波聚焦、聲波隱身等。

為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種多尺度三維五模超材料，所述多尺度三維五模超材料為BCC結構，其包括多個桿及多個節點結構，多個所述桿的兩端分別連接于多個所述節點結構；

所述桿呈圓柱狀，其開設有雙錐形通孔，所述雙錐形通孔的直徑自所述桿的一端朝所述桿的另一端先逐漸減小再逐漸增大；所述節點結構內部形成有空腔，所述雙錐形通孔與所述空腔相連通，所述空腔內填充有點陣結構。

進一步地，所述桿的中心軸與所述雙錐形通孔的中心軸重合。