一种点阵压电超材料

本发明涉及机械超材料结构设计领域，更具体地，涉及一种点阵压电超材料。

背景技术：

1、压电材料是受到压力作用时会在两端面间出现电压的晶体材料。压电效应的机理是：具有压电性的晶体对称性较低，当受到外力作用发生形变时，晶胞中正负离子的相对位移使正负电荷中心不再重合，导致晶体发生宏观极化，而晶体表面电荷面密度等于极化强度在表面法向上的投影，所以压电材料受压力作用形变时两端面会出现异号电荷。反之，压电材料在电场中发生极化时，会因电荷中心的位移导致材料变形。

2、获得反直觉的物理特性是超材料领域的一个重要课题，包括负折射、负泊松比、形状可重构性和压电谐振带隙等。这些独特的特性来自于人工结构而不是材料特性本身。设计具有非自然参数和特性的拓扑人工结构是超材料领域的一大挑战，特别是对于相对未开发的具有力电耦合效应的压电材料。压电材料主要包括陶瓷、单晶和聚合物等，其中压电陶瓷具有优异的力电耦合性能和易于制备等优点，因此成为应用最广泛的材料使用压电材料。压电陶瓷或聚合物等在航空航天、工业设备、医疗仪器等领域发挥着重要作用。

3、压电超材料在机器人、无损检测、能量采集等领域受到广泛关注。描述机电耦合特性的压电系数是评价压电材料性能的最重要参数。天然压电陶瓷或压电聚合物由于∞mm的晶体对称性，只有五个非零压电系数，其中d31、d32为负，d33、d15、d24为正。事实上，不同的压电系数都有各自的优势和应用场景。例如，压电系数d36可用于激发水平剪切波来检测结构损伤。此外，通过施加平行于极化方向(第三方向z)的电场方向可以避免由外部电场引起的去极化。因此，天然压电陶瓷的压电系数种类不足以满足实际需求，阻碍了相关压电器件的发展和应用。目前已经开发了多种方法来获得非零压电系数。为了获得水平剪切波，非零压电系数d36已通过多种方法获得，包括将铁弹畴或电畴引入压电陶瓷，或者采用二维反平行极化。然而，每个陶瓷基元的模态组合只能实现局部变形的逆压电效应，不适用于正压电效应。这些方式仅实现了部分非零压电系数或局部可变形模式，不能够在大范围内操纵压电系数。

4、现有文献(公告号：cn112530395 a)公开了一种低频宽带压电声学超材料布局结构及布局方法，包括若干元胞，每个元胞包括压电片和基体板，所有元胞的基体板共同构成外部基体板，压电片为四角星型，压电片的四个角被矩形截断；基体板正反两面分别设有两个压电片，两个压电片并联后与分流电感电路电性连接；相邻元胞间的压电片不接触。但是该结构无法实现非零压电系数或局部可变形模式，不能够在大范围内操纵压电系数。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种点阵压电超材料，解决了无法实现全部非零压电系数，不能够在大范围内操纵压电系数的问题。

2、本发明提供了一种点阵压电超材料，在三维空间内，包括多个相互连接的单胞结构；

3、单胞结构包括第一平面单元、第二平面单元和连接支柱；第一平面单元包括：第一甲支柱、第二甲支柱、第三甲支柱、第四甲支柱、第五甲支柱和第六甲支柱；第一甲支柱的中间部位具有第一甲节点，第一甲节点和第二甲支柱的第一端点相连接，第二甲支柱的第二端点和第三甲支柱的第一端点相连接；第四甲支柱的第一端点和第五甲支柱的第一端点相连接，第六甲支柱的中间部位具有第二甲节点，第二甲节点和第五甲支柱的第二端点相连接；第二甲支柱的中间部位具有第三甲节点，第五甲支柱的中间部位具有第四甲节点，连接支柱的第一端点和第三甲节点相连接，连接支柱的第二端点和第四甲节点相连接；

4、第二平面单元包括第一乙支柱、第二乙支柱、第三乙支柱、第四乙支柱、第五乙支柱和第六乙支柱；第一乙支柱的中间部位具有第一乙节点，第一乙节点和第二乙支柱的第一端点相连接，第二乙支柱的第二端点和第三乙支柱的第一端点相连接；第四乙支柱的第一端点和第五乙支柱的第一端点相连接，第六乙支柱的中间部位具有第二乙节点，第二乙节点和第五乙支柱的第二端点相连接；第二乙支柱的中间部位具有第三乙节点，第五乙支柱的中间部位具有第四乙节点，连接支柱的第一端点和第三乙节点相连接，连接支柱的第二端点和第四乙节点相连接；

