[发明专利]一种负泊松比胞元及其蜂窝结构

说明书

本发明公开了一种负泊松比胞元及其蜂窝结构，该负泊松比胞元包括六条边，其中左右侧为弧边，上下侧为长边，胞元内部存在两条内竖杆，内竖杆分别与左右侧的弧边相接，胞元结构整体为上下左右对称分布。将胞元与蜂窝结构结合可以得到性能表现更强的蜂窝堆叠结构，相邻列胞元使用连接杆进行连接，得到了可应用于不同应用场景的二维及三维蜂窝结构。相较于传统结构，其在受到外部载荷时，内部与弧边相接的竖杆可抵抗弧边变形，从而实现更高的吸能抗冲击及承载性能。本发明克服了传统负泊松比结构内部空隙过大、两侧凹角变形失稳且承载力差的缺陷，抗冲击及承载吸能能力更优，结构简单有效，使用胞元设计的蜂窝结构具有更加广泛的应用范围。

技术领域

本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种负泊松比胞元以及胞元构成的蜂窝结构。

背景技术

自然界广泛应用的材料及结构一般具有正泊松比，其在受到单轴拉伸时横截面面积变小，压缩时横截面面积增大。Lakes首次通过对聚氨酯泡沫的热处理得到了负泊松比(Negative poisson's ratio，NPR)泡沫材料，1989年Evans等在研究具有微孔结构的聚四氟乙烯中实现了负泊松比效应，并将其命名为拉胀材料。与传统材料相比，具有负泊松比效应的拉胀材料在受到拉伸时会发生侧向膨胀，这种反常的“拉胀”行为使负泊松比蜂窝材料具有更高的抗冲击、抗剪、能量吸收能力。在汽车碰撞中负泊松比结构在有效吸能的同时，材料出现收缩压实，有效减小压溃量，极大地调节了吸能与压溃距离间的矛盾，具有良好吸能及耐撞性的负泊松比结构研究对于汽车碰撞保护及轻量化极为重要。

在对负泊松比结构的研究中国内外学者针对宏观物理模型进行设计得到了满足负泊松比变形特性的结构。Rothenburg将由竿、滑子和弹簧组成的宏观结构进行部分内凹，实现了负泊松比特性。目前研究较多的为凹角六边形结构，国内外学者对其进行了大量的冲击仿真研究，探讨了其负泊松比变形特性及结构性能。崔世堂等研究了凹角六边形结构的面内冲击动力学特性。Qiang等对凹角六边形等结构进行了对比研究，研究发现凹角六边形虽然具有稳定的能量吸收效果，但由于空隙率过大能量吸收仍未达到理想状态。Wang等将凹角六边形结构与汽车前端吸能盒结合，研究结果表明负泊松比前端保护结构可以提高汽车前端保护性能。

现有技术中存在的主要问题和缺陷包括：

虽然目前传统的凹角六边形结构在汽车碰撞等领域的应用研究皆表明其具有较好的防护作用，但在研究中传统结构也表现出空隙率较大及两侧凹角变形不稳定的缺陷，其在受到外部载荷时发生变形的速度较快，对外界载荷的抵抗能力较差，承载力不足。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题和缺陷，本发明提供了一种负泊松比胞元及其蜂窝结构，相较于传统结构，该胞元在变形时产生的相互抵消作用使胞元整体具有更好的承载与抗外部冲击的能力。单纯的胞元结构在应对复杂的应用场景时具有局限性，故将该胞元结构与目前应用较广的蜂窝结构相结合，由胞元排列组合形成二维或三维蜂窝结构。胞元排列而成的二维蜂窝结构可广泛应用于吸能夹层等平面结构，三维蜂窝结构则可应用于汽车吸能盒等立体填充场景，蜂窝结构在受到外部冲击压缩时结构中胞元皆呈现出典型的负泊松比两向收缩的特性，通过单个胞元的承载及相邻胞元间的组合承载从而表现出更加优越的承载吸能性能。

为此，本发明采用了以下技术方案：

一种负泊松比胞元，该负泊松比胞元包括六条边，其中左右侧为弧边，上下侧为长边，胞元内部存在两条内竖杆，内竖杆分别与左右侧的弧边相接，胞元结构整体为上下左右对称分布。

优选地，在受到上部载荷压缩时，在载荷压缩方向及垂直载荷方向，结构变形模式皆呈现出向中收缩的形式；在受到载荷拉伸时，结构变形模式皆向外部进行膨胀。

优选地，所述弧边向内部凹陷，弧边与长边相交处形成四个弧夹角。

优选地，所述弧夹角的取值范围为10°-90°。

优选地，所述长边和弧边的截面形状尺寸以及厚度均相同。