一种基于金属橡胶的负泊松比超材料结构及工作方法

本发明涉及力学与机械工程领域，特别是一种基于金属橡胶的负泊松比超材料结构及工作方法。

背景技术：

1、负泊松比材料和结构具有不同于传统材料的力学特性，其在受拉伸时，材料在弹性范围内横向发生膨胀；而受压缩时，材料的横向反而发生收缩。与传统正泊松比材料相比，负泊松比材料在很多方面都具有优势，具体表现在能量吸收、弹性模量与切变模量、压痕阻力等方面。正是因为其特殊的力学性能，负泊松比材料不仅在日常生活用品中具有重要意义，同时对于航空、国防、汽车产业也有着巨大的潜在价值。近年来，科研人员在对自然界负泊松比材料微观结构抽象、演化的基础上，研制出大量人工负泊松比超材料，其仍面临抗冲击性差、承载能力不足、极端环境不耐受等问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于金属橡胶的负泊松比超材料结构及工作方法，具有优异的可重复抗冲击、减振和力学承载性能，具有较强的极端环境适应能力。

2、本发明采用以下方案实现：一种基于金属橡胶的负泊松比超材料结构，由超材料结构胞元沿x轴方向和y轴方向周期性延拓而成，所述超材料结构胞元包括4个按2×2的阵列方式进行排布的金属橡胶块，超材料结构胞元中的4个金属橡胶块中间围合成菱形结构，所述金属橡胶块中心穿设有芯轴，芯轴两端连接有连接件，所述连接件侧部设有四个呈十字分布的插孔，并且连接件的四个插孔轴线与金属橡胶块端面的对角线相平行；x轴方向和y轴方向相邻两金属橡胶块的连接件之间通过弹性曲梁相连接，弹性曲梁端部插接在连接件的插孔中。

3、进一步的，所述金属橡胶块横截面呈正方形，x轴方向和y轴方向相邻两金属橡胶块的竖向棱边连接在一起。

4、进一步的，x轴方向上的每行弹性曲梁通过连接件连接形成波浪形结构，y轴方向上的每列弹性曲梁也通过连接件连接形成波浪形结构，相邻两行或者相邻两列中位置相对的两弹性曲梁弯曲方向相反。

5、进一步的，超材料结构胞元中菱形结构的锐角α满足，弹性曲梁弧长r满足，l为金属橡胶块横截面的边长。

6、本发明另一技术方案：一种如上所述基于金属橡胶的负泊松比超材料结构的工作方法，弹性曲梁通过连接件相互组合构成负泊松比框架，将正泊松比金属橡胶块作为基本相，将负泊松比框架作为增强相；其能量变换分为三个阶段：第一阶段，在受冲击载荷时，由于金属橡胶块产生扭矩带动芯轴、连接件及具有初始挠度的弹性曲梁，使得材料发生局部扭转和整体收缩变形，产生负泊松比效应，能量转化为框架的弹性势能；第二阶段，框架变形量达到一定程度使金属橡胶块之间从线接触变为面接触，金属橡胶块成为主要承载对象，起到抗冲压载荷与限位保护的作用，金属橡胶块受压膨胀，但整体变形仍处于负泊松比状态；此时，大部分能量被金属橡胶块内部线匝之间的干摩擦阻尼耗散，小部分能量转化为金属橡胶块和框架的弹性势能；第三阶段，卸载外部载荷后，弹性势能得到释放，恢复初始状态。

7、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

8、（1）在受载时，材料会发生局部扭转和整体收缩变形，材料产生负泊松比效应，在受到冲击载荷后，框架吸收一部分能量，框架变形量继续增大使金属橡胶成为主要承载元件，阻尼特性增强，达到坑冲击、减振的效果；同时，由于金属橡胶的限位保护作用，使得框架始终保持在弹性范围内，卸载外部载荷后，材料释放弹性势能恢复初始状态，具有优异的可重复抗冲击、减振和力学承载性能；

