【摘要】：拉脹結(jié)構(gòu)(Auxetic lattice structures)是一種具有負(fù)泊松比效應(yīng)的特殊點陣結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)承受拉伸載荷時發(fā)生側(cè)向膨脹,而承受壓縮載荷時則發(fā)生側(cè)向收縮。由于這種獨特的負(fù)泊松比效應(yīng),使得拉脹結(jié)構(gòu)比一般點陣結(jié)構(gòu)具有更高的剪切強度、剛度、斷裂韌性以及抗沖擊能力和能量吸收本領(lǐng),在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)、減振、沖擊防護、傳感器等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。近年來,拉脹結(jié)構(gòu)吸引了越來越多研究者的關(guān)注,成為多孔材料領(lǐng)域的熱點研究方向之一。但是受制備方法的限制,目前所能得到的拉脹結(jié)構(gòu)還比較簡單,單胞也比較大,且基體大多為非金屬,非常不利于拉脹結(jié)構(gòu)的研究及應(yīng)用。為此,本文利用3D打印技術(shù)先獲得小單胞、細(xì)桿徑、復(fù)雜構(gòu)型的非金屬拉脹結(jié)構(gòu)模型,再利用該模型通過熔模鑄造和壓力滲流工藝制備出Al基拉脹結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上,對其壓縮力學(xué)行為、負(fù)泊松比效應(yīng)及其與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系進行了實驗研究,取得了以下主要結(jié)果:1.使用CATIA畫圖軟件,設(shè)計出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的內(nèi)凹蜂窩型和雙箭頭型拉脹結(jié)構(gòu),然后通過3D打印技術(shù)制備出低熔點、低活性、易成形材料的拉脹結(jié)構(gòu),再通過熔模鑄造和低壓滲流技術(shù)將低熔點拉脹結(jié)構(gòu)模型轉(zhuǎn)換成Al基拉脹結(jié)構(gòu)。該方法突破了傳統(tǒng)工藝在單胞和桿元尺寸、拉脹構(gòu)型多樣性等方面的限制,以及3D打印技術(shù)在基體材料選擇、成形效率等方面的不足,為拉脹結(jié)構(gòu)走向?qū)嶋H應(yīng)用提供了一條新思路。2.通過Al基拉脹結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗表明,該結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變曲線也具有典型的三區(qū)域特征,即變形初期的線彈性區(qū),塑性變形后的平臺區(qū)和致密化區(qū)。但與傳統(tǒng)的多孔材料相比,Al基內(nèi)凹蜂窩型拉脹結(jié)構(gòu)具有更高的壓縮強度。另外,拉脹結(jié)構(gòu)的流動應(yīng)力、單位體積或單位質(zhì)量吸能均隨桿長L和內(nèi)凹角θ的增大而減小,隨桿徑D的增大而增大,泊松比的變化則相反。3.Al基雙箭頭型拉脹結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變行為及其與桿元參數(shù)的關(guān)系與內(nèi)凹蜂窩型拉脹結(jié)構(gòu)相似,但泊松比更依賴于壓縮應(yīng)變。壓縮應(yīng)變增大,泊松比的絕對值逐漸增大。4.對Al基拉脹結(jié)構(gòu)宏觀變形模式及演化過程的觀察發(fā)現(xiàn),A1基內(nèi)凹蜂窩型拉脹結(jié)構(gòu)的壓縮變形是通過斜桿彎曲和折疊進行的,橫桿始終保持水平狀態(tài)且沒有明顯伸長。隨著壓縮的進行,斜桿向內(nèi)部移動,試樣橫向尺寸減小,從而產(chǎn)生負(fù)泊松效應(yīng)。另外,變形桿元分布均勻,無局域化現(xiàn)象,并且整個壓縮過程無斷裂發(fā)生,這與普通隨機孔結(jié)構(gòu)的多孔金屬有很大不同。Al基雙箭頭型拉脹結(jié)構(gòu)的變形方式為長斜桿產(chǎn)生拉伸和彎曲變形,短斜桿產(chǎn)生壓縮和彎曲變形,長斜桿和短斜桿沿壓縮方向繞節(jié)點轉(zhuǎn)動,向結(jié)構(gòu)中心移動,從而產(chǎn)生橫向收縮,即負(fù)泊松比效應(yīng)。5.為了提高Al基內(nèi)凹蜂窩型拉脹結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能,設(shè)計了一種在單胞中增加一根細(xì)桿的增強型拉脹結(jié)構(gòu)。與原拉脹結(jié)構(gòu)相比,增強型拉脹結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能顯著提高。該結(jié)構(gòu)彈性模量、壓縮強度、單位體積或單位質(zhì)量吸能均隨新增連接桿直徑的增加而增大,隨內(nèi)凹角的增加而變小。隨連接桿直徑變大,拉脹結(jié)構(gòu)的泊松比由負(fù)變正,說明連接桿對斜桿的變形起到了阻礙作用,削弱了拉脹結(jié)構(gòu)的負(fù)泊松比效應(yīng)。6.在Al基拉脹結(jié)構(gòu)中填充不同的聚合物材料,形成了新的拉脹復(fù)合結(jié)構(gòu)。研究表明,復(fù)合結(jié)構(gòu)的流動應(yīng)力明顯提高,其數(shù)值遠(yuǎn)大于填充前Al基拉脹結(jié)構(gòu)和聚合物材料的流動應(yīng)力之和。聚合物材料本身的強度越高,復(fù)合結(jié)構(gòu)的強化效果就越明顯。由于聚合物對桿變形及滑動的阻礙作用,復(fù)合結(jié)構(gòu)泊松比的絕對值變小,并且變形模式發(fā)生變化,由壓縮主導(dǎo)型向拉伸主導(dǎo)型轉(zhuǎn)變,這一轉(zhuǎn)變也是復(fù)合結(jié)構(gòu)強化的主要原因之一。7.利用不銹鋼方管作為約束介質(zhì),將填充聚合物后的Al基拉脹結(jié)構(gòu)塞入方管,組成拉脹復(fù)合結(jié)構(gòu)-不銹鋼方管復(fù)合體。力學(xué)實驗表明,復(fù)合體的強度大于單一拉脹復(fù)合結(jié)構(gòu)和不銹鋼方管強度的代數(shù)和,并且未出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.4
【圖文】：

