[发明专利]一种多尺度三维五模超材料及其增材制造方法

说明书

本发明属于超材料相关技术领域，其公开了一种多尺度三维五模超材料及其增材制造方法，所述多尺度三维五模超材料为BCC结构，其包括多个杆及多个节点结构，多个所述杆的两端分别连接于多个所述节点结构；所述杆呈圆柱状，其开设有双锥形通孔，所述双锥形通孔的直径自所述杆的一端朝所述杆的另一端先逐渐减小再逐渐增大；所述节点结构内部形成有空腔，所述双锥形通孔与所述空腔相连通，所述空腔内填充有点阵结构。本发明提高了设计的自由度，可以将五模材料的特性参数在更大范围内进行调节，从而获得调控能力更强的五模材料功能构件；通过精细调节这些参数，可以调节单胞的等效密度、等效模量等特性参数，进而获得具有不同功能的器件。

技术领域

本发明属于超材料相关技术领域，更具体地，涉及一种多尺度三维五模超材料及其增材制造方法。

背景技术

五模材料(Pentamode materials)是一种具有固体特征的复杂流体。理想的五模材料弹性张量的六个特征值中只有一个非零，只能承受一种应力状态，在其余应力状态下会像流体一样发生流动，可认为是一种广义流体。水就是一种常见的理想五模材料，难以压缩却在剪切应力下极易发生变形，实际应用到的五模材料通常都具有似水的特性，即体模量很大而剪切模量很小。这种特性相当于实现了体模量和剪切模量的解耦，且体模量和剪切模量与材料中的压缩波和剪切波的传播速度密切相关，可以表示为：

其中，c_B和c_G分别为压缩波的波速及剪切波的波速，B和G分别为体模量和剪切模量，ρ为密度。对于理想五模材料而言，其剪切模量G为0，因此压缩波速度可以表达为不存在剪切波。对于实际的五模材料而言，由于其采用固体进行制造，剪切模量不可能严格为0，但是可以将其控制在很小的范围内，压缩波速远大于剪切波速，近似具有五模特性，这使得五模材料在声学领域有着广泛的应用前景，可以在很大范围内对声波进行调控。

五模材料可以通过结构设计来实现，二维形式的五模材料通常设计为蜂窝状，可以实现二维尺度下的声波聚焦、隐身等功能。三维五模材料通常设计为双锥形的金刚石结构，通过调整锥形结构的粗端和细端直径，可以获得不同的体模量和剪切模量，通过对其能带结构分析可知，五模材料存在单模频率区域，即在该频率范围内，只有压缩波可以传播，剪切波将被截止，意味着体模量和剪切模量实现了解耦。然而，传统的双锥形三维五模结构主要有两个可调的参数，即双锥的粗端和细端直径，可以调控的范围较窄，对于一些比较极端的参数，这种结构将难以实现。而且，当细端直径过小时，成形误差较大，难以达到理想的效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多尺度三维五模超材料及其增材制造方法，所述五模超材料被设计为体心立方点阵(body centered cubic，BCC)结构，其由节点结构及杆两部分组成，节点结构调节所述五模超材料的等效密度，杆主要用于调节所述五模超材料的模量。相比于传统的双锥形三维五模结构，本发明的多尺度三维五模超材料引入了一个新的设计自由度，即节点结构的尺寸和内部点阵结构的填充率，如此可以在不显著影响模量的条件下调节等效密度。通过精细调节这些参数，可以调节单胞的等效密度、等效模量等特性参数，然后将这些具有不同特性参数的单胞按照一定的规则进行组合，可以获得具有不同功能的器件，如声波聚焦、声波隐身等。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多尺度三维五模超材料，所述多尺度三维五模超材料为BCC结构，其包括多个杆及多个节点结构，多个所述杆的两端分别连接于多个所述节点结构；

所述杆呈圆柱状，其开设有双锥形通孔，所述双锥形通孔的直径自所述杆的一端朝所述杆的另一端先逐渐减小再逐渐增大；所述节点结构内部形成有空腔，所述双锥形通孔与所述空腔相连通，所述空腔内填充有点阵结构。

进一步地，所述杆的中心轴与所述双锥形通孔的中心轴重合。