[發明專利]一種星型-菱形負泊松比結構

有效

• 申請號: 202111153005.4
• 申請日: 2021-09-29
• 公開（公告）號: CN113915274B
• 公開（公告）日: 2023-03-28
• 發明（設計）人: 余強;朱國華;文大偉;趙軒;魏路路;竺森森;趙眾豪
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: F16F7/12
• 分類號: F16F7/12
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 崔方方

本發明提出了一種星型?菱形負泊松比結構，包括多個周期性單元，每個周期性單元包括一個星型結構和四個單箭頭型結構；星型結構包括四個內凹箭頭，四個內凹箭頭沿周向排布且依次首尾相連；單箭頭型結構位于星型結構外部，單箭頭型結構與內凹箭頭一一對應設置，單箭頭型結構的頂點與對應內凹箭頭的頂點連接，且單箭頭型結構的角平分線與對應內凹箭頭的角平分線重合；每個周期性單元中的單箭頭型結構與相鄰周期性單元中的單箭頭型結構相連，兩個單箭頭型結構相連呈菱形結構。本發明在確保負泊松比效應的同時增強了結構的變形穩定性以及大大地提高了能量吸收性能。

技術領域

本發明屬于超材料領域，具體涉及到一種星型-菱形負泊松比結構。

背景技術

隨著工程技術的不斷發展，傳統材料的性能已經遠遠不能滿足實際的需求，因此，這就需要一些具備特殊力學性能的新材料應用到工程中。根據用途和性能，材料可以分為兩大類：功能材料和結構材料。功能材料是指具有特殊的電、光等物理性能的材料，結構材料是指具有較好的強度、剛度及耐高溫等特性的材料。傳統材料在受到單軸拉伸時會發生側向收縮變形，如圖1所示。而負泊松比材料在受到單軸拉伸時，會發生側向膨脹，如圖2所示，其在發生膨脹現象的同時，也會表現出很強的力學及物理特性，因此，負泊松比材料既是功能材料又是結構材料。單胞結構是負泊松材料的核心，對材料整體性能的好壞起著決定性作用，目前，常見的經典負泊松比單胞內凹結構主要包括：雙箭頭結構、內凹六邊形結構、星型結構、手性/反手性結構等。

負泊松比超材料具有特殊的力學現象與性能，因此在生物醫學、航空工業、國防工業及交通等領域具有廣泛的應用前景。隨著增材制造技術的發展，具有復雜結構的負泊松比超材料的制備問題得到了有效的解決。目前研究者已經提出多種胞元結構，但是一些胞元結構構成的負泊松比材料存在著負泊松比效應不明顯、初始峰值應力較大、平臺應力期較短、能量吸收性能較弱等問題，其力學性能根本滿足不了實際工程的應用需求。

例如，傳統的星型蜂窩結構在面內壓縮時初始峰值應力過大，平臺應力區較短，蜂窩過早進入密實化區，大大地降低了能量吸收性能，且蜂窩在壓縮過程中變形穩定性差，顯著地降低了抗沖擊能力。

因此，構造增強負泊松比效應、力學性能優異的新型復雜結構負泊松比超材料具有重要的意義。

發明內容

針對現有復雜結構負泊松比結構存在的缺陷，本發明提出了一種星型-菱形負泊松比結構。本發明在確保負泊松比效應的同時增強了結構的變形穩定性以及大大地提高了能量吸收性能。

本發明是通過以下技術方案來實現：

一種星型-菱形負泊松比結構，包括多個周期性單元，每個周期性單元包括一個星型結構和四個單箭頭型結構；

星型結構包括四個內凹箭頭，四個內凹箭頭沿周向排布且依次首尾相連；單箭頭型結構位于星型結構外部，單箭頭型結構與內凹箭頭一一對應設置，單箭頭型結構的頂點與對應內凹箭頭的頂點連接，且單箭頭型結構的角平分線與對應內凹箭頭的角平分線重合；

每個周期性單元中的單箭頭型結構與相鄰周期性單元中的單箭頭型結構相連，兩個單箭頭型結構相連呈菱形結構。

優選的，內凹箭頭包括兩個端部連接在一起的第一肋板。

優選的，單箭頭型結構包括兩個端部連接在一起的第二肋板。

優選的，四個內凹箭頭完全相同。

優選的，兩個內凹箭頭連接形成的夾角角度α與單箭頭型結構的角度β滿足α+β＝90°。

優選的，單箭頭型結構的胞壁長度l₁與星型結構的胞壁長度l₂相同。

優選的，單箭頭型結構的胞壁厚度t₁與星型結構的胞壁厚度t₂相同。