一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构及其应用的制作方法

本发明涉及超材料，尤其涉及一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构及其应用。

背景技术：

1、超材料是指通过人工结构实现超常特性的新型材料，最初用于电磁波的调控，以实现负折射、完美成像、完美隐身等功能。与传统材料不同，其性能取决于特定的结构设计而非化学成分。近年来，超材料的概念被引入到力学领域，由精细设计的人工机械结构单元构成的力学超材料，呈现出一些奇异的力学特性。通过设计结构单元，可以对力学超材料的弹性常数，即弹性模量，剪切模量，体模量或泊松比进行编程。

2、其中，能够在平面结构上进行制造的弹性超材料平板是学术界所关注的一个重点领域。弹性超材料平板具有2.5维结构，其厚度远小于宽度，所以可以通过激光切割刚性材料轻松制造。虽然整个结构由刚性材料制造，但由于其微观结构的可弯曲可拉伸性能，能够实现弹性特性。通过编程微观结构的几何参数，弹性超材料平板可以被弯曲成所需的空间形状表面。现有的超材料技术中，专利公开号为cn117028464a的《一种负泊松比蜂窝超材料》可以解决整体结构发生较大变形时容易失稳，超材料的结构稳定性较差，以及带隙可调性较差的问题。但是，由四角星单胞结构所组成的超材料平板不具备足够的柔韧性以弯曲成所需的空间形状表面，以及对几何参数编辑的灵活性较差，无法实现弹性性能的调控。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构及其应用，旨在解决现有弹性超材料平板弹性性能调控灵活性较差，并且不具备足够的柔韧性，无法弯曲成特定的三维曲面的问题，其具体技术方案如下：

2、一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构，包括：若干个具有四边形边界的螺旋微结构；

3、每个螺旋微结构包括：四个呈阿基米德螺旋线形的螺旋臂，各螺旋臂的一端部连接在同一原点；基于原点，四个螺旋臂间隔距离设置，相邻两个螺旋臂之间的夹角设置为90°。

4、进一步的，若干个螺旋微结构以在正交的两个方向线性阵列的形式平铺，相邻间螺旋微结构所连接的螺旋臂为一体成型连接。

5、进一步的，所述螺旋微结构的几何参数包括：

6、比例s：在一个螺旋微结构中，相对的两个螺旋臂端部的间隔距离；

7、扭转角φ：单个螺旋臂旋转的角度，即螺旋起点位置和终点位置之间的角度偏差；

8、以及，螺旋臂的宽度w和厚度h。

9、进一步的，通过调整几何参数可以改变结构的弹性特性。

10、一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构的应用，将基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构用作弹性材料，用以抗剪切、冲击和吸能隔振，通过控制约束所述螺旋微结构使弹性材料发生形状变化以达到不同工况下的抗剪切、冲击和吸能隔振。

11、进一步的，所述通过控制约束所述螺旋微结构使弹性材料发生形状变化，具体包括：

12、当弹性材料中的所有螺旋微结构在纵向单轴方向受拉力时，弹性材料在横向发生膨胀变形；

13、当弹性材料中的所有螺旋微结构在双轴方向受拉力时，弹性材料各向同性拉伸，发生放缩变形；

14、当弹性材料中的四个角点处的螺旋微结构受力，且相邻角点受相反方向的力、对角角点受相同方向的力时，弹性材料变形成马鞍面形状；

15、当弹性材料的四个边均固定，对其中心螺旋微结构施加向上的力时，弹性材料变形成半球形；

16、当弹性材料的四个角点均固定，对螺旋微结构施加转矩时，弹性材料变形成蝠鲼形；

17、当通过直线驱动器控制弹性材料中的每个螺旋微结构都单独受到一个不同大小的面外方向的力时，弹性材料发生不同的连续曲面变化。

18、本发明的有益效果是：基于阿基米德螺旋线的微型结构能够有效地分散由于大变形而产生的内部应力，从而在发生拉伸和弯曲时不致于螺旋臂断裂。其构成的弹性超材料平板具有较高的柔韧性和抗疲劳强度，从而可以在较大拉伸和弯曲下发生变形，通过设置不同约束条件可以发生不同的形状变化，构成多种三维表面，如球面和鞍面。此外，阿基米德螺旋线具有易于设置的参数，在实现弹性特性调控的灵活性上具有极大优势。以及，基于阿基米德螺旋线的弹性超材料是一种负泊松比超材料，具有很强的抗剪切性能、抗冲击性能和吸能隔振性。

技术特征：

1.一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构，其特征在于，

2.根据权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构，其特征在于，所述螺旋微结构的几何参数包括：

3.根据权利要求1所述的基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构，其特征在于，若干个螺旋微结构以在正交的两个方向线性阵列的形式平铺，相邻间螺旋微结构所连接的螺旋臂为一体成型连接。

4.一种权利要求1～3任一项所述的基于阿基米德螺旋线的超材料结构的应用，其特征在于，将基于阿基米德螺旋线的超材料结构用作弹性材料，用以抗剪切、冲击和吸能隔振，通过控制约束所述螺旋微结构使弹性材料发生形状变化以达到抗剪切、冲击和吸能隔振。

5.根据权利要求4所述的超材料结构的应用，其特征在于，所述通过控制约束所述螺旋微结构使弹性材料发生形状变化，具体包括：

技术总结本发明涉及超材料技术领域，尤其涉及一种基于阿基米德螺旋线的负泊松比超材料结构及其应用，所述超材料结构由若干个螺旋微结构在正交的两个方向线性阵列、连接平铺而成，每个螺旋微结构具有规则的四边形边界，包括：四个呈阿基米德螺旋线状的螺旋臂；各螺旋臂相互间以恒定间隔距离设置，且一端部连接在同一原点；相邻间螺旋微结构所连接的螺旋臂为一体成型连接。本发明的超材料结构具有很强的抗剪切性能、抗冲击性能和吸能隔振性，能够有效分散由于大变形而产生的内部应力，具有较高的柔韧性和疲劳强度，并且可以通过拉伸和弯曲实现较大的表面面积变化，从而构成多种三维表面，另外在实现弹性特性调控的灵活性上具有极大优势。技术研发人员：李基拓,刁小桔,陆国栋受保护的技术使用者：余姚市机器人研究中心技术研发日：技术公布日：2024/9/9