[发明专利]一种具有负泊松比效应的手机壳及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比效应的手机壳及其设计方法，包括具有负泊松比设计的手机壳背板和手机壳角部，以及具有匹配设计的手机壳侧身；所述手机壳背板和手机壳角部为具有周期性横竖交替的孔洞的空隙结构；每个细长的空隙结构有长轴和短轴，一个细长的孔洞的中轴线轴垂直于另一个细长的孔洞的中轴线，每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成空隙结构，此空隙结构便为具有负泊松比效应的空隙结构。本发明设计出的手机壳具有较大的负泊松比效应且能同时在轴向拉伸、压缩和弯曲下表现出负泊松比效应，其在保护手机方面相交于传统的手机壳具有更好的抗冲击性，变形和散热性等特点，更好地适应实际应用的需求。

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比穿孔结构来设计具有负泊松比效应的手机壳，并提出了负泊松比手机壳的设计方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

智能手机作为科技集成度较高的设备，已经成为人们生活中不可或缺的部分，这就对手机的保护提出了巨大的挑战。当手机受到撞击时对电路板的损伤特别大，但现有的手机壳塑料结构强度低，在手机摔落或者受到冲击时容易发生折弯现象，且本身耐热性、耐老化性较差，较高温度下压力折减，承压能力低，对手机的保护作用满足不了需求。负泊松比防护部件是将负泊松比材料应用于实际的一条思路，根据负泊松比拉胀压缩的特性进行负泊松比手机防护部件的设计制造。

负泊松材料在过去多年的研究中里吸引了越来越多研究者们的兴趣。导致固体负泊松比行为的机制有多种，其中之一是旋转刚性单元机制，一直是深入研究的课题。该机制作用于各种长度尺度:从纳米尺度到宏观尺度，在负泊松比材料的工程中应用相对容易。也就是说，可以以各种(周期)方式切割一定形状的孔洞，得到连接在狭窄区域内的刚性单元，这些区域模仿铰链，允许刚性单元旋转。椭圆空洞是Bertoldi和他的同事在论文中首次提出的。一旦周期性地切割孔洞，孔洞就可以填充不同力学性能的材料。这就引出了由负泊松比材或传统材料组成的周期性复合材料的概念。近年来，越来越多的研究者投身到负泊松比相关产品的设计和研发中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，将结构优化和3D打印技术相结合，设计和制造了具实用性的负泊松比手机壳，并提出了具体设计方法，设计的手机壳具有比传统手机壳更好的抗冲击性，变形性和散热性。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的手机壳，包括具有负泊松比设计的手机壳背板和手机壳角部，以及具有匹配设计的手机壳侧身；

所述手机壳背板和手机壳角部为具有周期性横竖交替的孔洞的空隙结构；

所述空隙结构包括若干孔洞，一个孔洞的中轴线轴垂直于相邻另一个孔洞的中轴线，孔洞被安排在一个数组的行和列，每一行和每一列的交替之间为两个相互垂直的孔洞，即每个孔洞的轴线与相邻孔洞结构正交，行和列的孔洞周期性排列行成空隙结构，此空隙结构便为具有负泊松比效应的空隙结构；

所述手机壳的厚度d满足：1mm<d<2.5mm；

所述手机壳的厚度d和手机壳角部的圆弧半径r的关系满足：0.1>d/r＞0.3；

所述手机壳的宽度L₁与手机壳的厚度d的关系满足：0.015<d/L₁<0.045；

所述手机壳的长度L₂与手机壳的厚度d的关系满足：0.007<d/L₂<0.022；

所述手机壳角部弯曲部分与手机壳中轴线的夹角θ满足：65°<θ<105°。

作为优选，所述孔洞包括椭圆形、三角形和多边形。

上述一种具有负泊松比效应的手机壳的设计方法，包括以下步骤：