本發(fā)明涉及一種拉脹結(jié)構(gòu)，特別涉及一種基于3d打印的可控三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

泊松比是指材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變絕對值的比值，也叫橫向變形系數(shù)，它是反映材料橫向變形的彈性常數(shù)。其計(jì)算公式為：

其中，εx是材料的橫向正應(yīng)變，εy是材料的軸向正應(yīng)變。

泊松比的取值范圍為-1～0.5，人們所熟知的傳統(tǒng)材料一般都具有正的泊松比，即材料在軸向拉伸時(shí)，橫向會收縮，或在軸向壓縮時(shí)，則橫向會膨脹。而一些自然材料和人工設(shè)計(jì)制備的材料則可以實(shí)現(xiàn)負(fù)泊松比，即拉脹效應(yīng)。當(dāng)拉脹材料受到軸向壓縮時(shí)，會產(chǎn)生橫向收縮，結(jié)構(gòu)就會變得越來越致密，從而能有效的抵抗壓縮載荷，因此在承載、能量吸收等領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。此外，拉脹材料還具有較高的斷裂韌度、同向曲率、吸聲降噪等優(yōu)異性能，在航空航天、國防工業(yè)、汽車領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的潛在應(yīng)用前景。

除了自然中存在的單晶砷和鎘、黃鐵礦以及一些動物皮膚(貓皮膚，蠑皮膚和牛乳頭皮膚)等拉脹材料之外，人工制備的拉脹材料也層出不窮，但主要為二維拉脹材料。因?yàn)槭芟抻趥鹘y(tǒng)制備工藝水平，多數(shù)三維拉脹材料僅停留在理論層面，或被簡化為二維結(jié)構(gòu)。但隨著制備技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)可以通過3d打印制備出來?，F(xiàn)有的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)主要有兩種：三維內(nèi)凹六邊形多胞結(jié)構(gòu)和三維雙箭頭多胞結(jié)構(gòu)，這兩種三維多胞結(jié)構(gòu)具有拉脹效應(yīng)，且泊松比是可控的，但是這兩種結(jié)構(gòu)的剛度比較小。lu等學(xué)者提出了一種基于二維十字手性蜂窩的三維十字手性多胞結(jié)構(gòu)，雖然較前兩種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有拉脹效應(yīng)且剛度較大，但是模型的可控性有限，泊松比的變化范圍只有-1～0。

本發(fā)明所述的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)，具有兩種周期性單胞形式，且空間的陣列形式多樣，從而可以得到不同類型的三維多胞結(jié)構(gòu)。組成周期性單胞的二維手性蜂窩結(jié)構(gòu)的可控性強(qiáng)，第一桿和第二桿的長度以及角度θ1和θ2可以在一定區(qū)間內(nèi)自由變化，且第一桿和第二桿的橫截面可以有多種選擇。這一系列可控參數(shù)和空間變化，使得本發(fā)明所述的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)可以在三個(gè)主軸方向上表現(xiàn)出不同的且可控的彈性性能，其泊松比不僅可以是負(fù)值，也可以是正值，從而完全可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求去設(shè)定幾何參數(shù)以滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)和不足，提出一種基于3d打印的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)，可以通過3d打印技術(shù)快速制備。與傳統(tǒng)的三維開孔泡沫材料相比，本發(fā)明所述的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)材料具有負(fù)泊松比，并且彈性性能可在一個(gè)較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，同時(shí)，還有孔隙率大、質(zhì)量輕的特點(diǎn)；與現(xiàn)有三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所述的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)具有更高的剛度。

本發(fā)明主要通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

一種基于3d打印的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是由其單胞結(jié)構(gòu)通過空間陣列得到，陣列方式包括平行陣列、對角陣列和正六邊形陣列形式。所述的周期性單胞有兩種類型：

第一種單胞是由兩個(gè)完全相同的二維手性蜂窩單胞(21、22)構(gòu)成，所述的兩個(gè)二維手性蜂窩單胞(21、22)首先在空間中完全重合，然后其中一個(gè)二維手性蜂窩單胞(22)以豎直方向的軸(15)為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，得到的兩個(gè)二維手性蜂窩單胞(21、22)在空間中互相垂直平分且在豎直方向上對齊，兩個(gè)二維手性蜂窩單胞(21、22)在第一重合點(diǎn)e和第二重合點(diǎn)f處固接；第一種單胞通過空間線性陣列或?qū)顷嚵械姆绞?，在空間三個(gè)方向上周期性排布，從而可以得到兩種三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)。

