一种具有负热膨胀特性的保险装置及其设计方法

技术领域

本发明属于机械以及新材料技术领域，涉及到一种具有负热膨胀特性的保险装置及其设计方法。

背景技术

在工程应用中，温度变化会引起尺寸变化，所以必须考虑材料和结构的膨胀与收缩。大多数材料的应用环境将经历一系列的工作温度，无论是技术还是基础研究领域都会关注由温度变化引起的结构的热膨胀。热膨胀系数是一个重要的物理量，用来测量温度对材料尺寸的改变程度。负热膨胀材料与传统的材料具有相反的特性，在一定的温度升高范围内呈现收缩的热弹性能。早在1996年，Lakes等人，就设计了多种双材料金属条结构，通过金属条受热后产生的弯曲变形来抵消沿金属条方向的伸长变形。2007年，Evans课题组设计了一种三角形铰接的结构，每根杆件采用单一的正热膨胀材料构成。其中横向杆件的伸长，会导致单元纵向方向的高度降低。

随着近几年热学超材料领域的飞速发展，越来越多具有特定性能的负热膨胀结构被设计出来，例如：可调控热膨胀结构、热膨胀和泊松比可同时调控的二维超材料设计等。本文中所述的负热膨胀效应的保险装置的设计方法，就是基于上述的三角形结构，通过控制单个三角形胞元斜边与底边之比来控制整个结构的负热膨胀性能。

发明内容

本发明是针对现有保险装置的不足，提出一种具有负热膨胀效应的保险装置及其设计方法，根据电子元器件或者机器工作时需要防控的温度，设计出满足要求的结构并且可以利用3D打印技术制备，能够在达到所需防控的温度之前，断开电路，防止机器设备被高温破坏。

本发明采用的技术方案为：一种具有负热膨胀特性的保险装置，包括负热膨胀结构及其外面设置的外部圆管；

所述负热膨胀结构由负热膨胀平面结构卷曲形成圆管状，并且在负热膨胀结构上斜杆连接的位置设置有卡扣，所述负热膨胀平面结构由多个负热膨胀胞元在平面上进行空间平移并相互连接得到，所述负热膨胀胞元由两个相同的微结构共用一条底边相对连接而成，所述微结构为由一个底边和两个斜边构成的等腰三角形；

所述外部圆管的管壁设置有卡槽，在电子元器件或者机器正常工作时所述负热膨胀结构的卡扣设在卡槽内；

所述的底边和斜边分别选取两种不同的金属材料，热膨胀系数分别记为α

作为优选，所述微结构的斜边长度L

作为优选，所述的负热膨胀结构的壁厚T

作为优选，所述外部圆管的内半径R

所述的一种具有负热膨胀效应的保险装置的设计方法，包括以下步骤：

1)选取两种不同金属材料，分别作为底边材料和斜边材料，其热膨胀系数分别为α

2)根据具体电子元器件或者机器内部的空间大小设计保险装置的几何尺寸，包括微结构的斜边长度L

3)采用有限元方法对所设计模型进行数值计算，计算温度载荷引起的卡扣与外部圆管内壁间的直线距离以及径向方向的等效热膨胀系数；

4)根据有限元计算结果，判断设计方案是否满足要求，若不满足，则对方案中底边和斜边的长度之比进行精细调整，得到满足要求的具有负热膨胀效应的保险装置；

5)将上述保险装置应用在电子元器件或者其它大型机械易受高温破坏的位置，当温度提高到其无法承受的范围时，负热膨胀结构会向内收缩，卡扣会从卡槽中滑出，负热膨胀结构就会在外力比如重力的作用下脱落，电子元器件或者机器会因为缺少部件从而停止工作，防止温度继续提高。

作为优选，所述步骤4)中斜边和底边的长度之比进行精细调整的方法为：如果计算的径向方向的负热膨胀现象不明显或者卡扣向内收缩的位移偏小，则减小斜边和底边的长度之比。

本发明的有益效果：本发明方法选用两种热膨胀系数不同的金属材料，通过力学和对称性设计，实现了圆管结构在径向上表现出负热膨胀的特性。传统的保险装置一般为保险丝，采用保险丝熔断的方式断开电路，保护机械设备。这种方式可防控的温度范围以及可应用的领域都比较狭窄。本设计方法可以根据具体机械设备的大小设计结构的尺寸，根据所需防控的温度调整斜边和底边的几何参数，并且可以用3D打印技术制备，简化了制作工艺。

附图说明

图1为本发明微结构示意图；

图2为本发明负热膨胀胞元示意图；

图3为本发明负热膨胀平面结构示意图；

图4为本发明负热膨胀结构示意图；

图5为本发明外部圆管示意图；

图6为本发明具有负热膨胀特性的保险装置示意图；

图7为本发明具有负热膨胀特性的保险装置的俯视图；

图8为本发明微结构

图9为本发明负热膨胀结构尺寸示意图一；

图10为本发明负热膨胀结构尺寸示意图二；

图11为本发明外部圆管尺寸示意图一；

图12为本发明外部圆管尺寸示意图二。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明做进一步描述：

如图1-12所示，一种具有负热膨胀特性的保险装置，包括负热膨胀结构4及其外面设置的外部圆管6；

所述负热膨胀结构4由负热膨胀平面结构3卷曲形成圆管状，并且在负热膨胀结构4上斜杆连接的位置设置有卡扣5，所述负热膨胀平面结构3由多个负热膨胀胞元2在平面上进行空间平移并相互连接得到，所述负热膨胀胞元2由两个相同的微结构1共用一条底边相对连接而成，所述微结构1为由一个底边和两个斜边构成的等腰三角形；

所述外部圆管6的管壁设置有卡槽，在电子元器件或者机器正常工作时所述负热膨胀结构4的卡扣5设在卡槽内；

所述的底边和斜边分别选取两种不同的金属材料，热膨胀系数分别记为α

所述微结构1的斜边长度L

所述的一种具有负热膨胀效应的保险装置的设计方法，包括以下步骤：

1)选取两种不同金属材料，分别作为底边材料和斜边材料，其热膨胀系数分别为α

2)根据具体电子元器件或者机器内部的空间大小设计保险装置的几何尺寸，包括微结构的斜边长度L

3)采用有限元方法对所设计模型进行数值计算，计算温度载荷引起的卡扣与外部圆管内壁间的直线距离以及径向方向的等效热膨胀系数；

4)根据有限元计算结果，判断设计方案是否满足要求，若不满足，则对方案中底边和斜边的长度之比进行精细调整，得到满足要求的具有负热膨胀效应的保险装置；方法为：如果计算的径向方向的负热膨胀现象不明显或者卡扣向内收缩的位移偏小，则减小斜边和底边的长度之比；

5)将上述保险装置应用在电子元器件或者其它大型机械易受高温破坏的位置，当温度提高到其无法承受的范围时，负热膨胀结构会向内收缩，卡扣会从卡槽中滑出，负热膨胀结构就会在外力比如重力的作用下脱落，电子元器件或者机器会因为缺少部件从而停止工作，防止温度继续提高。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本事例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。