Усовершенствования в композиционных материалах и структурах, а также усовершенствования, имеющие отношение к композиционным материалам и структурам - RU2338820C2
Код документа: RU2338820C2
Чертежи
Описание
Данное изобретение относится к усовершенствованиям в композиционных материалах и стуктурах и усовершенствованиям, связанным с композиционными материалами и структурами, в частности, имеющими ауксетичные свойства (то есть отрицательный или эффективно отрицательный коэффициент Пуассона), способам изготовления ауксетичных композиционных материалов и применению ауксетичных композиционных материалов.
В отличие от большинства обычных материалов ауксетичные материалы расширяются перпендикулярно оси, вдоль которой они растягиваются. Это придает таким материалам целый ряд полезных свойств. Существующие ауксетичные материалы и способы их изготовления, например, описанные в документе WO 00/53830, имеют значительные проблемы при изготовлении ауксетичных материалов надежным способом, и/или в масштабе, пригодном для промышленного производства. Кроме того, такие известные материалы образуются из одного материала и таким образом в результате имеют ограниченные свойства. Целью настоящего изобретения является устранение недостатков, присущих известным материалам и технологии их производства.
Одной из целей настоящего изобретения является создание улучшенных ауксетичных композиционных материалов, способов производства ауксетичных композиционных материалов и применение ауксетичных композиционных материалов. Способы производства предусматривают пригодность к использованию в промышленных масштабах или производству в широком диапазоне масштабов. Одной из целей настоящего изобретения является создание ауксетичных композиционных материалов и способов изготовления таких материалов, которые обладают стабильной структурой и свойствами, а также будут иметь расширенный диапазон свойств материала и областей применения.
В соответствии с первым аспектом настоящего изобретения предусмотрен компонент композиционного материала, имеющий отрицательный эффективный коэффициент Пуассона; этот компонент композиционного материала содержит первый компонент и второй компонент, упомянутые первый компонент и второй компонент простираются вдоль оси, причем первый компонент навит вокруг второго компонента в виде одного или более витков, эти один или более витков разнесены в продольном направлении относительно упомянутой оси, а изменение растягивающей нагрузки на первый компонент вызывает изменение радиального положения второго компонента относительно этой оси.
В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения предусмотрен компонент композиционного материала, имеющий отрицательный эффективный коэффициент Пуассона; этот компонент композиционного материала содержит первый компонент и второй компонент, упомянутые первый компонент и второй компонент простираются вдоль оси, причем первый компонент навит вокруг второго компонента в виде одного или более витков, первый компонент имеет более высокий модуль упругости, чем второй компонент, а изменение растягивающей или сжимающей нагрузки на первый компонент вызывает изменение радиального положения второго компонента относительно этой оси.
В соответствии с третим аспектом настоящего изобретения предусмотрен компонент композиционного материала, имеющий отрицательный эффективный коэффициент Пуассона; этот компонент композиционного материала содержит первый компонент и второй компонент, упомянутые первый компонент и второй компонент простираются вдоль оси, причем первый компонент навит вокруг второго компонента по спирали, а изменение растягивающей или сжимающей нагрузки на первый компонент вызывает последующие изменения диаметра спирали первого компонента, изменение диаметра спирали первого компонента приводит к тому, что второй компонент приобретает форму спирали, и/или вызывает изменение диаметра спирали второго компонента, а диаметр спирали второго компонента возрастает при уменьшении диаметра спирали первого компонента, тогда как диаметр спирали второго компонента уменьшается при увеличении диаметра спирали первого компонента.
Первый и/или второй, и/или третий аспекты изобретения могут содержать любые из характеристик, вариантов или возможностей, указанных где бы то ни было в этом описании и, в частности, среди нижеследующего.
Компонент композиционного материала и/или структура, изготовленная из него, может иметь любую отрицательную величину коэффициента Пуассона. Такая система может иметь коэффициент Пуассона между 0 и -5. В частности, может быть предусмотрен коэффициент Пуассона между -3 и -4.
Первый компонент может быть волокном, прутком или пустотелой трубкой, в частности, из материала со сравнительно высоким модулем. Первый компонент может быть выполнен из углеродного волокна, стекловолокна, полиарамидов (например, Кевлар™), полиамидов (например, нейлона), полиэфиров, полиалкиленов, полиэтилентерефталата (ПЭТ), металлической проволоки, хлопка или других материалов. Материалы, из которых выполнен первый компонент, могут быть натуральными или искусственными, неорганическими или органическими. Первый компонент может быть запаян отвержденной пленкой, например отвержденной силоксановой пленкой. В случае если первый компонент представляет собой пустотелую трубку, эта трубка может содержать дополнительные материалы.
