一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构-j9九游会真人

1.本发明涉及负泊松比结构设计技术领域，特别涉及一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构。


背景技术：

2.泊松比也称横向变形系数，用于表征材料在垂直于作用力方向上的横向变形特性，大多数材料的泊松比都为正值，但一些特殊的材料和结构具有负泊松比效应，即在拉伸下横向膨胀，在压缩下横向收缩。经典的负泊松比结构有手性结构和重入结构，负泊松比结构具有较高的剪切刚度、抗压能力、断裂韧性以及良好的动态力学性能和吸能特性。
3.手性又称手征性，是指一个物体不能与其镜像相重合的现象。例如人的左右手是镜像对称的，不能通过平面内的转动或平移左右手使其重合。手性结构单元大多由圆柱中心体和连接韧带所构成，当手性结构在一个方向受拉或受压时，韧带变形并带动圆柱中心旋转、收缩或扩张，由此产生负泊松比效应。其中交叉手性结构是一种四切向反手性结构，具有良好的轴对称性、力学稳定性和抗平面外变形的特性。同时交叉手性结构还具有较高的孔隙率，因此在轻质结构中有着潜在的应用前景。申请号为202222539323.0的中国专利申请，公开了一种复合手性结构及负泊松比防撞围栏，但该专利中申请的复合手性结构只是通过结合两种不同的结构单元来优化传统手性结构，从而提高负泊松比结构的力学性能，缺少通过调整负泊松比结构的组成材料来提高负泊松比结构力学性能的研究。
4.目前，负泊松比结构的组成材料对其整体力学性能有很大影响，现有的研究大多数都集中于将金属和聚合物作为负泊松比结构的组成材料，其中金属材料主要包括钢、铜和铝合金等；聚合物材料包括pla、聚氯乙烯、丙烯腈丁二烯苯乙烯、尼龙、橡胶数字材料和树脂等。这些组成材料中，如钢、铜和铝合金等金属材料能够很好地改善负泊松比结构的力学性能，但成本较高，不利于大规模的工程实践；而成本较低的组成材料却无法为结构提供良好的力学性能，如pla等材料。
5.高延性水泥基复合材料是一种具有高延性、高韧性和细密裂缝破坏特征的高性能材料。高延性水泥基复合材料可获得3％～7％的极限抗拉应变和平均裂缝宽度小于60μm的微裂缝，这为高延性水泥基复合材料作为负泊松比结构的组成材料提供了可能。目前，尚没有关于高延性水泥基复合材料制备负泊松比结构的报道，更没有关于高延性水泥基复合材料制备成交叉手性负泊松比结构的报道。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构不仅具有较高的抗压强度、抗弯强度、延性和良好的吸能特性，并且具有制作成本较低的特点，大大降低了负泊松比结构的制造成本，有助于交叉手性负泊松比结构的生产和应用。
7.为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
8.一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，包括交叉手性单元，整体结构由若干数量的交叉手性单元以阵列形式组成，多个所述的交叉手性单元尺寸均一致；
9.所述的交叉手性单元包括右上l形杆、左下l形杆、左上l形杆、右下l形杆和中心棱柱，所述右上l形杆、左下l形杆、左上l形杆和右下l形杆的短轴端部分别与中心棱柱的四个侧面相连，呈卍字形，同一行相邻的交叉手性单元左上l形杆和右下l形杆长轴端相连，同一列相邻的交叉手性单元左下l形杆和右上l形杆长轴端相连。
10.进一步的，所述的交叉手性单元的中心棱柱呈正方形，中心棱柱的边与竖直方向的夹角为45
°
。
11.进一步的，所述的右上l形杆、左下l形杆、左上l形杆和右下l形杆的几何尺寸相同。
12.进一步的，所述的右上l形杆、左下l形杆、左上l形杆和右下l形杆的长轴和短轴的宽与中心棱柱正方形的边长度相等。
13.进一步的，所述的交叉手性单元由高延性水泥基复合材料制备而成。
14.进一步的，所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构中，同一排的交叉手性单元和同一列的交叉手性单元数量可以相同，也可以不同。
15.所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构的制作过程为：
16.步骤1：使用软件设计模具的三维模型；
17.步骤2：使用3d打印机打印模具；
18.步骤3：按照配合比将水泥、粉煤灰、石英砂放入搅拌机中干拌1min；加入称量好的水和高效减水剂，继续搅拌2min；加入增稠剂再搅拌2min；缓慢加入pva纤维，搅拌至纤维分散均匀；
19.步骤4：将新拌高延性水泥基复合材料浇筑到模具中，然后放置在振动台上进行振捣密实，使浆体中的气泡充分逸出；
20.步骤5：浇筑完成48小时后进行脱模，然后置于标准养护室养护至28天，标准养护室室内温度为20
±
2℃，相对湿度在95％以上。
21.本发明的有益效果：
