[发明专利]一种具有负泊松比效应的鞋及其设计方法

说明书

本发明公开了一种具有负泊松比效应的鞋及其设计方法，其技术的关键在于鞋底、鞋垫的负泊松比微结构设计和材料选择。根据负泊松比材料良好的能量吸收、回弹韧性和抗凹陷性等特点，使负泊松比鞋垫和鞋底穿戴更加轻盈舒适。简要设计步骤为：首先，确定使用者的脚部尺寸、受力条件和使用需求；然后，设计具有负泊松比效应的周期性微结构，利用3d建模软件绘制鞋底和鞋垫的模型；最后，选择基础材料进行3D打印。本发明制作的鞋可以根据使用者尺寸和需求进行设计，具有轻盈透气、减震和特殊工况使用等优异性能。

技术领域

本发明涉及一种通过设计具有负泊松比效应的微结构，提出了具有负泊松比效应的鞋的设计和制备方法，属于新材料和新结构领域。

背景技术

负泊松比材料在变形过程中常常表现出反直觉的变形行为，在单轴压力(拉力)下，传统材料在垂直于荷载方向上发生膨胀(收缩)，而负泊松比材料却沿横向收缩(膨胀)。负泊松比微结构多种多样，如：内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料相关结构等。其中负泊松比旋转多边形结构产生负泊松比效应的原理是，系统受力后刚性多边形绕顶点旋转展开(回缩)，整体结构膨胀(收缩)。

Lakes在Science首次报道了人造负泊松比材料，通过将聚氨酯泡沫放入铝制模具中，并对其进行压缩、加热、冷却和松弛处理获得了具有特殊内凹结构的负泊松比聚氨酯泡沫。此后，人造负泊松比材料大量涌现，负泊松比材料和结构迅速发展。3D打印是一种直接数字化制造，由三维实体直接制造出实体。3D打印制造的是完全定制的、个性的独特产品，可以做到仅此一件。传统的负泊松比材料的制作方法不能实用化，负泊松比效应不能按预期展现于产品中。运用3D打印技术可以很好弥补传统制作方法的缺陷，扩展负泊松比材料的实际运用。

采用负泊松比多孔材料制作缓冲和保护装置，如鞋垫和鞋底，具有比传统材料更轻薄和吸能效果更好的特点，在起到保护作用的同时还可以提供使用者更好的舒适性。鞋子的使用用途多种多样包含：跑步、休闲、足训、防水、耐化学腐蚀等。3D打印技术的发展至今，打印机型层出不穷，根据工艺成型不同材料多种多样。目前，3D打印可作为鞋子和鞋垫基础材料的如：乙烯乙酸共聚物(EVA)、橡胶(RB)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚氯乙烯(PVC)、丙烯氰-丁二烯-苯乙烯(ABS)、聚丙烯(PP)、聚氨酯等(PU)。根据鞋子和鞋垫实际用途，采用不同的工艺和基础材料，满足了定制化需求。

本发明将负泊松比结构和3D打印制造工艺相结合，设计和制作具有负泊松比效应的鞋底和鞋垫，根据使用者的脚部形状和受力特性可以定制化设计，并进行3D打印，能在冲击荷载和拉伸应变下均表现出负泊松比特性，具有较好的抗震和耐磨等特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，将负泊松比微结构设计和3D打印技术相结合，设计和制造了具由负泊松比效应的鞋，并提出了具体设计方法，负泊松比鞋具有较传统更好的抗震、透气和防滑等特性。

本发明采用的技术方案为：一种具有负泊松比效应的鞋，包括鞋底和鞋垫，所述鞋底和鞋垫为具有负泊松比效应的有限元分析设计的周期性微结构；

所述鞋底和鞋垫周期性微结构包含：内凹结构、旋转多边形结构、手性结构、片状褶皱结构、穿孔板结构和纺织材料结构；

所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构基于旋转机制，初始立方体单元由一个实心球体和六个立方体组成，优化连接曲面作为建筑单元；

所述鞋底和鞋垫旋转多边形结构建筑单元的立方体边缘直径长度比率R满足：

作为优选，所述立方体边缘直径长度比率R为1.248。