[发明专利]一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构，该点阵夹芯结构是基于一种高性能负泊松比点阵芯材构成的。该负泊松比点阵芯材由一个三维立方体结构通过改变支柱与坐标轴之间的夹角得到。当支柱与坐标轴之间的夹角不等于零时，就得到了具有负泊松比特性的点阵材料。该负泊松比点阵材料与两个薄板一起构成了一个新型负泊松比点阵夹芯结构，该结构将同时具备传统拉胀点阵结构和传统点阵夹芯结构的特点，即不仅具有负泊松比和同向曲率的特点，同时还具有超轻质、高比模量、高比强度、抗冲击和高能量吸收等优异力学性能。本发明所述的夹芯结构还具有很强的可调控性，通过对支柱偏转角度和点阵材料相对密度的调整，可以在很大范围内调控本发明所述的点阵夹芯结构的力学性能。该点阵夹芯结构在航空航天领域具有很大应用前景。

技术领域

本发明涉及一种点阵夹芯结构，特别涉及一种具有负泊松比特性的抗冲击、高吸能的点阵夹芯结构。

背景技术

随着航空航天产业的不断发展，飞行器所面临的独特的力学环境(如：气动热、振动、大气脉动压力等)和性能要求(如：高超声速、高机动性、远程打击等)对结构设计提出来了新的课题：结构轻量化、结构多功能化和结构优化设计等，其中结构轻量化设计是航空航天结构设计的永恒追求和设计关键。而多孔夹芯结构由于其轻质、高比刚度、高比强度、高韧性、高能量吸收等优良的力学性能，在航空航天领域中得到了广泛的关注。

多孔夹芯结构一般是由两个相对较薄的面板和中间一个轻质多孔材料组成。其中，芯材选择对夹芯结构的性能至关重要。目前常用的芯材主要有蜂窝、金属泡沫和点阵材料。研究表明，在相同相对密度的条件下，一般的点阵材料的面内杨氏模量可以比蜂窝材料等轻质材料高两个数量级以上，其面外强度可高于蜂窝材料等材料一个数量级以上。而相较于金属泡沫，点阵材料通常是由微结构拓扑而成，因而具有很高的可设计性以满足复杂的实际需求。此外，在航空航天等领域的复杂环境下，夹芯结构的一部分材料用来满足刚度，强度等力学性能的要求，另一部分材料需要满足隔振、隔热等物理需求。然而，传统的结构设计方法很难同时兼顾结构的轻量化要求和多功能需求。而基于周期性微结构的点阵夹芯结构，汇集了材料设计、结构设计和功能设计为一体的优化设计理念，为我们提供了新的解决途径。

目前，除了传统的点阵材料(例如四面体型、金字塔型、体心立方型及Kagome型等芯子拓扑构型)，具有负泊松比特性的新型点阵材料引起了学者们的兴趣。材料的泊松比也被称作横向变形系数，它是反映材料横向变形的弹性常数。其计算公式为：(其中，ε_x是材料的横向正应变，ε_y是材料的轴向正应变)。一方面，负的泊松比意味着材料在受到单向压缩时会发生横向收缩，即材料会向受载区域聚集。向内收缩/聚集的材料将有助于抵抗外载，提高整个材料的承载能力和吸能效率。而另一方面，负泊松比点阵材料往往是基于支柱的弯曲变形或旋转变形来产生拉胀效应，而这两种变形机制却在一定程度上削弱了材料的承载能力。这两种互相矛盾的结论阻碍了负泊松比点阵夹芯结构的应用。

本发明所述的具有负泊松比特性的点阵夹芯结构，是基于一种负泊松比点阵材料为芯材的夹芯结构。该负泊松比点阵材料克服了负泊松比材料的低模量、低强度的弱点，该材料具有高比模量、高比强度和高吸能的特点。该点阵材料与两个薄板一起构成的夹芯结构将同时具备传统点阵夹芯结构和拉胀点阵夹芯结构的特点，即同时具有超轻质、高比强度、高比刚度、抗冲击、高能量吸收及同向曲率等优异的力学性能和力学行为。同时，本发明所述的夹芯结构具有很强的可调控性。通过对支柱偏转角度和点阵材料相对密度的调整，可以在很大范围内调控本发明所述的点阵夹芯结构的力学性能，以满足更加苛刻、严酷的航空航天使用环境和应用需求。

发明内容

本发明的目的在于：提出一种新型点阵夹芯结构，一种基于负泊松比点阵芯材，并融合了传统点阵夹芯结构和负泊松比点阵夹芯结构特点的新型点阵夹芯结构。本发明所述的新型点阵夹芯结构具有负泊松比和同向曲率特点，同时具有超轻质、高比模量、高比强度、抗冲击和高能量吸收等优异力学性能。所述的新型点阵夹芯结构可通过3D打印制备，并具有很强的可调控性以满足不同的应用需求。