9、（2）设计合理，结构简单，以金属橡胶作为基材，相对于传统橡胶或金属负泊松比材料，其具有更强的极端环境（高温、高压、腐蚀、辐射）适应能力及优异的摩擦阻尼特性，金属橡胶与弹性曲梁结合具有较高的可设计性。

10、为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将通过具体实施例和相关附图，对本发明作进一步详细说明。

技术特征：

1.一种基于金属橡胶的负泊松比超材料结构，其特征在于：由超材料结构胞元沿x轴方向和y轴方向周期性延拓而成，所述超材料结构胞元包括4个按2×2的阵列方式进行排布的金属橡胶块，超材料结构胞元中的4个金属橡胶块中间围合成菱形结构，所述金属橡胶块中心穿设有芯轴，芯轴两端连接有连接件，所述连接件侧部设有四个呈十字分布的插孔，并且连接件的四个插孔轴线与金属橡胶块端面的对角线相平行；x轴方向和y轴方向相邻两金属橡胶块的连接件之间通过弹性曲梁相连接，弹性曲梁端部插接在连接件的插孔中。

2.根据权利要求1所述的基于金属橡胶的负泊松比超材料结构，其特征在于：所述金属橡胶块横截面呈正方形，x轴方向和y轴方向相邻两金属橡胶块的竖向棱边连接在一起。

3.根据权利要求2所述的基于金属橡胶的负泊松比超材料结构，其特征在于：超材料结构胞元中菱形结构的锐角α满足 ，弹性曲梁弧长r满足，l为金属橡胶块横截面的边长。

4.根据权利要求1所述的基于金属橡胶的负泊松比超材料结构，其特征在于：x轴方向上的每行弹性曲梁通过连接件连接形成波浪形结构，y轴方向上的每列弹性曲梁也通过连接件连接形成波浪形结构，相邻两行或者相邻两列中位置相对的两弹性曲梁弯曲方向相反。

5.一种如权利要求1所述基于金属橡胶的负泊松比超材料结构的工作方法，其特征在于：弹性曲梁通过连接件相互组合构成负泊松比框架，将正泊松比金属橡胶块作为基本相，将负泊松比框架作为增强相；其能量变换分为三个阶段：第一阶段，在受冲击载荷时，由于金属橡胶块产生扭矩带动芯轴、连接件及具有初始挠度的弹性曲梁，使得材料发生局部扭转和整体收缩变形，产生负泊松比效应，能量转化为框架的弹性势能；第二阶段，框架变形量达到一定程度使金属橡胶块之间从线接触变为面接触，金属橡胶块成为主要承载对象，起到抗冲压载荷与限位保护的作用，金属橡胶块受压膨胀，但整体变形仍处于负泊松比状态；此时，大部分能量被金属橡胶块内部线匝之间的干摩擦阻尼耗散，小部分能量转化为金属橡胶块和框架的弹性势能；第三阶段，卸载外部载荷后，弹性势能得到释放，恢复初始状态。

技术总结
本发明涉及一种基于金属橡胶的负泊松比超材料结构及工作方法，由超材料结构胞元沿x轴方向和y轴方向周期性延拓而成，超材料结构胞元包括4个按2×2的阵列方式进行排布的金属橡胶块，超材料结构胞元中的4个金属橡胶块中间围合成菱形结构，金属橡胶块中心穿设有芯轴，芯轴两端连接有连接件，连接件侧部设有四个呈十字分布的插孔，并且连接件的四个插孔轴线与金属橡胶块端面的对角线相平行；相邻两金属橡胶块的连接件之间通过弹性曲梁相连接，弹性曲梁端部插接在连接件的插孔中。本发明负泊松比超材料结构具有优异的可重复抗冲击、减振和力学承载性能，具有更强的极端环境（高温、高压、腐蚀、辐射）适应能力及优异的摩擦阻尼特性。

技术研发人员：吴乙万,曾义荃,白鸿柏,程湖
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12