一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构

本发明属于柔性结构，具体涉及一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构。

背景技术：

1、柔性电子器件是将有机或无机材料电子器件制作在柔性或可延性基板上的电子器件，作为未来电子器件发展的方向之一备受瞩目。柔性电子器件在许多领域都有应用，比如电子皮肤，软体机器人，柔性电源等。在设计柔性电子器件时，其柔性主要通过两方面得来：其一是要求基底材料本身具有柔性，如聚乙烯醇，聚酯，聚酰亚胺等。

2、其二是通过结构设计，使得材料整体表现出柔性，不依赖于材料本身性质。在器件的柔性基础上，它具有的功能性更值得关注。通过结构设计获取的力学超材料应用于柔性电子器件上可以实现功能的提升与突破，特别是具备负泊松比的超材料。对于应变传感器来说，基于具有负泊松比的力学超材料的柔性电子器件实现了灵敏度的大幅提升。

3、负泊松比材料，是在横向拉伸的同时自行纵向膨胀的材料。负泊松比材料具有优良的力学性能，如强抗冲击，抗压痕性，高能量吸收性，高剪切模量和高断裂韧性。较为典型的负泊松比结构设计有凹角结构、手性结构、旋转刚性单元等。这些结构存在很多局限性，包括：泊松比随应变为非线性响应，且拉伸性不足，很难实现大变形；负泊松比主要体现在压缩上，关注小变形泊松比，只能实现特定的泊松比值。后来出现的基于曲梁微结构的网状负泊松比材料将节点间的直梁改用为弯曲的马蹄形梁，由于其变形特性，可以使结构整体呈现j性应力应变响应，与许多生物组织类似，能够足够柔顺的包裹生物组织，而且通过改变其中参数可以调节泊松比大小，但调节范围很小。后来出现使用锯齿形梁的负泊松比网状材料，牺牲了部分强度，实现了大变形下相对恒定的负泊松比，调控范围比之前更大，且在调控泊松比的同时会对材料整体的应力-应变曲线产生影响。之前的设计存在的种种不足带来了新的挑战，需要在不牺牲强度的情况下实现相对恒定的负泊松比响应，以及实现大变形泊松比与应力应变曲线的独立调控。这对于提高结构性能，指导基于负泊松比结构的柔性电子器件设计具有重要意义。目前，尚无多种微结构混合设计的柔性负泊松比结构。

技术实现思路

1、针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构，以实现在不牺牲强度的情况下实现相对恒定的负泊松比响应和大变形泊松比与应力-应变曲线的独立调控，提高结构性能，指导基于负泊松比结构的柔性电子器件设计。

2、为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构，所述柔性负泊松比结构是由混合微结构单胞通过周期性阵列化形成的网状结构；每个混合微结构单胞由水平方向上的圆弧形微结构和倾斜方向上的锯齿形微结构组成；圆弧形微结构与锯齿形微结构以等边三角形的方式连接。

4、所述圆弧形微结构中圆弧段的宽度用wh描述，圆弧形微结构曲线由圆弧圆心角θ和单胞跨距l0控制，计算公式如下：

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6、锯齿形微结构中窄段的宽度用wo2描述，长度用lo2描述，宽段的宽度用wo1描述，窄段与宽段的总长度用lo1描述，锯齿形微结构曲线由直线段斜率k＝tanφ和单胞跨距l0控制，计算公式如下：

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8、在此基础上，用单胞跨距l0对相关参数进行标准化，混合微结构单胞能由wh/l0，θ,wo2/wo1，k,lo2/lo1,wo1/l0这六个标准化参数完全描述和设计。

9、所述混合微结构单胞的水平方向上的圆弧形微结构拉直应变由转换应变εcr描述，转换应变εcr与圆弧形微结构的几何参数有关，计算公式如下：

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11、与目前现有技术相比，本发明具有如下优势：

12、(a)本发明的混合微结构单胞在水平拉伸方向上采用没有减弱段的圆弧形微结构，在倾斜方向上采用锯齿形微结构，通过参数调控实现了拉伸强度的提升，同时不影响可拉伸性和泊松比的大小与恒定响应。

13、(b)本发明提出的混合微结构单胞通过对水平方向上的圆弧形微结构与倾斜方向上的锯齿形微结构的结构参数的独立调节，实现了大变形泊松比与应力-应变曲线独立调控。解决了调控泊松比影响应力-应变曲线的问题。

14、(c)本发明通过结构参数调控可同时定制所需大变形泊松比和应力-应变曲线，对指导基于负泊松比结构的柔性电子器件设计具有重要意义。

15、(d)本发明提出的柔性负泊松比结构容易获取，可通过多种平面制备技术制备。

技术特征：

1.一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构，其特征在于：所述柔性负泊松比结构是由混合微结构单胞通过周期性阵列化形成的网状结构；每个混合微结构单胞由水平方向上的圆弧形微结构和倾斜方向上的锯齿形微结构组成；圆弧形微结构与锯齿形微结构以等边三角形的方式连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构，其特征在于：所述圆弧形微结构中圆弧段的宽度用wh描述，圆弧形微结构曲线由圆弧圆心角θ和单胞跨距l0控制，计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构，其特征在于：所述混合微结构单胞的水平方向上的圆弧形微结构拉直应变由转换应变εcr描述，转换应变εcr与圆弧形微结构的几何参数有关，计算公式如下：

技术总结
本发明公开了一种基于混合微结构设计的柔性负泊松比结构，该柔性负泊松比结构是由混合微结构单胞通过周期性阵列化形成的网状结构；每个混合微结构单胞由水平方向上的圆弧形微结构和倾斜方向上的锯齿形微结构组成；圆弧形微结构与锯齿形微结构以等边三角形的方式连接。本发明的混合微结构设计通过对水平圆弧形微结构和倾斜锯齿形微结构几何参数的独立调节，提升了柔性负泊松比结构在拉伸载荷作用下的承载能力，从而实现了拉伸强度的提高，同时不影响泊松比与可拉伸性；实现了大变形泊松比与应力‑应变曲线的独立调节，提高了柔性负泊松比结构的性能，可用于定制具有目标泊松比和应力应变曲线的柔性电子器件基底。

技术研发人员：黄林炜,刘建星,卢同庆
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/6/23