5、第一甲支柱、第三甲支柱、第四甲支柱、第六甲支柱、第一乙支柱、第三乙支柱、第四乙支柱、第六乙支柱和连接支柱相互平行；第一甲支柱、第三甲支柱、第四甲支柱、第六甲支柱、第一乙支柱、第三乙支柱、第四乙支柱和第六乙支柱的长度相同；相邻的单胞结构共用第一甲支柱、第三甲支柱、第四甲支柱、第六甲支柱、第一乙支柱、第三乙支柱、第四乙支柱和第六乙支柱。

6、与现有技术相比，本发明提供的一种点阵压电超材料，至少实现了如下的有益效果：

7、本发明提供的一种点阵压电超材料，通过分析宏观有效应力和结构支柱应力之间的关系，能够利用点阵压电超材料实现对称性破缺，从而得到全部非零压电系数。通过操纵三维点阵结构的几何参数，压电系数可以在从正值到负值的广泛范围内连续操纵；构建的超材料表现出理论上全部的力电耦合模式，即任意方向的法向和剪切应力能产生所有方向的电学响应，反之亦然。

8、当然，实施本发明的任一产品必不特定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

9、通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

技术特征：

1.一种点阵压电超材料，其特征在于，在三维空间内，包括多个相互连接的单胞结构；

2.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，第一方向、第二方向和第三方向两两相交，所述连接支柱沿所述第三方向延伸，所述单胞结构在所述第二方向和所述第三方向所共同构成的平面上的正投影为无对称轴侧视图。

3.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，第一方向、第二方向和第三方向两两相交，所述连接支柱沿所述第三方向延伸，所述单胞结构在所述第一方向和所述第三方向所共同构成的平面上的正投影为无对称轴侧视图。

4.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，第一方向、第二方向和第三方向两两相交，所述连接支柱沿所述第二方向延伸，所述单胞结构在所述第二方向和所述第三方向所共同构成的平面上的正投影为无对称轴侧视图。

5.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，第一方向、第二方向和第三方向两两相交，所述连接支柱沿所述第二方向延伸，所述单胞结构在所述第一方向和所述第二方向所共同构成的平面上的正投影为无对称轴侧视图。

6.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，第一方向、第二方向和第三方向两两相交，所述连接支柱沿所述第一方向延伸，所述单胞结构在所述第一方向和所述第三方向所共同构成的平面上的正投影为无对称轴侧视图。

7.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，第一方向、第二方向和第三方向两两相交，所述连接支柱沿所述第一方向延伸，所述单胞结构在所述第一方向和所述第二方向所共同构成的平面上的正投影为无对称轴侧视图。

8.根据权利要求1所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，所述第一甲支柱、所述第三甲支柱、所述第四甲支柱、所述第六甲支柱、所述第一乙支柱、所述第三乙支柱、所述第四乙支柱、所述第六乙支柱、所述第二甲支柱、所述第五甲支柱、所述第二乙支柱、所述第五乙支柱和所述连接支柱的截面形状为圆形、矩形、正方形或三角形。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种点阵压电超材料，其特征在于，多个所述单胞结构呈周期性排布。

技术总结
本发明公开了一种点阵压电超材料，在三维空间内，包括多个相互连接的单胞结构；单胞结构包括第一平面单元、第二平面单元和连接支柱；第一平面单元包括：第一甲支柱、第二甲支柱、第三甲支柱、第四甲支柱、第五甲支柱和第六甲支柱；第二平面单元包括第一乙支柱、第二乙支柱、第三乙支柱、第四乙支柱、第五乙支柱和第六乙支柱；相邻的单胞结构共用第一甲支柱、第三甲支柱、第四甲支柱、第六甲支柱、第一乙支柱、第三乙支柱、第四乙支柱和第六乙支柱，通过操纵三维点阵结构的几何参数，压电系数可以在从正值到负值的广泛范围内连续操纵；构建的超材料表现出理论上全部的力电耦合模式，即任意方向法向和剪切应力能产生所有方向的电学响应，反之亦然。

技术研发人员：洪家旺,余博,侯泽伟,王学云,伦应焯
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14