[发明专利]一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料

说明书

本公开涉及超材料技术领域，尤其涉及一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料，其中，每个单体胞元包括变形单元和运动单元：所述变形单元包括内凹n角形、n个连杆和n个控制块，每1个连杆以其一端与内凹n角形固定连接，以其另一端与1个控制块的中心固定连接，每个控制块以其远离中心的两端分别与1个运动单元滑动连接，在同一个单体胞元中，每个运动单元连接两个控制块；其中，在所述变形单元中，在所述内凹n角形的周围对称固定连接n个连杆；所述变形单元为尺寸由变形参数控制的星型结构，所述运动单元为尺寸固定的板状结构；在板状结构上设置有控制槽，用于滑动连接控制块与运动单元。本公开的材料能够实现负泊松比效应和形变可设计以及非接触控制。

技术领域

本公开涉及超材料技术领域，尤其涉及一种二维机械超材料。

背景技术

在当今世界，高性能材料对交通运输、能源动力、资源环境、农业建筑、国防军事以及国家重大工程的可持续发展起着至关重要的作用。但是，随着现代工程技术的不断发展，普通的高性能材料拥有的正常的性能已经无法满足特定的需求。

超材料，是通过人工设计的结构(例如物理结构)而突破某些表观自然规律的限制，呈现出天然材料所不具备的超常材料功能的复合材料。

机械超材料((Mechanical metamaterial)(也称为力学超材料))，广义上指一类可人工操纵材料外观和力学特性的超材料，能够实现轻质高刚度、可调刚度、负压缩性、超流体、负泊松比等特性。

负泊松比效应是指，在受拉伸时材料在弹性范围内横向反而发生膨胀，在受压缩时材料在弹性范围内横向反而发生收缩。具有负泊松比效应的机械超材料,通常具有更好的抗剪切性、抗断裂性、抗压痕性、能量吸收性等，同时也表现出轻质、高阻尼、吸声、隔热等物理特性，在功能材料中扮演着重要角色，对航空航天、半导体器件、光学元件、精密仪器以及建筑材料等领域的发展具有重大意义。

研究发现，天然的负泊松比材料种类较少，且材料的拉胀性能不易改变，所以，当前的大部分负泊松比材料都是通过人工设计的方法获得。现有的负泊松比材料主要设计为具有以下胞元结构：内凹多边形结构、旋转多边形结构、手性结构、穿孔板结构、联锁多边形结构等，一旦结构确定，泊松比的值就是一个定值。

但是，在材料整体具有统一的泊松比值的情况下，材料形状变化较为单一，无法实现较复杂的平面变形，导致在实际应用中具有一定的局限性。此外，现有的大部分机械超材料都是通过在外部施加直接接触的力来实现变形，这限制了该种机械超材料在无法满足接触控制的场景的应用。

发明内容

本公开提供了一种形变可设计且可非接触控制的二维机械超材料，为二维机械超材料的形变可设计提供了一种解决方案。

本公开提供了一种二维机械超材料，由单体胞元构成，其特征在于，

每个单体胞元包括变形单元和运动单元：

其中，所述变形单元包括内凹n角形、n个连杆和n个控制块，每1个连杆以其一端与内凹n角形固定连接，以其另一端与1个控制块的中心固定连接，每个控制块以其远离中心的两端分别与1个运动单元滑动连接，在同一个单体胞元中，每个运动单元连接着两个控制块；

其中，在所述变形单元中，在所述内凹n角形的周围对称地固定连接着n个连杆；

所述变形单元为尺寸由变形参数控制的星型结构，所述运动单元为尺寸固定的板状结构；

所述运动单元在板状结构上设置有控制槽，用于滑动连接控制块与运动单元。

在本公开的二维机械超材料的实施方案中，所述连杆以其一端与内凹n角形的内凹角连接，以其另一端与控制块的中心垂直地固定连接。