【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及力学超材料，具体涉及一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构及其制备方法与用途。
技术介绍
1、形状记忆合金是一种受到机械应力或温度变化时发生相变的材料。记忆合金具有大功重比、形状记忆效应及超弹性行为，在生物医疗、航空航天、智能机器人等方面得到了广泛的应用。负泊松比结构具有高的剪切模量、断裂韧性、能量吸收等优异性能。随着新材料技术的发展，智能材料与超结构一体化设计成为可能。在超材料人工结构中植入智能材料不仅可以使材料本身具备感知外界环境变化的能力，例如感知压力、温度、湿度、磁场等变化的能力，还可以根据外界刺激做出响应，例如改变材料属性、自由度特征、拓扑结构等。这种具有智能特性的负泊松比材料的应用前景十分广泛，已成为生物医学、航空航天、防护用品、化工纺织品等领域的研究热点。
2、利用负泊松比材料，在拉伸时横向膨胀的特殊变形能力，开发出的新型血管支架，避免了血管支架的轴向短缩效应。其中cn115778655a公开了一种基于混合负泊松比结构的自扩张血管支架，该结构单元由经典内凹角负泊松比胞元与箭头结构、蛇形结构混合而成，并通过形状记忆合金制备。然而，对于形状记忆合金其相变滞后时间较长，实际植入应用中还存在一定的风险。cn208989195u公开了一种niti记忆合金梯度多孔个性化种植牙，种植牙根底部分布负泊松比多孔结构，并采用niti合金3d打印制造。使种植牙根在体温相变温度点下发生相变产生变形，实现牙根自动充满牙床并带有预紧力。然而，针对不同定制化的异性牙齿结构，如何精确设计结构，并完全控制牙根结构应力
3、针对负泊松比柔性蜂窝结构在变体机翼中的应用，cn111284679a公开了一种基于记忆合金负泊松比单元体的无人机变形翼结构。其中niti记忆合金骨架结构为主体机翼、外层包覆机翼蒙皮、骨架结构内置内加热系统，用于对记忆合金骨架加热。然而，受相关专业技术的发展水平和应用，这种智能变体机翼技术还未能达到预期效果。
4、基于梯度负泊松比结构的变形规律，结合智能材料的复合工艺，拓宽了梯度负泊松比材料的界限和使用范围。梯度拉胀结构受外场驱动影响，在自感知和反馈控制中产生的连续的、渐进式的变形运动，实现动力控制下的伸展与收缩或多种复杂变形，是具有记忆属性负泊松比结构未来的发展方向。传统的驱动装置为液压驱动或电机驱动，故障维护成本高。因此，需要开发一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构及其制备方法与用途。
技术实现思路
1、鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构及其制备方法与用途，所述可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构包括三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构以及若干结构驱动杆件；所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的外部构型为圆台管结构，属于由梯度内凹六边形多胞元组成的可变形骨架结构，若干结构驱动杆件属于结构驱动装置，本专利技术所述可智能变形的整体结构，在外场驱动下，具有连续可逆变形的特点；本专利技术所述可智能变形的整体结构，先通过3d打印方法制备三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构，再与若干结构驱动杆件相结合，可以作为可智能变形的力学超材料用于防护工程、人工智能、可穿戴设备、医疗器具、人工假体领域。
2、为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
3、本专利技术的目的之一在于提供一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，所述可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构包括三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构以及若干结构驱动杆件；
4、所述三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构的外部构型为圆台管结构；所述圆台管结构的侧壁面由若干梯度排列的曲面内凹六边形胞元组成；所述梯度排列的堆叠方式包括：尺寸相同的曲面内凹六边形胞元沿圆台管周向排列，尺寸梯度递变的曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列；
5、若干所述结构驱动杆件沿圆台管母线方向延伸，且位于所述圆台管结构的外壁面或内壁面。
6、作为本专利技术优选的技术方案，所述圆台管结构的曲面内凹六边形胞元拓扑配置方式包括：定义空间直角坐标系xyz，所述圆台管结构的上底面位于xy平面，所述圆台管结构的中心轴线平行于z轴，且z轴的正方向为所述圆台管结构的上底面指向下底面；尺寸梯度递变的若干曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列形成一列晶格，若干所述晶格绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周形成完整的闭环结构。
7、作为本专利技术优选的技术方案，任一所述曲面内凹六边形胞元具有弯曲弧度，所述弯曲弧度为其中，n为绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周的晶格数量，n满足2≤n≤360且n能被360整除；所述结构驱动杆件的数量为3～2n个。
8、作为本专利技术优选的技术方案，任一所述曲面内凹六边形胞元对应的胞元体结构为二维内凹六边形平面结构；所述二维内凹六边形平面结构包括一根水平支撑柱，所述水平支撑柱平行于所述圆台管结构的圆台底面；所述曲面内凹六边形胞元还包括位于所述水平支撑柱上方的两根上斜支撑柱，以及位于所述水平支撑柱下方的两根下斜支撑柱。
9、作为本专利技术优选的技术方案，所述二维内凹六边形平面结构为梯形，所述水平支撑柱的厚度为t，单胞元上内凹角为θ1，单胞元下内凹角为θ2，单胞元上斜支撑柱长度为l1，单胞元下斜支撑柱长度为l2，单胞元高度为h；
10、单胞元内几何参数关系式包括：l1×sinθ1+l2×sinθ2＝h；
11、所述单胞元上内凹角θ1的取值范围为30°～80°；所述单胞元下内凹角θ2的取值范围为30°～80°，θ1与θ2相等或不等。
12、作为本专利技术优选的技术方案，沿z轴的正方向，第i层所述曲面内凹六边形胞元的胞元高度为hi，相邻两个胞元高度比值为q，定义q为设定所述圆台管结构的总高度为h，则其中，l为沿圆台管母线方向排列的曲面内凹六边形胞元的个数，t1为圆台管结构的上环形边界的厚度，t2为圆台管结构的下环形边界的厚度；
13、优选地，所述圆台管结构的上环形边界与下环形边界的厚度相等，即，t1＝t2＝t，则
14、作为本专利技术优选的技术方案，所述结构驱动杆件的长度lb满足如下公式其中，v为圆台管结构的顶角。
