[发明专利]一种具有三维负泊松比的多孔材料结构

说明书

本发明提供了一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，包括沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构，相邻上下两层网状结构之间通过支撑韧带连接；其中，每层网状结构均沿XOY平面延展。本发明提供的一种具有三维负泊松比的多孔材料结构在变形时消除了其XOY平面二维子结构的拉剪耦合效应，使此三维结构本构关系通常情况下为正交各向异性，便于设计分析。通过调节几何尺寸，本结构不仅可以实现各向同性，而且其三个方向的负泊松比数值都具有很大的变化范围，增加了实际应用的选择余地。

技术领域

本发明涉及多孔材料结构领域，具体涉及一种具有三维负泊松比的多孔材料结构。

背景技术

负泊松比材料又称拉胀材料，是指单向拉伸(或压缩)时，垂直于加载方向会出现膨胀(或收缩)变形的材料。负泊松比材料由于具有不同于普通材料的独特性质，在很多方面具备了其他材料所不能比拟的优势，尤其是材料的物理机械性能有了很大的提高，如可以提高材料的剪切模量、抗断裂性能、压痕阻力，同时负泊松比材料也可实现十分优秀的吸声性能、抗冲击性能。

然而，现有的三维负泊松比材料的种类有限，制造工艺难度大，工程应用选择余地小，因此设计出新型的三维负泊松比材料，具有重要的理论和应用意义。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提供一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，其采用简单的结构实现了负泊松比特性。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种具有三维负泊松比的多孔材料结构，包括沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构，相邻上下两层网状结构之间通过支撑韧带连接；其中，每层网状结构均沿XOY平面延展；

所述网状结构包括多个支撑单元和连接于多个支撑单元之间的连接韧带；在每层网状结构中，所有支撑单元在XOY平面上均匀分布地排列成正N边形网状拓扑结构，各支撑单元的形心位于网状拓扑结构的结点处，每个支撑单元的四周通过M条连接韧带分别连接到与其距离最近的M个支撑单元，每个支撑单元上的M条连接韧带关于该支撑单元的形心旋转对称；

连接于两支撑单元之间的连接韧带与所述两支撑单元的形心连线之间具有一不为0°的夹角；

所述沿Z轴方向依次平行层叠设置的多层网状结构中，每相邻两层网状结构互为翻转关系；

在Z轴方向上每相邻两个支撑单元的形心沿Z轴对齐，且两者的端面通过M条支撑韧带互相连接，所述M条支撑韧带与各支撑单元的连接点分别位于支撑单元与M条连接韧带的连接点处；位于同一连接点处的支撑韧带和连接韧带的夹角为锐角；Z轴方向上每相邻两个支撑单元上的M条支撑韧带关于其所连接的两个支撑单元的形心连线旋转对称。

进一步地，所述支撑单元呈圆环状，支撑单元上的连接韧带沿周向均匀分布。

进一步地，所述支撑单元呈正M边形，支撑单元上的连接韧带和支撑韧带连接于支撑单元的顶点处。

进一步地，所述支撑单元呈圆环状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形；

每个支撑单元的四周沿周向均匀分布有四条连接韧带，每个支撑单元通过四条连接韧带分别连接到在X轴和Y轴上与其相邻的其他四个支撑单元上。

进一步地，所述支撑单元呈正方形框状；在每层网状结构中，所有支撑单元的形心在XOY平面上均匀分布地排列成正四边形网状拓扑结构，即支撑单元沿X轴和Y轴排列成正方形阵列，在X轴和Y轴方向上每相邻两个支撑单元的间距相等，使得每四个相邻支撑单元的形心均围成一个正方形；