本技术介绍了一种创新的旋转星型负泊松比结构,该结构的单元由旋转轴对称星型单元和四个直角型韧带构成。星型单元特征为边长L01和L02、夹角θ0及宽度t0。直角型韧带从星型单元外伸,穿过星型结构的凹侧汇交点,具有长度L11或L21;第二条中心线垂直于第一条,长度为L12或L22;韧带宽度均为t。直角型韧带末端连接的水平或竖直线段长度为L13或L23。该单元通过横向和纵向阵列组合形成n×n的完整结构,展现出显著的负泊松比效应和能量吸收特性。
背景技术
在21世纪的物理学领域,“超材料”这一概念被提出,它被定义为一类具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或材料。超材料涵盖声学、光学、热学、力学和电磁学等方面。负泊松比材料/结构就是一种力学超材料/结构,它不同于自然界中常见的正泊松比材料/结构。
自然界中的材料泊松比大多为正值,表现为在水平(或竖直)方向拉伸载荷作用下,结构沿竖直(或水平)方向收缩的现象。而负泊松比超材料/超结构则表现出与之相反的特点,即轴向拉伸-横向膨胀,轴向压缩-横向收缩的特性。负泊松比超材料/超结构在抗剪切性、抗断裂性、能量吸收性能等方面具有很大优势,表现出轻量化、高阻尼、吸声吸能、减振隔热等优良物理特性。
负泊松比超材料/超结构在航空航天、生物医疗、机械电子、及国防工程等领域有广泛的应用前景。在航天领域,为了提高飞行稳定性,效率和安全性,变形翼型的研究得到了发展,负泊松比结构可促进翼型变形,减少空气动力学阻力并控制振动。在生物医疗领域,负泊松比结构可以用于制造心血管支架和腰椎间盘植入物,使结构在受力时提供更好的支撑和稳定性。在智能传感器领域,负泊松比结构的独特变形行为可以提高柔性应变传感器的灵敏度和准确性。此外,负泊松比结构在汽车轻量化和防撞防护领域也表现出色,能够有效吸收冲击能量,提供更好的防护性能。
负泊松比结构有多种类型,每种类型都有其独特的优缺点,适用于不同的应用场景。目前,常见的负泊松比结构有:内凹六边形结构,双箭头结构,星形结构,手性结构,旋转刚体结构等。
星形结构通常具有复杂的几何形状和对称性,适用于需要高能量吸收和特殊力学性能的应用。其负泊松比效应使得材料在受拉时横向膨胀,提供额外的结构稳定性。
旋转刚体结构由刚性几何结构组成,通过其角部的铰链连接。拉伸时,几何形状围绕铰链旋转,在轴向和横向上产生膨胀,即负泊松比响应,旋转刚体结构的多样性可归因于几何形状的差异。
传统单一的星型结构和旋转刚体结构等,其应力平台区域较短,结构过早地进入密实化阶段,且变形稳定性差,使得结构在抗压强度、吸能效率等方面的表现较差。
目前,3D打印、增材制造技术的飞速发展可以制造出具有复杂拓扑构型的各种结构。这也进一步推动了研究者们对多种负泊松比材料/结构基本变形机理的深入研究。
实现思路