[发明专利]一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构及其材料

说明书

本发明提供一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，包括两根斜杆、一根横杆和底部复合杆，底部复合杆包括一根长杆和两根短杆，两根短杆位于长杆的上方并且与长杆相互平行并共面，两根短杆的外端分别与长杆的一端连接，两根短杆的内端分别与两根斜杆的底端连接，两根斜杆的上端分别与横杆的一端连接，横杆、两根斜杆和两根短杆内端之间的连线构成等腰梯形结构，横杆和短杆使用热膨胀系数较大的材料，两根斜杆和长杆使用热膨胀系数较小的材料。本发明具有利用任意两种热膨胀系数不同的材料，实现点阵结构的热膨胀系数为负，由于使用两种热膨胀系数差异不大的材料，有效减小了两种材料的连接处热失配和热应力集中，增加了结构的可靠性和使用寿命。

技术领域

本发明属于负热膨胀点阵结构技术领域，尤其涉及一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构及具有该结构的材料。

背景技术

热膨胀系数是材料热物理性能的重要参数，它表征当材料温度变化时，几何尺寸发生变化。绝大多数材料表现出“热胀冷缩”的正热膨胀效应，但是在精密仪器工程领域，温度变化引起的热变形会破坏精密结构原有精度。零\负热膨胀系数材料，在一定温度范围内，可以通过设计点阵结构参数，调节其等效热膨胀系数，使其热膨胀系数满足工程实际需求。因此，其在精密仪器、电子、土木、航空航天等工程领域具有极高的应用价值。

当前的零\负热膨胀点阵材料大多数是由几种不同热膨胀系数的材料复合而成，《科学通报》2017年62卷第1期中刊发了作者为韦凯，裴永茂的《轻质复合材料及结构热膨胀调控设计研究进展》，其中主要介绍了双材料弯曲梁构成的点阵结构和两种不同热膨胀系数材料连接而成的三角形点阵复合结构。但是，双材料弯曲梁构成的点阵结构要求双材料梁不同材料之间的界面完美结合，在实际制备中较难实现；而双材料三角形点阵复合结构竖直方向的等效热膨胀系数主要取决于所构成三角形点阵的两种材料的热膨胀系数的比值和三角形点阵斜边与底边的比值，构成三角形点阵的两种材料的热膨胀系数差异越大，其竖直方向的等效热膨胀系数调控范围越大。为实现较大的负热膨胀，就要求构成三角形点阵的两种材料的热膨胀系数差异很大(其热膨胀系数的比值达到数倍，甚至更大)。但是，这将会导致两种材料的连接处热失配和热应力集中，容易引起整体结构的疲劳失效，进而影响结构的可靠性和使用寿命。

发明内容

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种不需要两种热膨胀系数差异很大的材料，即可解决两种材料的连接处热失配和热应力集中问题，并且具有负热膨胀性质的双材料点阵结构及具有该结构的材料。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有负热膨胀性质的双材料点阵结构，其特征在于：包括两根斜杆、一根横杆和底部复合杆，所述底部复合杆包括一根长杆和两根短杆，两根短杆位于长杆的上方并且与长杆相互平行并共面，两根短杆的外端分别与长杆的一端连接，两根短杆的内端分别与两根斜杆的底端连接，两根斜杆的上端分别与横杆的一端连接，所述横杆、两根斜杆和所述底部复合杆中的两根短杆内端之间的连线构成等腰梯形结构，所述横杆和底部复合杆中的短杆使用热膨胀系数为α₁的材料1，所述长杆和两根斜杆使用热膨胀系数为α₂的材料2，且α₁＞α₂＞0。

作为本发明的进一步改进：

该点阵结构等腰梯形高度方向的热膨胀系数为：

当时，等腰梯形高度方向的热膨胀系数为负，

其中，α_y为等腰梯形高度方向的热膨胀系数，a为斜杆的长度，2b为横杆的长度，2L为长杆的长度，2r为两个短杆内端之间连线的长度。

进一步地，所述底部复合杆包括两根长杆和两根短杆，两根短杆位于两根平行的长杆之间，所述底部复合杆所在平面与等腰梯形结构所在的平面垂直。