[发明专利]一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构

说明书

本发明一种具有自调节厚度梯度的星型‑三角形负泊松比结构，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构、两个三角形结构和两个第一肋板；三角形结构为等腰三角形；星型结构包括四个内凹箭头，四个内凹箭头沿周向排布且依次首尾相连；相对的两个内凹箭头的顶点分别连接一第一肋板，另外两个相对的内凹箭头的顶点分别与一三角形结构的顶点连接。本发明在保持优异负泊松比效应的同时显著提高了其能量吸收能力。

技术领域

本发明属于超材料领域，具体涉及到一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构。

背景技术

1829年，法国科学家泊松比首先提出了泊松比的概念，将其定义为：对材料进行单轴拉伸或者压缩时，材料的横向应变与纵向应变之比，即：

材料受到单轴拉伸时，其横截面会发生收缩变形，此时，该材料的泊松比为正值，为传统材料，如图1所示；材料受到单轴拉伸时，其横截面会发生扩张变形，此时，该材料的泊松比为负值，为负泊松比材料，如图2所示。

近年来，在交通运输、航空航天及包装等领域，轻量化设计已成为广泛关注的热点问题。目前，实现轻量化的主要措施是采用轻质材料替代传统材料，蜂窝超材料因其轻质且能量吸收性能优异等特点成为研究的热点。此外，经过20多年的发展，蜂窝超材料已成为材料领域的一个重要分支。与传统材料的组成形式不同，蜂窝超材料是由单个结构胞元通过周期性排列得到，并由人为控制材料或结构的功能属性以得到新的性能的新材料。其中，负泊松比超材料是一种与传统材料力学性质相反的新材料，在受到轴向拉伸(压缩)时，其垂直方向上膨胀(收缩)，这种特性使得材料的抗冲击性能、剪切性能、抗压痕能力、减振降噪及吸波能力显著提升。值得注意的是，负泊松比超材料的负泊松比特性不受基体材料自身属性的影响，主要由材料内部的微结构来控制。因此，对负泊松比超材料的研究主要集中在内部结构的设计方面，目前，常见的经典负泊松比结构主要包括：内凹结构、旋转刚体结构、手性/反手性结构、折纸结构及屈服-诱导结构等。

负泊松比超材料以独特的结构和性能使其在航空航天、机械与交通、生物医疗、军事防护、纺织及包装工业等领域具有广泛的应用前景。随着增材制造技术的发展，具有复杂结构的负泊松比超材料的制备问题得到了有效的解决。目前针对负泊松比结构的设计主要以负泊松比特性为设计目标，未考虑其力学性能的提升。因此，经典负泊松比超材料在实现负泊松比效应的同时削弱了自身的刚度及冲击强度，其承载能力满足不了实际工程应用需求。虽然近年来国内外学者提出了几种具有增强负泊松比超材料力学性能的新结构，但其负泊松比效应被削弱。因此，设计同时具有增强的负泊松比效应、变形稳定且力学性能优异的新型负泊松比超材料具有重要的意义。

发明内容

针对现有负泊松比结构存在的缺陷，本发明提出了一种具有自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，既具有明显的负泊松比效应，又具有显著提高的力学性能。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种自调节厚度梯度的星型-三角形负泊松比结构，包括多个周期性单元，每个周期性单元包括一个星型结构、两个三角形结构和两个第一肋板；三角形结构为等腰三角形；

星型结构包括四个内凹箭头，四个内凹箭头沿周向排布且依次首尾相连；其中，相对的两个内凹箭头的顶点分别连接一第一肋板，第一肋板与内凹箭头的内凹角平分线重合，另外两个相对的内凹箭头的顶点分别与一三角形结构的顶点连接，三角形结构顶角的角平分线与相连内凹箭头的内凹角平分线重合；第一肋板和三角形结构均位于星型结构的外部；

每个周期性单元中，第一肋板与相邻周期性单元中的第一肋板连接，三角形结构的底边与相邻周期性单元的三角形结构的底边连接；第一肋板相连接的两个相邻周期性单元还通过两星型结构相邻的节点相连接。

优选的，内凹箭头包括两个端部连接在一起的第二肋板。

优选的，星型结构中的四个内凹箭头完全相同。