Второй компонент может быть волокном, прутком или пустотелой трубкой, в частности, из средне- или низкомодульного материала. Этот материал предпочтительно должен быть способен к деформации без разрушений. Второй компонент может быть выполнен из силоксана, жидкого силиконового каучука, натурального каучука, нитрилового каучука или любого другого эластомерного материала, как натурального, так и искусственного. В случае если второй компонент представляет собой пустотелую трубку, эта трубка может содержать дополнительные материалы. Эти дополнительные материалы могут быть, а могут и не быть ауксетичными. Дополнительные материалы могут иметь свойства, отличающиеся от свойств материала самой трубки.
Предпочтительно первый компонент имеет более высокий модуль, чем второй компонент. Первый компонент может иметь диаметр в диапазоне от 0,01 до 1 диаметра второго компонента. Первый компонент может иметь площадь поперечного сечения в диапазоне от 0,001 до 1 площади поперечного сечения второго компонента.
Первый компонент и/или второй компонент могут быть сформированы из сплошного материала.
Предпочтительно первый компонент и/или второй компонент являются удлиненными. Первый компонент и/или второй компонент могут иметь длину по меньшей мере в сто раз больше своего максимального размера или протяженности в поперечном сечении.
Ось может находиться в центре компонента композиционного материала, состоящего из первого компонента и второго компонента. Эта ось может проходить между двумя или более компонентами. Эта ось может проходить через центральный компонент, в частности в центре этого центрального компонента, вокруг которого расположены один или более первых компонентов и/или вторых компонентов.
Обертка первого компонента вокруг второго компонента может быть предусмотрена в форме покрытия или обмотки. Обертка первого компонента вокруг второго компонента может быть в форме спирали или змеевика. Спираль или змеевик могут иметь постоянный угол наклона по длине второго компонента. Этот угол наклона может составлять от нуля градусов до девяноста градусов относительно оси.
Второй компонент может быть прямолинейным, а первый компонент навит вокруг него. Второй компонент может быть также навит вокруг первого компонента. Второй компонент может быть выполнен в форме спирали или змеевика. Угол наклона спирали или змеевика первого компонента может быть таким же, как угол наклона спирали или змеевика второго компонента.
Изменение растягивающей или сжимающей нагрузки на первый компонент может представлять собой изменение нагрузки, приложенной вдоль или параллельно оси. Это изменение нагрузки может быть увеличением нагрузки. Это изменение нагрузки может быть также уменьшением нагрузки. На первом компоненте может иметь место изменение нагрузки путем ее возрастания от нуля до некоторой величины или же может иметь место изменение нагрузки путем ее уменьшения от некоторой первой величины до второй меньшей величины. Нагрузка может быть приложена у концов первого компонента и/или может быть приложена в промежуточном положении.
Радиальное положение второго компонента может быть измерено перпендикулярно оси. Предпочтительно изменение радиального положения представляет собой увеличение смещения по меньшей мере части второго компонента относительно оси при изменении нагрузки, причем это изменение, в частности, представляет собой ее увеличение тогда, когда нагрузка является растягивающей нагрузкой, и уменьшение тогда, когда нагрузка является сжимающей нагрузкой. Предпочтительно изменение радиального положения представляет собой уменьшение смещения по меньшей мере части второго компонента от оси при изменении нагрузки, причем это изменение, в частности, представляет собой ее уменьшение, когда нагрузка является растягивающей нагрузкой, и увеличение, когда нагрузка является сжимающей нагрузкой. Положение некоторых частей второго компонента может не влиять на увеличение смещения при изменении нагрузки.
Предпочтительно структура содержит по меньшей мере пару компонентов композиционного материала, каждый из которых содержит первый компонент и второй компонент. Пара компонентов композиционного материала может быть размещена рядом друг с другом или в контакте друг с другом. Контакт может иметь место между первыми компонентами этих компонентов композиционного материала и/или между вторыми компонентами этих компонентов композиционного материала. Два или более компонента композиционного материала могут быть размещены вокруг центрального компонента. Первый и/или второй компоненты этого компонента композиционного материала могут быть предусмотрены рядом или в контакте с центральным компонентом.