脹材料的性能更主要是取決于其微結(jié)構(gòu)而不是材料的組份。隨著材料制備技術(shù)逡逑打印的迅猛發(fā)展，人們開始研發(fā)制備出不同尺度不同種類的新型結(jié)構(gòu)，拓寬逡逑材料的應(yīng)用領(lǐng)域。本文首次采用３Ｄ打印結(jié)合傳統(tǒng)的熔模鑄造技術(shù)，實現(xiàn)了多逡逑型、小單胞、多層級Ａ１基拉脹結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備及優(yōu)化，并揭示了邋ＡＩ基拉脹逡逑構(gòu)的宏觀力學(xué)行為以及負(fù)泊松比效應(yīng)產(chǎn)生的機理。逡逑２拉脹材料的發(fā)展逡逑１９２８年，法國科學(xué)家泊松首先提出了泊松比（Ｐｏｉｓｓｏｎ’ｓｒａｔｉｏ）這一概念，他逡逑據(jù)分子間相互作用的理論，獲得了彈性體的運動方程，理論上證明各向同性彈逡逑體在承受軸向拉伸載荷作用時，其橫向變形與軸向變形比值為－常數(shù)，即泊松逡逑，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：逡逑ｖ邋＝邋——邐（１．邋１）逡逑＆逡逑統(tǒng)材料的泊松比在０．２到０．５之間，而有一種材料泊松比為負(fù)值，即當(dāng)材料軸逡逑受拉時，橫向膨脹如圖１．邋１所示，我們把這種材料稱為拉脹材料。逡逑－

第１章緒論拉脹材料極為罕見，Ｌｏｖｅ在２０世紀(jì)初首次證明了黃鐵礦晶體存在負(fù)并估算其泊松比值為－Ｉ如圖１．２所示。同樣，在一些動物的皮膚中泊松比效應(yīng)的存在，比如母牛乳頭的部分皮膚［９：。在２０世紀(jì)８０年工拉脹材料開始出現(xiàn)。丨９８５年，Ａｌｍｇｒｅｎ提出了一種鉸接的拉脹結(jié)所示［｜°。１９８７年，Ｌａｋｅｓ制造出了第一個人工制造的拉脹泡沫結(jié)構(gòu)如［＂。此后，研宄人員開始對拉脹結(jié)構(gòu)進行了廣泛的研宄［１２＿Ｈ。例如，Ｍａ實驗制備出了具有負(fù)泊松比的凹型結(jié)構(gòu)如圖１．５所示［１５：。Ｂ邋Ｄ邋Ｃａｄｄｏｖａｎｓ通過擠壓和拉拔控制制備了一種負(fù)泊松比的聚四氟乙烯（ＰＴＦＥ】。邐．