22.交叉手性负泊松比结构具有较高的抗压强度、抗弯强度以及良好的动态力学性能和吸能特性；采用高延性水泥基复合材料作为其组成材料，不仅降低了交叉手性负泊松比结构的制造成本，还因其独特的多裂缝开裂特征一定程度上提高了结构的抗压强度和延性。因此高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构具有较高的抗压强度、抗弯强度、延性以及良好的动态力学性能和吸能特性，除此之外还具有制作成本较低的特点，更有助于交叉手性负泊松比结构的生产和应用。
附图说明
23.图1是本发明提供的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构示意图；
24.图2是本发明提供的未切除倒角的交叉手性结构示意图；
25.图3是本发明提供切除位置示意图；
26.图4是本发明提供的交叉手性单元ⅰ的平面图；
27.图5是本发明提供的交叉手性单元ⅰ中的组成部分的平面布局图；
28.图6是本发明提供的高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构3d打印工艺流程图；
29.图7是本发明提供的实施例中单轴拉伸试验的应力-应变图；
30.图8是本发明提供的实施例中进行压缩试验条件下重入蜂窝结构在不同应变下的变形示意图；
31.图9是本发明提供的实施例中进行压缩试验下交叉手性结构在不同应变下的变形示意图；
32.图10是本发明提供的实施例中进行压缩试验条件下重入蜂窝结构的应力-应变图；
33.图11是本发明提供的实施例中进行压缩试验条件下交叉手性结构的应力-应变图；
34.图12是本发明提供的实施例中进行压缩试验条件下两种结构试件比能量吸收-应变图；
35.图13是本发明提供的实施例中进行压缩试验条件下两种负泊松比结构在泊松比-应变图。
36.说明书附图中的附图标记包括：
37.ⅰ‑
交叉手性单元，1-右上l形支杆，2-右下l形支杆，3-左下l形支杆，4-左上l形支杆，5-中心棱柱。
具体实施方式
38.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
39.如图1至图6所示，一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构，包括交叉手性单元ⅰ，整体结构由若干数量的交叉手性单元ⅰ阵列形式组成，本实施例中交叉手性单元ⅰ排布数量为三行三列。多个所述的交叉手性单元ⅰ尺寸均一致，所述的交叉手性单元ⅰ包括右上l形杆1、左下l形杆3、左上l形杆4、右下l形杆2和中心棱柱5，所述右上l形杆1、左下l形杆3、左上l形杆4和右下l形杆2的短轴端部分别与中心棱柱5的四个侧面相连，呈卍字形，同一行相邻的交叉手性单元ⅰ左上l形杆4和右下l形杆2长轴端相连，同一列相邻的交叉手性单元ⅰ左下l形杆3和右上l形杆1长轴端相连。所述的交叉手性单元的中心棱柱5呈正方形，中心棱柱5的边与竖直方向的夹角为45
°
；右上l形杆1、左下l形杆3、左上l形杆4和右下l形杆2的几何尺寸相同，右上l形杆1、左下l形杆3、左上l形杆4和右下l形杆2的长轴和短轴的宽与中心棱柱5正方形的边长度相等。
40.如图1至图6所示，所述的一种高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构的制作过程为：
41.步骤1：使用solidworks软件设计模具的三维模型，其中模具的三维模型建立流程为：在草图编辑中画出如图4所示的交叉手性单元平面图。然后通过阵列形式得到未切除倒角的交叉手心结构平面图，并画出边长为160mm的正方形，如图3所示使正方形的几何中心
和交叉手性结构的几何中心重合。通过拉伸凸台操作得到如图2所示的交叉手性结构立体图，切除图3正方形框外的边角，得到如图1所示的交叉手性结构。设计出160mm
×
160mm
×
20mm的长方体，然后从长方体中切除图1所示的交叉手性结构体，在剩余部分的外侧和底部加上1mm的外框，最终得到如图6中的模具模型。如图4至图5所示，所述的交叉手性单元包括右上l形支杆1、左下l形支杆3、左上l形支杆4、右下l形支杆5及中心棱柱5五个部分。所述右上l形支杆1、左下l形支杆3、左上l形支杆4、右下l形支杆2及中心棱柱5的四个侧面相连，且厚度均为20mm。从交叉手性单元的二维平面上看，所述中心棱柱的边与水平方向的夹角为45
°
，边长为10.8mm；右上l形支杆1、左下l形支杆3、左上l形支杆4、右下l形支杆2的几何尺寸相同，长轴长为18.8mm，短轴长为13.4mm，长、短轴的宽均为10.8mm。
42.步骤2：使用3d打印机打印模具，3d打印机的喷嘴直径为0.4mm，打印模具的材料为pla。
43.步骤3：按照配合比将水泥、粉煤灰、石英砂放入搅拌机中干拌1min；加入称量好的水和高效减水剂，继续搅拌2min；加入增稠剂再搅拌2min；缓慢加入pva纤维，搅拌至纤维分散均匀。本实施例中的的配合比为：水泥474kg/m3、粉煤灰712kg/m3、石英砂427kg/m3、高效减水剂4.74kg/m3、增稠剂1.19kg/m3、水356kg/m3和体积分数为2％的pva纤维。其组成成分具体为：比重为3.09的硅酸盐水泥，比重为2.19的低钙粉煤灰，比重为2.66、最大粒径为250μm和平均粒径为130μm的石英砂，长度为6mm、直径为15μm和密度为1.28g/cm3的pva纤维，其中pva纤维的抗拉强度和弹性模量分别为1.6gpa和40gpa，且纤维涂有1.2wt％的油，以此来控制纤维和基质之间的界面特性。