第二種單胞是由三個(gè)完全相同的二維手性蜂窩單胞(23、24和25)構(gòu)成，所述三個(gè)二維手性蜂窩單胞(23、24和25)首先在空間中完全重合，然后二維手性蜂窩單胞(24)以豎直方向的軸(15)為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度，二維手性蜂窩單胞(25)以豎直方向的軸(15)為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120度，得到三個(gè)二維手性蜂窩單胞(23、24和25)在空間中互相平分且在豎直方向上對齊，三個(gè)二維手性蜂窩單胞(23、24和25)在第一重合點(diǎn)g和第二重合點(diǎn)h處固接；第二種單胞通過正六邊形的空間陣列，得到三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)；

所述的每個(gè)二維手性蜂窩單胞中，第一桿(111)和第二桿(112)互相交叉并連接在一起構(gòu)成第一結(jié)構(gòu)(11)，其中，第一桿(111)和第二桿(112)在連接點(diǎn)(a)的連接方式為固接，且第一桿(111)和第二桿(112)互相平分；第一桿(111)與豎直方向的軸(15)的夾角為θ1，第二桿(112)與水平方向的軸(16)的夾角為θ2，其中，豎直方向的軸(15)位于第一桿(111)的最右端，水平方向的軸(16)位于第二桿(112)的最下端，豎直方向的軸(15)和水平方向的軸(16)互相垂直；第一結(jié)構(gòu)(11)以豎直方向的軸(15)為對稱軸，對稱得到第二結(jié)構(gòu)(12)，然后第一結(jié)構(gòu)(11)和第二結(jié)構(gòu)(12)再以水平方向的軸(16)為對稱軸，對稱得到第三結(jié)構(gòu)(13)和第四結(jié)構(gòu)(14)；四個(gè)結(jié)構(gòu)(11、12、13和14)在連接處互相固接，構(gòu)成一個(gè)整體，即二維手性蜂窩的單胞。其中，第一桿(111)與豎直方向的軸的夾角θ1、第二桿(112)與水平方向軸的的夾角θ2可以在45°＜θ1、θ2＜135°的范圍內(nèi)取值，第一桿(111)和第二桿(112)的長度沒有具體限制，只要最終對稱得到的二維手性蜂窩單胞中沒有重疊的桿即可。第一桿(111)和第二桿(112)的橫截面可以有多種選擇，可以是長方形、圓形、菱形或正多邊形。因此，通過改變第一桿(111)和第二桿(112)的長細(xì)比，以及角度θ1和θ2的大小，即可調(diào)節(jié)該三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)材料的彈性性能，其中泊松比既可以是正值也可以是負(fù)值。

所述的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)可以通過fdm熔融沉積成型技術(shù)、sla光固化立體造型技術(shù)、dlp選區(qū)激光熔化技術(shù)、sls選區(qū)激光燒結(jié)、ebm電子束熔化成型、slm選擇性激光熔化技術(shù)、shs選擇性熱燒結(jié)和3dp三維噴涂粘結(jié)成型技術(shù)進(jìn)行3d打印制備，所述的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)制備用的材料是塑料或金屬。所述的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)的孔隙率范圍為70％～99％。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有以下的優(yōu)點(diǎn)和效果：

(1)本發(fā)明提出了一種基于3d打印的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)，該三維結(jié)構(gòu)可以在三個(gè)主軸方向上都具有不同且可控的拉脹效應(yīng)。當(dāng)受到軸向壓縮時(shí)，會產(chǎn)生橫向收縮，結(jié)構(gòu)就會變得越來越致密，從而能有效的抵抗壓縮載荷，因此在承載、能量吸收等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用前景；

(2)與現(xiàn)有三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)相比，該三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)具有兩種周期性單胞類型，且空間陣列形式多樣，可控范圍更廣，且該三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)具有更高的剛度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)的彈性性能的可控范圍更廣。通過調(diào)節(jié)第一桿(111)和第二桿(112)的長度、橫截面、和傾斜角度(θ1和θ2)，以及選擇不同的單胞和陣列形式，就可以得到不同且可控的彈性性能，且泊松比的值可正可負(fù)。

