[发明专利]一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件

说明书

一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，为弹性材料科学技术领域。该一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，包括两条镜像对称布置的侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应。该双材料大刚度多孔负泊松比结构部件为立体结构，由多个双材料大刚度多孔负泊松比胞元经过三维排列组成。对该结构部件进行有限元数值模拟，结果验证，其具有的负泊松比效应，并具有高于传统蜂窝结构的刚度性能，该具有大刚度的结构设计扩大了负泊松比结构的应用范围，且可根据该种结构的自适应刚度性能的变化来实现减震吸能等作用。

技术领域

本发明涉及弹性材料科学技术领域，具体涉及一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其 结构部件。

背景技术

泊松比是法国科学家西蒙·泊松(Simon Denis Poisson，1781-1840)最先发现并提出的，定 义为负的横向收缩应变与纵向伸长应变之比。

传统材料受到压缩(拉伸)时横向应变为正(负)，而纵向应变为负(正)，可知材料的泊松比 为正，自然界中绝大多数材料具有正的泊松比值，且在0.3附近，橡胶类材料为1/2，金属铝 为0.133，铜为0.127，典型的聚合物泡沫为0.11～0.14等。对于各向同性材料，由于应变能 的非负要求，弹性理论表明，泊松比v为-1＜ν＜1/2。根据经典弹性理论，二维各向同性材 料的极限泊松比为-1到1，而三维各向同性材料的泊松比取值范围为-1到0.5。与传统材料相 反，负泊松比材料在受到单轴拉伸时横向应变则产生外胀现象，其单轴拉伸时变形示意图见 图1(b)，因此，负泊松比材料亦即称为“拉胀材料”，因此横向应变与纵向应变均为正，由泊 松比的定义可知此时材料的泊松比是负的。而传统材料单轴拉伸时变形示意图见图1(a)。

作为一种新型材料，负泊松比材料较传统材料具有更多特殊而优越的力学性能，如剪切 模量大、断裂韧度高、吸能效率高、比强度和比刚度高等优点，使得该种材料具有更广阔的 应用前景。自美国著名材料科学家Lakes教授利用工业热塑性开孔泡沫首次制得泊松比为-0.7 的各向同性泡沫材料，并对其进行力学性能分析之后，负泊松比材料逐渐成为了材料学家关 注的焦点之一。

大量研究表明，当材料的结构具有负泊松比效应时，结构刚度性能较差，使得负泊松比 结构的应用受限，故本发明研究设计一种双材料大刚度多孔负泊松比结构，弥补负泊松比结 构刚度性能较差的缺点。

发明内容

本发明提出了一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元及其结构部件，该结构部件是由两种 材料组成的具有负泊松比效应的多孔结构，对该结构进行有限元数值模拟，结果验证，该结 构具有的负泊松比效应，并具有高于传统蜂窝结构的刚度性能，该具有大刚度的结构设计扩 大了负泊松比结构的应用范围，且可根据该种结构的自适应刚度性能的变化来实现减震吸能 等作用。

本发明的一种双材料大刚度多孔负泊松比胞元，为回形结构，包括两条镜像对称布置的 侧边和平行对称的两条横梁，其中，侧边由双材料组成，为双材料侧边，呈现负泊松比效应；

所述的双材料为两种不同弹性模量材料，其中，第一弹性模量材料的弹性模量和第二弹 性模量材料的弹性模量的比值≥10；

所述的侧边以第一弹性模量材料为主，第二弹性模量材料间隔设置在侧边的内侧和外侧， 其中，单个胞元中，侧边两端的内侧设置有第二弹性模量材料，侧边中间的外侧设置有第二 弹性模量材料，两条相对的侧边的镜像内侧第二弹性模量材料通过横梁相连。

所述的双材料大刚度多孔负泊松比胞元，作为优选，设置在侧边外侧的第二弹性模量材 料长度等于设置在侧边端部内侧的第二弹性模量材料的长度。

第二弹性模量材料设置在第一弹性模量材料的内嵌宽度l₁为双材料侧边的宽度l₀的关系 为0.1≤l₁/l₀＜1。