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 魏榮;吳紅枚;李競;陳少云;陳解放;吳斌;;拉脹高分子材料的研究進展[J];高分子材料科學(xué)與工程;2013年01期

2 鐘小勇;;金屬殼體拉脹模具[J];模具制造;2013年09期

3 魏高原;拉脹材料研究的進展[J];材料導(dǎo)報;2003年01期

4 盧子興;劉強;楊振宇;;拉脹泡沫材料力學(xué)性能[J];宇航材料工藝;2011年01期

5 周蕾;譚燕;;拉脹材料研究進展和應(yīng)用前景[J];中國建材科技;2013年05期

6 吳紅枚,魏高原;幾種自組裝拉脹分子網(wǎng)絡(luò)的分子模擬[J];高分子學(xué)報;2004年02期

7 魏高原;拉脹聚合物[J];高分子通報;1995年04期

8 李卓然;;拉脹型結(jié)構(gòu)變形特性的研究[J];科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新;2018年11期

9 劉賽;鄭冬明;潘行星;劉貴;杜趙群;;交叉螺旋結(jié)構(gòu)拉脹紗線及其織物的成形與表征[J];紡織學(xué)報;2019年02期

10 魏高原;拉脹復(fù)合物中不同形狀包埋體的泊松比的理論分析[J];化學(xué)進展;1999年04期

相關(guān)會議論文 前4條

1 富明慧;劉鳳鳴;陳譽;鄭彬彬;;一種三維蜂窩拉脹材料及其力學(xué)性能分析[A];第十五屆現(xiàn)代數(shù)學(xué)和力學(xué)學(xué)術(shù)會議摘要集（MMM-XV 2016）[C];2016年

2 王歡;盧子興;楊振宇;;新構(gòu)型拉脹蜂窩與經(jīng)典拉脹蜂窩的動態(tài)壓縮特性對比研究[A];第十七屆北方七省市區(qū)力學(xué)學(xué)會學(xué)術(shù)會議論文集[C];2018年

3 李響;盧子興;;一種具有彈性模量增強效應(yīng)的拉脹蜂窩新構(gòu)型[A];中國力學(xué)大會-2015論文摘要集[C];2015年

4 汪海迪;李湃;楊金龍;;δ-磷:一種新奇的負(fù)泊松比材料[A];中國化學(xué)會第30屆學(xué)術(shù)年會摘要集-第四十分會：納米體系理論與模擬[C];2016年

相關(guān)重要報紙文章 前3條

1 張平 趙高峰;縱橫間彰顯智慧[N];科技日報;2004年

2 李宏乾;立足高遠(yuǎn)發(fā)展“拉脹”[N];中國化工報;2002年

3 記者 常麗君;越抻越“胖” 越壓越“瘦”[N];科技日報;2014年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 薛瑩瑩;三維Al基拉脹結(jié)構(gòu)的設(shè)計、制備、優(yōu)化及其力學(xué)性能研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 秦苑;拉脹超構(gòu)材料的設(shè)計及相關(guān)性質(zhì)的研究[D];南京大學(xué);2019年

2 金磊;拉脹力學(xué)超構(gòu)材料的設(shè)計、制備及性能研究[D];南京大學(xué);2018年

3 魏榮;拉脹線形芳酰胺聚合物用單體中間體的制備[D];南華大學(xué);2012年

4 趙陽;Docol1200M超高強鋼板溫拉脹成形性能研究[D];重慶理工大學(xué);2013年

5 李競;苯乙烯—甲基丙烯酸系高吸油樹脂的合成與性能及拉脹聚芳酰胺用單體前驅(qū)體的制備[D];南華大學(xué);2011年

本文編號：2739564