[发明专利]一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料

说明书

本发明公开了一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，所述结构包括若干个横向、纵向排列的菱形；其中，相邻的菱形之间的对角线相互垂直，由相邻间的菱形围成有正方形；构成所述菱形的四边为第一直杆。菱形对角线为另一种直杆。本发明的有益效果在于，所形成的结构同时实现负热膨胀和负泊松比，因此，这种结构将可以在航空航天等众多工程领域具有极其光明的应用前景。

技术领域

本发明涉及超材料技术领域，具体涉及一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料。

背景技术

超材料是指自然界中不存在的，人造的材料，它们不是通常意义上的材料，其不同寻常的材料特性源自于其微观几何结构而不是其材料组成。力学超材料是指以其结构为基础，具有独特力学性能的一种超材料，如负泊松比材料，负热膨胀材料，负刚度材料等等，它们在工程应用中都具有十分重要的作用。

负泊松比材料(又被称作拉胀材料)是指在轴向拉伸(或压缩)时，横向膨胀(或收缩)的一类材料，其独特的性质决定了其相比于传统材料，在许多力学性能方面都具有优势。在工程领域，负泊松比材料在吸声性能和抗冲击性能等方面也具有很大的应用价值。在Lakes于上世纪80年代提出了一类负泊松比泡沫之后，关于负泊松比的研究就慢慢展开了。如今2d负泊松比结构主要包括两类——内凹结构和旋转机制结构，内凹结构如Fu等人提出的两种内凹蜂窝结构，并推导了其等效杨氏模量，泊松比以及强度，Raminhos等人提出的一种星型结构，并进行了实验验证,Ai等人提出的几种带有增强杆的星型结构并给出了有限元验证；旋转机制结构又包括了手性结构和刚性旋转结构，手性结构如Alderson等人研究了三手性、四手性和六手性蜂窝，讨论了影响蜂窝等效杨氏模量和泊松比的几何参数。刚性旋转结构如钠沸石等。近来也有不少学者提出了3d负泊松比结构并推导了等效参数，如Chen和Fu设计了一种具有增强刚度的3d拉胀材料，并推导出了其等效杨氏模量和泊松比的解析式。然而，应该指出，负泊松比材料也存在诸如刚度、强度不足等问题，需要进一步改善。

负热膨胀材料是指热膨胀系数为负的材料，其表现为热缩冷胀。在许多工程领域，比如航空航天、精密仪器等，环境温度变化引起的热应力或热膨胀一直是影响结构安全或仪器精度的重要因素，因而热膨胀系数为0或者接近0的材料具有极高的应用价值。设计这类材料有两种非常常见的方法，一是将两种热膨胀系数不同的正热膨胀材料搭配使用，通过微结构的设计来实现零热膨胀；二是将正热膨胀材料和负热膨胀材料按适当的比例混合起来。对于第二种方法，自然界中虽然存在一些天然的负热膨胀材料如某些沸石,但因为其极其稀有且大多只能在极窄的温度区间内实现负热膨胀，因而人工设计负热膨胀材料成为了一个重要的课题。当前，负热膨胀材料主要由两种或多种正热膨胀材料复合而成，并根据材料晶格受热时的变形机制，主要可以被分为两大类——弯曲主导型和拉伸主导型。第一类主要依靠双材料直梁或曲梁发生热膨胀弯曲来实现负热膨胀，如手性、反手性、内凹结构以及其他一些由两种单材料梁形成的结构如Zheng等人提出的带有增强杆的内凹六角形等；第二类主要依靠杆件的轴向变形来实现负热膨胀，如一些基于双材料三角形设计的平面结构，基于双材料四面体的空间结构等等。

目前，已经有一些学者设计出了可以同时实现上述两种性质的结构，如Fu等人通过在手性层之间连接斜杆的方式设计出了一种可以同时实现三个方向负热膨胀以及面内负泊松比的结构，Wei等人基于双材料三角形，设计出一种热膨胀系数和泊松比同时可调的结构，并可以同时实现负热膨胀和负泊松比等等。同时具有两种特性的材料将可以同时发挥两方面的优势，具有巨大的工程应用价值，但应该指出，这种结构的数量依然有限，急需进一步探索出更多新结构。因此，对于能同时实现负泊松比和负热膨胀的结构进行研究是十分必要的。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于菱形结构可调节泊松比和热膨胀系数的超材料，具体的说，通过本发明的菱形-正方形交替的结构，且通过在菱形以及正方形对角线添加第二种以及第三种材料的直杆，设计出了一种可以同时调节热膨胀系数和泊松比的结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：