[发明专利]具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，包括若干三维单胞结构，每个三维单胞结构包括上下设置的两个多边形环状结构，上下两个多边形环状结构的顶点处分别通过对应设置的倾斜圆柱连接，多个倾斜圆柱沿同一方向错位设置，两个多边形环状结构的顶点处分别设置有用于连接相邻三维单胞结构的连杆，若干三维单胞结构按空间阵列方式排布，通过对应的连杆连接构成具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

技术领域

本发明属于多孔材料结构技术领域，具体涉及一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法。

背景技术

拉扭超构材料是近年来随着结构力学的迅速发展而出现的一种人为设计的材料结构，具有在单向拉伸/压缩加载情况下发生扭转变形响应的特性。其主体由手性结构通过周期排列组成，承受载荷时不会像常规材料向四周膨胀，而是由于手性结构对力的传导从而发生整体的扭转。此外，这类超构材料还具有拉胀特性，即单向拉伸/压缩时，垂直于加载方向会出现膨胀/收缩变形，结合大变形条件下节点旋转和杆的弯曲，从而产生很强的冲击能量吸收能力，其已在工业领域中存在应用，如：航空航天工程中的变形结构，如变形机翼；形状记忆智能驱动器；生物医学中具有高径向扩张能力的人工支架；智能柔性微电子器件；具有高延展性的大型手性金属玻璃等。

拉扭超构材料的结构单元由上下两个方向相反的手性结构和中间的倾斜杆组成，单元之间由圆柱连接。在传统制备方法中，各部件使用金属或高分子树脂分别获得，倾斜杆通过激光焊接或拼装方式与手性结构固定，但存在制备过程复杂、连接效果差、定位精度低等问题，这对其力学性能会产生很大的影响，表现为加载过程中倾斜杆的脱落和结构的提前破坏，使得其拉扭耦合行为、能量吸收能力严重受到制约。

近年来，学者们以二维手性结构为基础，设计和制造了多种三维拉扭超构材料，但相对于其他常见超材料来说，其研究仍然有限，因此设计和制造新型三维拉扭超构材料，具有重要的理论意义和应用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构及其制备方法，将不同形状的多边形手性结构与倾斜圆杆组合在一起，使其同时具有优异的拉扭耦合特性和拉胀特性。

本发明采用以下技术方案：

一种具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构，包括若干三维单胞结构，每个三维单胞结构包括上下设置的两个多边形环状结构，上下两个多边形环状结构的顶点处分别通过对应设置的倾斜圆柱连接，多个倾斜圆柱沿同一方向错位设置，两个多边形环状结构的顶点处分别设置有用于连接相邻三维单胞结构的连杆，若干三维单胞结构按空间阵列方式排布，通过对应的连杆连接构成具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构。

具体的，倾斜圆柱的个数与多边形环状结构的顶点个数相同，每个倾斜圆柱的轴线与上下两个多边形环状结构的形心连线不平行且以形心连线为中心线呈圆周陈列分布，形成一个倾斜的旋转方向。

具体的，连杆与多边形环状结构顶点处的连接角度为锐角，连杆以多边形环状结构的形心为中心呈圆周阵列分布，上下两个多边形环状结构互为翻转关系且形心在Z方向上对齐。

进一步的，三维单胞结构以X方向、与X呈120°方向和Z方向在空间上阵列分布。

更进一步的，在XOY平面上，相邻三维单胞结构的连杆相交处通过倾斜圆柱连接，倾斜圆柱的高度与多边形环状结构的厚度相同。

更进一步的，在Z方向上，相邻的倾斜圆柱的旋转方向呈正反交替排列。

具体的，多边形环状结构包括正六边形环状结构、正方形环状结构、圆环状结构和三角形环状结构。

本发明的另一个技术方案是，一种制备具有拉扭耦合特性的手性拉胀超构材料结构的方法，包括以下步骤：