44.步骤4：给模具上油，以便更好地脱模。将拌合均匀的高延性水泥基复合材料浆体浇筑到模具中，然后放置在振动台上进行振捣密实，使浆体中的气泡充分逸出。
45.步骤5：浇筑完成48小时后进行脱模，然后置于然后置于标准养护室养护至28天，标准养护室室内温度为20
±
2℃，相对湿度在95％以上。
46.本实施例中，高延性水泥基复合材料的抗压强度为45.9mpa，弹性模量为21.6gpa，平均极限应变为5.7％以及平均抗拉强度为4.3mpa，这些力学性能是通过压缩试验、弹性模量试验和单轴拉伸试验所得的，试验的试件分别为50mm
×
50mm
×
50mm的立方体试件、ф100mm
×
200mm的圆柱体试件以及狗骨试件。狗骨试件的几何参数为：试件长度330mm，试件厚度13mm，测距段宽度30mm，测距段长度80mm，过渡段长度40mm，端部宽度60mm，端部长度85mm，过渡段斜率为0.375。
47.为了证明本发明的高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构具有更优异的性能，引入一种经典的负泊松比结构，即重入蜂窝结构。设计高延性水泥基复合材料制备的重入蜂窝负泊松比结构和高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构两组试件，每组试件个数为三个，进行压缩试验，观察试件破坏形态、应力-应变曲线和比能量吸收-应变曲线。其中，进行压缩试验的试件尺寸都为160mm
×
160mm
×
20mm，且制备工艺和组成材料一致。
48.结合图7～13来说明本发明的高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构的优势。
49.如图7所示，将本发明中的结构进行单轴拉伸试验，高延性水泥基复合材料的平均极限抗拉应变为5.7％，平均抗拉强度为4.3mpa，充分体现了该材料高延性和细密裂缝破坏
特征的优势。
50.如图8至图9所示，将本发明中的结构和重入蜂窝结构进行压缩试验，当应变为1％时，裂缝在连接不同层交叉手性单元支杆的薄弱节点处开始出现和扩展。当应变增加到5％时，pva纤维开始脱粘并逐渐被拉出，然后随着应变增加，顶层交叉手性单元和中间层交叉手性单元之间的支杆断裂。当应变增加到11％时，中间层交叉手性单元和底层交叉手性单元之间的支杆断裂。随着应变继续增加，裂缝继续在连接不同层交叉手性单元的支杆和连接同一层交叉手性单元的支杆处扩展，破坏的交叉手性单元逐渐接触并致密化，当应变进一步上升到22.5％时，整个结构被破坏。在压缩过程中交叉手性结构呈现出明显的负泊松比效应，而重入蜂窝结构由于结构单元的迅速破坏导致不能呈现负泊松比效应。这是因为交叉手性结构独特的弯曲和旋转机制，在压缩荷载作用下表现出明显的负泊松比效应，从而提高了结构的延性。
51.如图10和图11所示，由于交叉手性结构特殊的变形机制，使得其抗压强度明显提高。高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构的抗压强度为1.4mpa，是重入蜂窝结构的2.33倍。此外，从图10和图11的对比中也可看出交叉手性结构的延性高于重入蜂窝结构。
52.如图12所示，将本发明中的结构和重入蜂窝结构进行压缩试验，吸能特性可以通过比能量吸收来表示，即耗散能除以结构质量。高延性水泥基复合材料制备的负泊松比结构的吸能特性主要归因于裂缝的发展和纤维的拔出，结构的负泊松比效应也一定程度上改善了该结构的吸能特性。交叉手性结构在达到极限应变时的比能量吸收值为25kj/kg，是重入蜂窝结构的2.78倍，进而说明高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构具有更强的能量吸收能力。
53.如图13所示，将本发明中的结构和重入蜂窝结构进行压缩试验，随着压缩试验的进行，两种结构均表现出负泊松比效应，且结构的负泊松比效应随应变增加而逐渐减弱。其中，交叉手性结构表现出比重入蜂窝结构更明显的负泊松比效应，这是由于交叉手性结构独特的旋转和变形机制，使得高延性水泥基复合材料中的pva纤维更有利于被拉出，从而产生了比重入蜂窝结构更大的横向收缩变形。
54.除此之外，在以往的试验研究中，尽管金属制成的交叉手性结构表现出更加优异的性能，但因其制作成本较高，不利于工程的大规模应用。而橡胶类数字材料制成的交叉手性结构在压缩试验中呈现出相当均匀的变形，其中结构单元在变形过程中无明显的变化，使得交叉手性结构没有呈现出较好的负泊松比效应，因此橡胶类数字材料制成的交叉手性结构的抗压强度远低于高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构的抗压强度。
55.由以上分析，不难发现本发明的高延性水泥基复合材料制备的交叉手性负泊松比结构具有更优异的性能。