[发明专利]一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构

说明书

本发明提供了一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，包括至少一蜂窝单元，蜂窝单元包括材料一制作的内凹蜂窝基础结构和材料二制作的贴合部；内凹蜂窝基础结构包括一组间隔设置的内凹弯曲杆，内凹弯曲杆包括由至少一外凸弧段和至少一内凹弧段连接而成的重复单元，重复单元左右、上下依次对称一次，然后两侧各通过直杆相连；贴合部沿外凸弧段、内凹弧段外侧轮廓贴合设置；材料二的热膨胀系数大于材料一的热膨胀系数。本发明在保证结构本身的抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等性能的同时，增加了整体结构件的热膨胀可调控的特性。蜂窝单元整体是反对称变形的弯曲结构，满足高刚度的性能要求。

技术领域

本发明涉及机械超材料结构技术领域，特别是一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构。

背景技术

负泊松比材料也称拉胀材料，其在抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等方面比传统材料更有优势，因而负泊松比材料在航空航天、医疗器械、防护设备以及生活日用等领域都有广泛的应用前景。负泊松比材料开始研究时间早，应用范围广、优势大，因此得到了充分的研究和发展。

热膨胀可调控的超材料目前主流的设计形式有弯曲主导型和拉伸主导型：弯曲主导型的设计主要通过杆件的弯曲变形来补偿杆件的伸长来使杆件具有特定的热膨胀系数；拉伸主导型主要通过杆件的拉压变形使整体结构具有特定的热膨胀系数。目前关于热膨胀可调控超材料的相关研究还不是很多，主要应用于精密仪器和航空航天领域。

由于在实际的工作环境中，结构会同时受到热场和力场的作用，然而，对于负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料的研究设计只有零散的个例，适用于热膨胀可大幅度调整的超材料结构更是少之又少。

发明内容

本发明目的是针对现有技术的缺陷提供一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，在保证其负泊松比特性的同时可调控结构的热膨胀系数。

本发明采用的技术方案如下：

一种负泊松比和热膨胀可同时调控的超材料结构，包括至少一蜂窝单元，所述蜂窝单元包括材料一制作的内凹蜂窝基础结构和材料二制作的贴合部；

所述内凹蜂窝基础结构包括一组间隔设置的内凹弯曲杆，所述内凹弯曲杆包括由至少一外凸弧段和至少一内凹弧段连接而成的重复单元，所述重复单元左右、上下依次对称一次或者上下、左右依次对称一次，然后两侧分别通过一直杆连接，构成哑铃状结构；所述贴合部沿所述外凸弧段、内凹弧段外侧轮廓贴合设置；

所述材料二的热膨胀系数大于所述材料一的热膨胀系数。

所述至少一外凸弧段和所述至少一内凹弧段之间平滑过渡，所述内凹弯曲杆与所述直杆之间平滑过渡。

所述内凹弯曲杆的宽度和所述直杆的宽度相同。

所述贴合部的宽度和所述直杆的宽度相同。

所述外凸弧段的曲率和贴合在其外侧的所述贴合部的曲率相同，所述内凹弧段的曲率和贴合在其外侧的所述贴合部的曲率相同。

所述蜂窝单元在平面内周期性排布组合形成凹凸嵌合的结构。

本发明的有益效果如下：

本发明将内凹蜂窝结构与弯曲主导型贴合部相结合，从而在保证结构本身的抗剪承载力、抗断裂性、能量吸收和压陷阻力等性能的同时，增加了整体结构件的热膨胀可调控的特性。由于蜂窝单元整体是反对称变形的弯曲结构，满足高刚度的性能要求。

本发明两种材料热膨胀系数不同，即弯曲部分的双材料在温度升高时会导致弯曲加剧，从而引起两端距离的变化。通过调节结构的参数大小和选取的材料的不同能够实现结构热膨胀系数极大、负甚至零的调控。

附图说明

图1为本发明的蜂窝单元的结构示意图。

图2为本发明超材料结构的结构示意图。