具有高剛度和阻尼的約束微層多孔材料的制作方法
【專利說明】具有高剛度和阻尼的約束微層多孔材料
[0001]相關(guān)專利的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月12日提交的發(fā)明名稱為“具有高剛度和阻尼的約束微層多孔材料”的臨時專利申請N0.61/778，253以及2013年5月14日提交的發(fā)明名稱為“具有高剛度和阻尼的約束微層多孔材料”的美國專利申請N0.13/894，295的權(quán)益，二者的全部內(nèi)容以引用方式并入本文。本申請以引用方式將美國專利7，653，279( “279專利”)和美國專利7，382,959( “959專利”)全文并入本文，如同以全文進行闡述。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及吸能材料，更特別地涉及會呈現(xiàn)顯著機械阻尼的低密度復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0004]阻尼材料，即變形時重復(fù)耗散能量的材料，被用于許多應(yīng)用中。例如，其可用來減振，如用在飛行器機身中；用來吸收噪音，如用在汽車中；或者用來緩沖沖擊。如在這些例子中所述的，理想的是阻尼材料提供顯著的阻尼而無須向被使用的結(jié)構(gòu)中添加更多不必要的物質(zhì)。由于阻尼效率取決于阻尼系數(shù)和模量的乘積，所以具有高剛度的材料是理想的。因此，需要一種具有高剛度的輕質(zhì)材料，且在變形時該材料會重復(fù)吸收機械能。
[0005]發(fā)曰月概沐
[0006]本發(fā)明的實施方案提供具有高阻尼和高剛度的、密度相對較低的復(fù)合材料。這些材料包含具有互聯(lián)紐帶的三維結(jié)構(gòu)，其中紐帶具有由剛性約束層與柔性阻尼層相互交替的多重同心層，以至于該結(jié)構(gòu)的大部分變形會導(dǎo)致高的局部剪應(yīng)變以及相應(yīng)的高阻尼。
[0007]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種包含多個紐帶的三維開孔多孔結(jié)構(gòu)；所述多個紐帶中的每一個都包含多個層；所述多個層中的第一層包含第一物質(zhì)；所述第一層直接設(shè)置于包含第二物質(zhì)的多個層中的第二層與包含第三物質(zhì)的多個層中的第三層之間，所述第一物質(zhì)的剪切模量低于所述第二物質(zhì)的楊氏模量的十分之一，并且低于所述第三物質(zhì)的楊氏模量的十分之一。
[0008]在一個實施方案中，所述紐帶為空心管。
[0009]在一個實施方案中，所述多個紐帶中一個紐帶的外徑大于所述第二層的厚度的超過20倍。
[0010]在一個實施方案中，所述多個紐帶中的一個紐帶包括作為實心核(solid core)的第三層，該實心核的直徑小于所述第二層的厚度。
[0011]在一個實施方案中，所述紐帶包含實心核；所述實心核包含剪切模量低于所述第二物質(zhì)的楊氏模量的十分之一的物質(zhì)。
[0012]在一個實施方案中，所述第二物質(zhì)與所述第三物質(zhì)是相同的物質(zhì)。
[0013]在一個實施方案中，所述第一物質(zhì)的阻尼系數(shù)tan(S)超過0.1。
[0014]在一個實施方案中，所述紐帶基本上是直的。
[0015]在一個實施方案中，所述第一層的厚度與所述第二層的厚度之比介于0.02和2之間。
[0016]在一個實施方案中，所述多個紐帶中的一個紐帶與所述多個紐帶中的另一個紐帶之間的距離小于3厘米。
[0017]在一個實施方案中，所述結(jié)構(gòu)包含1000個紐帶，其中所述紐帶的總體積與所述結(jié)構(gòu)的總體積之比小于0.3。
[0018]在一個實施方案中，所述紐帶包含多個具有三維級(three-dimens1nal order)的互聯(lián)紐帶。
[0019]在一個實施方案中，所述紐帶被構(gòu)造為開孔泡沫結(jié)構(gòu)。
[0020]在一個實施方案中，所述紐帶被構(gòu)造為蜂窩結(jié)構(gòu)。
[0021]在一個實施方案中，所述第三物質(zhì)包括選自下組的物質(zhì)為主要成分:由鎂、鋁、鈦、釩、鉻、鐵、鈷、鎳、銅、鋅、鋯、鈮、鉬、鉭、鎢及其合金組成的第一亞組；由氧化鋁、硅、二氧化硅、碳化硅、氮化硅、金剛石、類金剛石碳、氧化鉿、氧化鑭、二氧化鈦、氮化鈦、氮化鎢、氧化鋅、二氧化鋯、碳化鉿、碳化鑭、碳化鎢、碳化鋯、碳化鉭及其組合組成的第二亞組，以及選自第一亞組和第二亞組的物質(zhì)的組合。
