[發明專利]一種基于雙材料三角形晶格的二維負熱膨脹超材料

有效

• 申請號: 202110727665.2
• 申請日: 2021-06-29
• 公開（公告）號: CN113410652B
• 公開（公告）日: 2023-01-03
• 發明（設計）人: 陳明明;富明慧;鄭彬彬
• 申請（專利權）人: 中山大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00
• 代理公司: 深圳市創富知識產權代理有限公司 44367
• 代理人: 高冰

本發明公開了一種基于雙材料三角形晶格的二維負熱膨脹超材料，所述超材料的結構包括4個三角形晶格單元，三角形晶格單元中相鄰的兩條邊使用熱膨脹系數比較大的基礎材料制成，另一條邊使用熱膨脹系數比較小的基礎材料制成；所述4個三角形晶格單元排列形成平面菱形結構，其中熱膨脹系數比較大的桿作為所述菱形結構內部的桿，熱膨脹系數比較小的桿作為所述菱形結構的邊桿，若干所述菱形結構在平面內首尾相連而形成所述超材料。

技術領域

本發明屬于超材料技術領域，特別涉及一種基于雙材料三角形晶格的二維負熱膨脹超材料。

技術背景

超材料是指人們在不違背基本的物理學規律的前提下，人工設計出天然材料所不具備的超常物理性質的復合材料。超材料的性能不僅由其組成的基本材料的性能所決定，而且和它們被設計成的結構有關。力學超材料是超材料中的一大類，是指具有反直覺機械性能的人造材料，如負泊松比材料、負熱膨脹材料、負剛度材料等等。

自然界中絕大多數材料具有“熱脹冷縮”的性質，即具有正的熱膨脹系數。但是材料的熱膨脹系數會對一些處于溫差比較大工作環境中的儀器帶來不利影響，例如，在太空中圍繞地球高速運轉的衛星，其外殼與地球大氣層摩擦，溫度高達數百攝氏度，而艙內依然保持室溫，巨大的溫差容易產生殼體裂紋致使衛星損壞。其次，太空中晝夜溫差高達到200℃，航天衛星的太陽能電池板和基板很容易因不協調的熱變形而損壞。為了有效解決在諸多工程領域中，因環境溫度變化劇烈引起的不均勻熱應力而造成的安全隱患的問題，研究人員便期望獲得呈現出“冷脹熱縮”的負熱膨脹材料。雖然自然界中存在一些負熱膨脹性質的天然材料，但是這些材料實現負熱膨脹性質的溫度區間狹窄并且負熱膨脹系數比較小，力學性能往往難以滿足工程需求，因此學者們便由兩種或多種正膨脹材料制備宏觀上呈現負熱膨脹性質的超材料。

發明內容

鑒于現有技術的缺陷，本發明旨在于提供一種基于雙材料三角形晶格的二維負熱膨脹超材料，該超材料基于雙材料三角形單元在平面內周期性排列設計而成的熱膨脹系數可調的二維力學超材料，有效的解決了在諸多工程領域中，因環境溫度變化劇烈引起的不均勻熱應力而造成的安全隱患的問題，而且拓展了超材料的種類。

為了實現上述目的，本發明采用的技術方案如下：

一種基于雙材料三角形晶格的二維負熱膨脹超材料，所述超材料的結構包括4個三角形晶格單元，三角形晶格單元中相鄰的兩條邊使用熱膨脹系數比較大的基礎材料制成，另一條邊使用熱膨脹系數比較小的基礎材料制成；所述4個三角形晶格單元排列形成平面菱形結構，其中熱膨脹系數比較大的桿件作為所述菱形結構內部的桿，熱膨脹系數比較小的桿作為所述菱形結構的邊桿，若干所述菱形結構在平面內首尾相連而成的所述超材料。

需要說明的是，通過調節所述基礎材料的熱膨脹系數，或者調節三角形晶格單元的頂角，使所述超材料的宏觀熱膨脹系數可調節，實現了負熱膨脹特性。

本發明的有益效果在于，當作用于平面晶格的溫度均勻升高時，構成材料的各個桿件發生軸向伸長，兩條熱膨脹系數較大的桿件相較于熱膨脹系數較小的桿件產生比較大的熱變形，由于雙材料三角形晶格三條邊之間的相互約束，必然使三角形沿熱膨脹系數較大桿方向總長度的減小而垂直于此方向高度的增加以維持三角形結構，利用此原理實現三角形晶格熱膨脹系數的可調性。故本發明解決了在諸多工程領域中，因環境溫度變化劇烈引起的不均勻熱應力而造成的安全隱患的問題，而且拓展了超材料的種類。

附圖說明

圖1是本發明實施例一的結構示意圖；

圖2是本發明實施例二的結構示意圖；

圖3是本發明實施例一的數值仿真結果。

具體實施例

以下將結合附圖對本發明作進一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技術方案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍并不限于本實施例。