15、作为本专利技术优选的技术方案，所述圆台管结构的薄壁厚度d的取值范围为2～20mm，所述结构驱动杆件的厚度m的取值范围为0＜m＜d。
16、本专利技术的目的之二在于提供一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构的制备方法，三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构通过3d打印方法制备，再将若干结构驱动杆件通过铰接、螺栓固定、缝合或开槽中任意一种或至少两种组合的方式与蜂窝骨架结构相结合。
17、本专利技术的目的之三在于提供一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构的用途，将目的之一所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，或者目的之二所述制备方法得到的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，作为可智能变形的力学超材料用于防护工程、人工智能本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构包括三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构以及若干结构驱动杆件；
2.根据权利要求1所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述圆台管结构的曲面内凹六边形胞元拓扑配置方式包括：定义空间直角坐标系XYZ，所述圆台管结构的上底面位于XY平面，所述圆台管结构的中心轴线平行于Z轴，且Z轴的正方向为所述圆台管结构的上底面指向下底面；尺寸梯度递变的若干曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列形成一列晶格，若干所述晶格绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周形成完整的闭环结构。
3.根据权利要求2所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元具有弯曲弧度，所述弯曲弧度为其中，N为绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周的晶格数量，N满足2≤N≤360且N能被360整除；所述结构驱动杆件的数量为3～2N个。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元
5.根据权利要求4所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述二维内凹六边形平面结构为梯形，所述水平支撑柱的厚度为t，单胞元上内凹角为θ1，单胞元下内凹角为θ2，单胞元上斜支撑柱长度为l1，单胞元下斜支撑柱长度为l2，单胞元高度为h；
6.根据权利要求2或3所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，沿Z轴的正方向，第i层所述曲面内凹六边形胞元的胞元高度为hi，相邻两个胞元高度比值为q，定义q为设定所述圆台管结构的总高度为H，则其中，L为沿圆台管母线方向排列的曲面内凹六边形胞元的个数，T1为圆台管结构的上环形边界的厚度，T2为圆台管结构的下环形边界的厚度；
7.根据权利要求6所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述结构驱动杆件的长度lb满足如下公式其中，V为圆台管结构的顶角。
8.根据权利要求1-7任一项所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述圆台管结构的薄壁厚度d的取值范围为2～20mm，所述结构驱动杆件的厚度m的取值范围为0＜m＜d。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构的制备方法，其特征在于，三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构通过3D打印方法制备，再将若干结构驱动杆件通过铰接、螺栓固定、缝合或开槽中任意一种或至少两种组合的方式与蜂窝骨架结构相结合。
10.一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构的用途，其特征在于，将权利要求1-8任一项所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，或者权利要求9所述制备方法得到的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，作为可智能变形的力学超材料用于防护工程、人工智能、可穿戴设备、医疗器具、人工假体领域。
...【技术特征摘要】
1.一种可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构包括三维梯度负泊松比蜂窝骨架结构以及若干结构驱动杆件；
2.根据权利要求1所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述圆台管结构的曲面内凹六边形胞元拓扑配置方式包括：定义空间直角坐标系xyz，所述圆台管结构的上底面位于xy平面，所述圆台管结构的中心轴线平行于z轴，且z轴的正方向为所述圆台管结构的上底面指向下底面；尺寸梯度递变的若干曲面内凹六边形胞元沿圆台管母线方向排列形成一列晶格，若干所述晶格绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周形成完整的闭环结构。
3.根据权利要求2所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元具有弯曲弧度，所述弯曲弧度为其中，n为绕所述圆台管结构的中心轴线阵列一周的晶格数量，n满足2≤n≤360且n能被360整除；所述结构驱动杆件的数量为3～2n个。
4.根据权利要求1-3任一项所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，任一所述曲面内凹六边形胞元对应的胞元体结构为二维内凹六边形平面结构；所述二维内凹六边形平面结构包括一根水平支撑柱，所述水平支撑柱平行于所述圆台管结构的圆台底面；所述曲面内凹六边形胞元还包括位于所述水平支撑柱上方的两根上斜支撑柱，以及位于所述水平支撑柱下方的两根下斜支撑柱。
5.根据权利要求4所述的可智能变形的三维梯度负泊松比圆台薄壁结构，其特征在于，所述二维内凹六边形平面结构为梯形，所述水平支撑柱的厚度为t，单胞元上内...
【专利技术属性】
技术研发人员：徐俊波，庄晟逸，向文超，杨超，王敏，权维利，赵永忠，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：
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