(3)該三維拉脹結(jié)構(gòu)的孔隙率范圍為70％～99％，高于一般的二維拉脹蜂窩材料，從而在相同體積和材料的情況下，質(zhì)量可以更輕。同時(shí)可以通過3d打印技術(shù)，快速精準(zhǔn)的打印出來，材料可以是金屬或塑料；

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)的第一種單胞結(jié)構(gòu)示意圖；

圖1(b)為本發(fā)明的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)的第二種單胞結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2(a)為二維手性蜂窩結(jié)構(gòu)示意；

圖2(b)為圖2(a)結(jié)構(gòu)的單胞結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為在一種給定參數(shù)下的二維手性蜂窩單胞(a所示)及其構(gòu)成的第一種三維單胞結(jié)構(gòu)(b所示)的示意圖；

圖4(a)為第一種三維可控拉脹單胞在x和y方向上的線性陣列示意圖；

圖4(b)為第一種三維可控拉脹單胞在x和y方向上的線性陣列示意圖的俯視圖；

圖5(a)為第一種三維可控拉脹單胞在x和y方向上的對角陣列示意圖；

圖5(b)為第一種三維可控拉脹單胞在x和y方向上的對角陣列示意圖的俯視圖；

圖6(a)為第二種三維可控拉脹單胞在x和y方向上的陣列示意圖；

圖6(b)為第二種三維可控拉脹單胞在x和y方向上的陣列示意圖的俯視圖；

圖7(a)為三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)在z方向承受壓縮載荷時(shí)的示意圖；

圖7(b)為在圖7(a)的受力情況下，結(jié)構(gòu)變形前后示意圖的俯視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步具體詳細(xì)的描述。

本發(fā)明為一種基于3d打印的三維拉脹可控多胞結(jié)構(gòu)，其基本組成單元為兩種三維單胞結(jié)構(gòu)。如圖1(a)所示，該結(jié)構(gòu)為第一種單胞結(jié)構(gòu)，該單胞包括兩個(gè)完全相同的二維手性蜂窩單胞21和22。所述兩個(gè)二維手性蜂窩單胞21、22首先在空間中完全重合，然后二維手性蜂窩單胞22以豎直方向的軸15為旋轉(zhuǎn)中心，順時(shí)針(或逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn)90度(θ3＝90°)，即一個(gè)二維手性蜂窩單胞21和另一個(gè)二維手性蜂窩單胞22在空間中互相垂直平分。兩個(gè)二維手性蜂窩單胞21、22在重合點(diǎn)e和點(diǎn)f處固接。

如圖1(b)所示，該結(jié)構(gòu)為第二種單胞結(jié)構(gòu)，該單胞是由三個(gè)完全相同的二維手性蜂窩單胞23、24和25構(gòu)成，所述三個(gè)二維手性蜂窩單胞23、24和25首先在空間中完全重合，然后二維手性蜂窩單胞24以豎直方向的軸15為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)60度，二維手性蜂窩單胞25以豎直方向的軸15為旋轉(zhuǎn)中心順時(shí)針旋轉(zhuǎn)120度，得到三個(gè)二維手性蜂窩單胞23、24和25在空間中互相平分且在z方向上對齊，三個(gè)二維手性蜂窩單胞23、24和25在第一重合點(diǎn)g和第二重合點(diǎn)h處固接；

如圖2(a)、圖2(b)為二維手性蜂窩結(jié)構(gòu)及其單胞的示意圖：第一桿111和第二桿112互相交叉并連接在一起構(gòu)成第一結(jié)構(gòu)11，其中，第一桿111和第二桿112在連接點(diǎn)a的連接方式為固接，且第一桿111和第二桿112互相平分；第一桿111與豎直方向的軸15的夾角為θ1，第二桿112與水平方向的軸16的夾角為θ2，其中，豎直方向的軸15位于第一桿111的最右端，水平方向的軸16位于第二桿112的最下端，豎直方向的軸15和水平方向的軸16互相垂直；第一結(jié)構(gòu)11以豎直方向的軸15為對稱軸，對稱得到第二結(jié)構(gòu)12，然后第一結(jié)構(gòu)11和第二結(jié)構(gòu)12再以水平方向的軸16為對稱軸，對稱得到第三結(jié)構(gòu)13和第四結(jié)構(gòu)14；四個(gè)結(jié)構(gòu)11、12、13和14在連接處互相固接，構(gòu)成一個(gè)整體，即二維手性蜂窩的單胞。