[0022]在一個實施方案中，所述第一物質(zhì)包括選自下組的物質(zhì)作為主要成分:聚合物、熱塑性塑料、彈性體、橡膠、軟金屬、瀝青材料、碳納米管陣列及其組合。
[0023]在一個實施方案中，所述第一物質(zhì)包括選自下組的聚合物作為主要成分:彈性體、熱塑性塑料、硅酮、聚氨酯橡膠、丙烯酸樹脂、聚異戊二烯、聚烯烴、聚對二甲苯(poly (p-xylylenes))、官能化的聚對二甲苯、聚(氧亞甲基)、聚(3，4_乙稀基二氧噻吩)、官能化的聚丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、聚(吡咯共噻吩-3-乙酸)、聚(對亞苯基對苯二甲酰胺)(poly (p-phenylene terephthalamides))、聚(異戊二稀)、聚(丁二稀)、聚(苯乙稀共丁二烯)、聚(降冰片烯)、聚(乙烯丙烯)、聚(乙烯共丙烯共二烯)(EPDM)、聚烯烴、丁基橡膠、氯丁二烯橡膠、聚硫橡膠、氯磺酰化聚乙烯、丁腈橡膠(丙烯腈共丁二烯)、氫化丁腈橡膠、聚(氯乙烯共腈)、聚(醚醚氨基甲酸酯)、聚(酯氨基甲酸酯)、表氯醇共聚物、聚(表氯醇)、聚(氧化丙烯)、乙烯醋酸乙烯酯、硅橡膠、聚磷腈、乙烯丙烯酸高彈體、聚(乙烯共甲基丙烯酸酯)及其組合。
[0024]在一個實施方案中，所述第一物質(zhì)包括選自下組的軟金屬作為主要成分:銦、錫、
鉛及其合金。
[0025]在一個實施方案中，構(gòu)造所述紐帶以使所述結(jié)構(gòu)均勻壓縮造成該結(jié)構(gòu)中某一點處的局部應(yīng)變超過由大于5的因素所致的均勻壓縮程度。
[0026]在一個實施方案中，構(gòu)造所述紐帶以使所述結(jié)構(gòu)均勻壓縮造成該結(jié)構(gòu)中某一點處的局部剪應(yīng)變超過由大于5的因素所致的均勻壓縮程度。
[0027]在一個實施方案中，所述多個層包括包含第四物質(zhì)的第四層；和包含第五物質(zhì)的第五層，所述第四層直接介于所述第五層和所述第二層之間；所述第四物質(zhì)的剪切模量少于所述第二物質(zhì)的楊氏模量的十分之一，并且少于所述第五物質(zhì)的楊氏模量的十分之一。
[0028]在一個實施方案中，所述第一物質(zhì)的剪切模量隨溫度變化而變化，所述第四物質(zhì)的剪切模量隨溫度的變化而變化，并且在第一個溫度范圍內(nèi)變化，所述第一物質(zhì)的剪切模量少于所述第二物質(zhì)的楊氏模量的十分之一，且少于所述第三物質(zhì)的楊氏模量的十分之一，并且在第二溫度范圍內(nèi)變化，所述第四物質(zhì)的剪切模量少于所述第二物質(zhì)的楊氏模量的十分之一，并且少于所述第五物質(zhì)的楊氏模量的十分之一，所述第一溫度范圍與所述第二溫度范圍不同。
[0029]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種三維開孔多孔結(jié)構(gòu)，其包括:多個紐帶，每個紐帶包括第一層和第二層，兩層之間由間隙分開。
[0030]在一個實施方案中，限定所述間隙的所述第一層的表面均方根粗糙度大于0.5微米。
[0031]在一個實施方案中，所述間隙是空的。
[0032]在一個實施方案中，所述間隙包含離散的顆粒。
[0033]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種三維開孔多孔結(jié)構(gòu)，其被構(gòu)造來通過所述結(jié)構(gòu)容納流體冷卻劑。
[0034]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，提供了一種形成中空開孔的多孔結(jié)構(gòu)的方法，所述方法包括:形成三維模板；在所述三維模板上形成具有第一物質(zhì)的第一涂層；在所述第一涂層上形成具有第二物質(zhì)的第二涂層；在所述第二涂層上形成具有第三物質(zhì)的第三涂層；以及移除所述三維模板，所述第二物質(zhì)不同于所述第一物質(zhì)，且所述第二物質(zhì)不同于所述第三物質(zhì)。
[0035]在一個實施方案中，所述第一物質(zhì)與所述第三物質(zhì)相同。
[0036]在一個實施方案中，所述形成三維模板包含形成微桁架模板。
[0037]在一個實施方案中，所述形成微桁架模板包括:通過帶圖案的罩子將光單體暴露于平行光下。
[0038]在一個實施方案中，所述形成微桁架模板包括:形成由多個第一自動傳輸?shù)木酆衔锊▽?dǎo)管限定多個第一桁架單元，并沿第一方向延伸；形成由多個第二自動傳輸?shù)木酆衔锊▽?dǎo)管限定的多個第二桁架單元，并沿第二方向延伸；以及形成由多個第三自動傳輸?shù)木酆衔锊▽?dǎo)管限定的多個第三桁架單元，并沿第三方向延伸。<