本發(fā)明涉及超材料，尤其涉及一種基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、超材料是指通過人工結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超常特性的新型材料，最初用于電磁波的調(diào)控，以實(shí)現(xiàn)負(fù)折射、完美成像、完美隱身等功能。與傳統(tǒng)材料不同，其性能取決于特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而非化學(xué)成分。近年來，超材料的概念被引入到力學(xué)領(lǐng)域，由精細(xì)設(shè)計(jì)的人工機(jī)械結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成的力學(xué)超材料，呈現(xiàn)出一些奇異的力學(xué)特性。通過設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元，可以對(duì)力學(xué)超材料的彈性常數(shù)，即彈性模量，剪切模量，體模量或泊松比進(jìn)行編程。

2、其中，能夠在平面結(jié)構(gòu)上進(jìn)行制造的彈性超材料平板是學(xué)術(shù)界所關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域。彈性超材料平板具有2.5維結(jié)構(gòu)，其厚度遠(yuǎn)小于寬度，所以可以通過激光切割剛性材料輕松制造。雖然整個(gè)結(jié)構(gòu)由剛性材料制造，但由于其微觀結(jié)構(gòu)的可彎曲可拉伸性能，能夠?qū)崿F(xiàn)彈性特性。通過編程微觀結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)，彈性超材料平板可以被彎曲成所需的空間形狀表面?，F(xiàn)有的超材料技術(shù)中，專利公開號(hào)為cn117028464a的《一種負(fù)泊松比蜂窩超材料》可以解決整體結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形時(shí)容易失穩(wěn)，超材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，以及帶隙可調(diào)性較差的問題。但是，由四角星單胞結(jié)構(gòu)所組成的超材料平板不具備足夠的柔韌性以彎曲成所需的空間形狀表面，以及對(duì)幾何參數(shù)編輯的靈活性較差，無法實(shí)現(xiàn)彈性性能的調(diào)控。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，旨在解決現(xiàn)有彈性超材料平板彈性性能調(diào)控靈活性較差，并且不具備足夠的柔韌性，無法彎曲成特定的三維曲面的問題，其具體技術(shù)方案如下：

2、一種基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)，包括：若干個(gè)具有四邊形邊界的螺旋微結(jié)構(gòu)；

3、每個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)包括：四個(gè)呈阿基米德螺旋線形的螺旋臂，各螺旋臂的一端部連接在同一原點(diǎn)；基于原點(diǎn)，四個(gè)螺旋臂間隔距離設(shè)置，相鄰兩個(gè)螺旋臂之間的夾角設(shè)置為90°。

4、進(jìn)一步的，若干個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)以在正交的兩個(gè)方向線性陣列的形式平鋪，相鄰間螺旋微結(jié)構(gòu)所連接的螺旋臂為一體成型連接。

5、進(jìn)一步的，所述螺旋微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)包括：

6、比例s：在一個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)中，相對(duì)的兩個(gè)螺旋臂端部的間隔距離；

7、扭轉(zhuǎn)角φ：?jiǎn)蝹€(gè)螺旋臂旋轉(zhuǎn)的角度，即螺旋起點(diǎn)位置和終點(diǎn)位置之間的角度偏差；

8、以及，螺旋臂的寬度w和厚度h。

9、進(jìn)一步的，通過調(diào)整幾何參數(shù)可以改變結(jié)構(gòu)的彈性特性。

10、一種基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，將基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)用作彈性材料，用以抗剪切、沖擊和吸能隔振，通過控制約束所述螺旋微結(jié)構(gòu)使彈性材料發(fā)生形狀變化以達(dá)到不同工況下的抗剪切、沖擊和吸能隔振。