其中，第一桿111與豎直方向的軸的夾角θ1、第二桿112與水平方向軸的的夾角θ2可以在45°＜θ1、θ2＜135°的范圍內(nèi)取值，第一桿111和第二桿112的長度沒有具體限制，只要最終對稱得到的二維手性蜂窩單胞中沒有重疊的桿即可。第一桿111和第二桿112的橫截面可以有多種選擇，可以是長方形、圓形、菱形或正多邊形。因此，通過改變第一桿111和第二桿(112)的長細(xì)比、橫截面、以及角度θ1和θ2的大小，即可調(diào)節(jié)該三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)材料的彈性性能，其中泊松比既可以是正值也可以是負(fù)值。例如，如圖3所示，當(dāng)?shù)谝粭U111和第二桿112的長度分別為5.1mm和3.6mm，傾斜角度分別為θ1＝100°和θ2＝56°時(shí)，二維手性蜂窩單胞的示意圖及其構(gòu)成的第一種三維單胞結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)、(b)所示。此時(shí)，由此三維單胞構(gòu)成的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)材料在三個(gè)主軸方向上的泊松比為正值。

如圖4(a)、圖4(b)所示，第一種三維單胞在x和y方向上進(jìn)行平行陣列，得到一層結(jié)構(gòu)，然后再在z方向上進(jìn)行堆疊陣列，就可以得到在x、y和z方向上周期性排布的陣列結(jié)構(gòu)。如圖5(a)、圖5(b)所示，第一種三維單胞在x和y方向上進(jìn)行對角陣列，得到一層結(jié)構(gòu)，然后再在z方向上進(jìn)行堆疊陣列，就可以得到第二種在x、y和z方向上周期性排布的陣列結(jié)構(gòu)。在此只是列舉出了兩種空間排布形式，其他排布形式亦包涵在內(nèi)。如圖6(a)、圖6(b)所示，第二種三維單胞在x和y平面內(nèi)進(jìn)行正六邊形陣列，得到一層結(jié)構(gòu)，然后再在z方向上進(jìn)行堆疊陣列，就可以得到第三種在x、y和z方向上周期性排布的陣列結(jié)構(gòu)。

該三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)可以通過fdm熔融沉積成型技術(shù)、sla光固化立體造型技術(shù)、dlp選區(qū)激光熔化技術(shù)、sls選區(qū)激光燒結(jié)、ebm電子束熔化成型、slm選擇性激光熔化技術(shù)、shs選擇性熱燒結(jié)和3dp三維噴涂粘結(jié)成型技術(shù)進(jìn)行3d打印制備，所述的三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)制備用的材料是塑料或金屬。所述的三維可控拉脹多胞結(jié)構(gòu)的孔隙率范圍為70％～99％。

如圖7(a)所示，對該三維拉脹多胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)?zāi)M。選擇了第一種單胞形式，具體尺寸為：第一桿111長度為11mm，第二桿112的長度為12mm，兩根桿的橫截面為圓形，半徑為1mm，第一桿111和第一桿112的傾斜角度分別為θ1＝24°、θ2＝26°。單胞在x和y方向上進(jìn)行平行陣列，在z方向上進(jìn)行堆疊陣列，得到一個(gè)5×5×2的三維多胞結(jié)構(gòu)。在上下鋼板上施加載荷，對三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行z方向上準(zhǔn)靜態(tài)壓縮，結(jié)構(gòu)在x和y方向上自由。當(dāng)壓縮比例為20％的時(shí)候，其壓縮前后效果的俯視圖如圖7(b)所示。由圖可以看出，整個(gè)結(jié)構(gòu)都在向中心收縮，表現(xiàn)出明顯的負(fù)泊松比性質(zhì)。由于結(jié)構(gòu)向內(nèi)收縮，結(jié)構(gòu)更加密實(shí)，從而更有利于抵抗壓縮載荷。

本發(fā)明的實(shí)施方式并不受上述實(shí)施例的限制，其他任何未背離本發(fā)明的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。