[發(fā)明專利]一種具有負熱膨脹性質(zhì)的雙材料微結(jié)構(gòu)

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• 申請日: 2022-05-06
• 公開（公告）號: CN114914699A
• 公開（公告）日: 2022-08-16
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉勇;毛成立;陳自謙;樂浩;周飛;張亮
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學(xué);上海新力動力設(shè)備研究所
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;B22F10/28;B22F10/38;B33Y10/00;B33Y80/00;C01G41/00
• 代理公司: 哈爾濱市陽光惠遠知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 23211
• 代理人: 鄧宇

本發(fā)明公開了一種具有負熱膨脹性質(zhì)的雙材料微結(jié)構(gòu)，屬于負熱膨脹力學(xué)超材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明采用兩種熱膨脹系數(shù)不同但均為正的材料，通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備宏觀上具有負熱膨脹性質(zhì)的超材料。本發(fā)明使用雙金屬圓環(huán)套裝，并用金屬片將兩個雙金屬圓環(huán)串聯(lián)起來，變形的驅(qū)動力依靠雙金屬圓環(huán)的翹曲變形以及由雙金屬圓環(huán)翹曲導(dǎo)致的金屬片的位移，通過交錯結(jié)構(gòu)設(shè)計，將結(jié)構(gòu)對稱性從對Y軸對稱改變?yōu)閷Y平面內(nèi)某直線對稱，提高了Y方向上的結(jié)構(gòu)緊湊程度，在不顯著增加Y方向結(jié)構(gòu)尺寸的同時，能夠容納兩個雙金屬圓環(huán)的變形，在一定溫度區(qū)間內(nèi)，能夠?qū)崿F(xiàn)變形隨溫度變化呈現(xiàn)線性關(guān)系，獲得具有負熱膨脹性質(zhì)的雙材料微結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種具有負熱膨脹性質(zhì)的雙材料微結(jié)構(gòu)，屬于負熱膨脹力學(xué)超材料技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著航空航天、精密儀器等行業(yè)的發(fā)展，對于結(jié)構(gòu)在溫度變化的情況下大多數(shù)的自然材料通常情況下熱膨脹系數(shù)大于零，即會發(fā)生熱脹冷縮現(xiàn)象。這種由于溫度變化所引起的熱變形會導(dǎo)致其中精細結(jié)構(gòu)的變化，使得系統(tǒng)不穩(wěn)定甚至遭到破壞。目前常用解決辦法是通過將正熱膨脹材料與負熱膨脹材料進行復(fù)合，從而達到近零膨脹的效果。

現(xiàn)有的通過改變成分及微觀組織實現(xiàn)負熱膨脹或微熱膨脹的材料，如：ZrW₂O₈、Sc₂(WO4)₃等材料，這些材料具有各向同性的熱膨脹系數(shù)，但這些材料成本高，制備困難，目前負熱膨脹的機理還未明確，同時這些負熱膨脹材料在復(fù)合材料制備的過程中在外界條件下容易發(fā)生相變，相變前后的膨脹系數(shù)差別較大。

超材料則不同于傳統(tǒng)材料通過改變成分組織來調(diào)控其性能，超材料著力于構(gòu)建合適的人工微結(jié)構(gòu)單元，同時對人工微結(jié)構(gòu)單元進行幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化來得到新材料。這樣得到的結(jié)構(gòu)材料呈現(xiàn)出的等效力學(xué)性能，可以根據(jù)需求來設(shè)計材料進而得到特定的力學(xué)性能。因此，通過兩種熱膨脹系數(shù)不同但均為正的材料，通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備宏觀上具有負熱膨脹性質(zhì)的超材料是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是采用兩種熱膨脹系數(shù)不同但均為正的材料，通過微結(jié)構(gòu)設(shè)計，制備宏觀上具有負熱膨脹性質(zhì)的超材料。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有負熱膨脹性質(zhì)的雙材料微結(jié)構(gòu)，包括環(huán)狀結(jié)構(gòu)1、連接板2和L形結(jié)構(gòu)3，所述的環(huán)狀結(jié)構(gòu)1具有缺口，兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)1通過一個連接板2連接，連接板2的兩端分別插入到兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)1的缺口內(nèi)；所述的L形結(jié)構(gòu)3由垂直連接的A桿和B桿組成，兩個所述的L形結(jié)構(gòu)3的A桿分別插裝在兩個環(huán)狀結(jié)構(gòu)1的缺口內(nèi)，且A桿與連接板2之間存在間隙；所述的環(huán)狀結(jié)構(gòu)1由具有缺口的內(nèi)圓環(huán)1-1和具有缺口的外圓環(huán)1-2套裝組成；所述的內(nèi)圓環(huán)1-1和L形結(jié)構(gòu)3使用熱膨脹系數(shù)為a₁的材料，所述的外圓環(huán)1-2和連接板2使用熱膨脹系數(shù)為a₂的材料，所述的0＜a₁＜a₂。

進一步限定，內(nèi)圓環(huán)1-1和外圓環(huán)1-2的環(huán)壁厚度相同。

進一步限定，連接板2一端的下表面與位于該端同一側(cè)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)1缺口的下部連接，連接板2另一端的上表面與位于該端同一側(cè)的環(huán)狀結(jié)構(gòu)1缺口的上部連接。

進一步限定，環(huán)狀結(jié)構(gòu)1的內(nèi)徑為r1為2mm，外徑r2為3mm；所述的環(huán)狀結(jié)構(gòu)1缺口的內(nèi)點開口角度α為50°，外點開口角度β為32.73°。

進一步限定，連接板2的長度為L為4mm，寬度為0.6mm。

進一步限定，A桿的長度c為2.69mm，寬度f為0.5-0.8mm，B桿的長度b為3-3.6mm，寬度a為0.5-0.7mm。

進一步限定，a₁為1.9e-5，a₂為1.5e-6。