11、進(jìn)一步的，所述通過控制約束所述螺旋微結(jié)構(gòu)使彈性材料發(fā)生形狀變化，具體包括：

12、當(dāng)彈性材料中的所有螺旋微結(jié)構(gòu)在縱向單軸方向受拉力時(shí)，彈性材料在橫向發(fā)生膨脹變形；

13、當(dāng)彈性材料中的所有螺旋微結(jié)構(gòu)在雙軸方向受拉力時(shí)，彈性材料各向同性拉伸，發(fā)生放縮變形；

14、當(dāng)彈性材料中的四個(gè)角點(diǎn)處的螺旋微結(jié)構(gòu)受力，且相鄰角點(diǎn)受相反方向的力、對(duì)角角點(diǎn)受相同方向的力時(shí)，彈性材料變形成馬鞍面形狀；

15、當(dāng)彈性材料的四個(gè)邊均固定，對(duì)其中心螺旋微結(jié)構(gòu)施加向上的力時(shí)，彈性材料變形成半球形；

16、當(dāng)彈性材料的四個(gè)角點(diǎn)均固定，對(duì)螺旋微結(jié)構(gòu)施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，彈性材料變形成蝠鲼形；

17、當(dāng)通過直線驅(qū)動(dòng)器控制彈性材料中的每個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)都單獨(dú)受到一個(gè)不同大小的面外方向的力時(shí)，彈性材料發(fā)生不同的連續(xù)曲面變化。

18、本發(fā)明的有益效果是：基于阿基米德螺旋線的微型結(jié)構(gòu)能夠有效地分散由于大變形而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，從而在發(fā)生拉伸和彎曲時(shí)不致于螺旋臂斷裂。其構(gòu)成的彈性超材料平板具有較高的柔韌性和抗疲勞強(qiáng)度，從而可以在較大拉伸和彎曲下發(fā)生變形，通過設(shè)置不同約束條件可以發(fā)生不同的形狀變化，構(gòu)成多種三維表面，如球面和鞍面。此外，阿基米德螺旋線具有易于設(shè)置的參數(shù)，在實(shí)現(xiàn)彈性特性調(diào)控的靈活性上具有極大優(yōu)勢(shì)。以及，基于阿基米德螺旋線的彈性超材料是一種負(fù)泊松比超材料，具有很強(qiáng)的抗剪切性能、抗沖擊性能和吸能隔振性。

技術(shù)特征：

1.一種基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述螺旋微結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)包括：

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)，其特征在于，若干個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)以在正交的兩個(gè)方向線性陣列的形式平鋪，相鄰間螺旋微結(jié)構(gòu)所連接的螺旋臂為一體成型連接。

4.一種權(quán)利要求1～3任一項(xiàng)所述的基于阿基米德螺旋線的超材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，將基于阿基米德螺旋線的超材料結(jié)構(gòu)用作彈性材料，用以抗剪切、沖擊和吸能隔振，通過控制約束所述螺旋微結(jié)構(gòu)使彈性材料發(fā)生形狀變化以達(dá)到抗剪切、沖擊和吸能隔振。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的超材料結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，其特征在于，所述通過控制約束所述螺旋微結(jié)構(gòu)使彈性材料發(fā)生形狀變化，具體包括：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及超材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于阿基米德螺旋線的負(fù)泊松比超材料結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，所述超材料結(jié)構(gòu)由若干個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)在正交的兩個(gè)方向線性陣列、連接平鋪而成，每個(gè)螺旋微結(jié)構(gòu)具有規(guī)則的四邊形邊界，包括：四個(gè)呈阿基米德螺旋線狀的螺旋臂；各螺旋臂相互間以恒定間隔距離設(shè)置，且一端部連接在同一原點(diǎn)；相鄰間螺旋微結(jié)構(gòu)所連接的螺旋臂為一體成型連接。本發(fā)明的超材料結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的抗剪切性能、抗沖擊性能和吸能隔振性，能夠有效分散由于大變形而產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力，具有較高的柔韌性和疲勞強(qiáng)度，并且可以通過拉伸和彎曲實(shí)現(xiàn)較大的表面面積變化，從而構(gòu)成多種三維表面，另外在實(shí)現(xiàn)彈性特性調(diào)控的靈活性上具有極大優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：李基拓,刁小桔,陸國(guó)棟
受保護(hù)的技術(shù)使用者：余姚市機(jī)器人研究中心
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9