Объемная структура может быть сформирована повторением ячейки, содержащей множество компонентов композиционного материала. Центральный компонент может быть размещен между компонентами композиционного материала и/или между ячейками, образованными из множества компонентов композиционного материала. Центральный компонент может быть размещен у центра ячейки с двумя или более компонентами композиционного материала, расположенными вокруг центрального компонента. Эти компоненты композиционного материала могут быть равномерно расположены вокруг центрального компонента. Каждый компонент композиционного материала может быть расположен рядом или в контакте с другими центральными компонентами. Объемная структура может быть сформирована повторением ячейки, содержащей множество компонентов композиционного материала и множество центральных компонентов.
Объемная структура может быть образована каждым компонентом композиционного материала, расположенным рядом или в контакте с двумя или более другими компонентами композиционного материала. Плоская или имеющая вид листа объемная структура может быть образована повторением друг рядом с другом ячейки, образованной первым композиционным элементом, с дополнительным компонентом композиционного материала с любой из его сторон. Центральный компонент может быть расположен в такой структуре между компонентами композиционного материала. Предпочтительно каждая ячейка находится рядом или в контакте с двумя другими ячейками.
Объемная структура может быть образована каждым компонентом композиционного материала, находящимся рядом или в контакте с четырьмя другими компонентами композиционного материала. Объемная структура может быть сформирована из ячеек, содержащих четыре компонента композиционного материала, в частности, расположенных вокруг одинарного центрального компонента. Предпочтительно каждая ячейка находится рядом или в контакте с четырьмя или восемью другими ячейками.
Объемная структура может быть образована каждым компонентом композиционного материала, находящимся рядом или в контакте с пятью другими компонентами композиционного материала. Эта объемная структура может быть сформирована из ячеек, содержащих пять компонентов композиционного материала, в частности, расположенных вокруг единичного центрального компонента. Предпочтительно каждая ячейка размещена рядом или в контакте с пятью другими ячейками.
Объемная структура может быть сформирована каждым компонентом композиционного материала, находящимся рядом или в контакте с шестью другими компонентами композиционного материала. Эта объемная структура может быть сформирована из ячеек, содержащих шесть компонентов композиционного материала. Центральный компонент может быть размещен между этими шестью компонентами композиционного материала. Эти шесть композиционных компонентов могут быть равномерно расположены вокруг центрального компонента. Предпочтительно каждая ячейка находится рядом или в контакте с шестью другими ячейками.
Размещенные рядом компоненты композиционного материала, включая те, которые входят в состав ячеек и объемных структур, могут иметь первые компоненты, которые навиты вокруг вторых элементов в противоположных направлениях относительно друг друга.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления данного изобретения предусмотрена структура, сформированная из первого компонента композиционного материала и дополнительного компонента композиционного материала, причем этот первый компонент композиционного материала имеет первый компонент, навитый вокруг второго компонента в одном направлении, а дополнительный компонент композиционного материала имеет первый компонент, навитый вокруг второго компонента в другом направлении. Предпочтительно по меньшей мере один из этих компонентов композиционного материала навит по часовой стрелке, и по меньшей мере один из компонентов композиционного материала навит против часовой стрелки, в идеальном варианте таким образом, что два компонента композиционного материала, расположенных друг против друга, являются зеркальным отображением друг друга. Центральный компонент может быть размещен между двумя или более компонентами композиционного материала.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения предусмотрена структура, сформированная из двух или более компонентов композиционного материала, причем два или более, или даже все эти компоненты композиционного материала имеют первый компонент, навитый вокруг второго компонента с идентичной ориентацией таким образом, что они не являются зеркальными отображениями. Центральный компонент может быть размещен между двумя или более компонентами композиционного материала.
Такая структура может иметь один или более центральных компонентов, в частности центральных компонентов, расположенных между по меньшей мере двумя компонентами композиционного материала. Этот центральный компонент может быть волокном. Этот центральный компонент может быть сплошным или пустотелым. Пустотелые центральные компоненты могут содержать дополнительные материалы или же быть заполненными дополнительными материалами. Эти центральные компоненты и/или дополнительные материалы могут быть выполнены из другого ауксетичного материала. Этот первый компонент и/или этот второй компонент могут быть отделены от центрального элемента. Все три компонента могут быть отделены друг от друга. Предпочтительно, чтобы первый и второй компоненты были расположены таким образом, чтобы не перемещаться относительно друг друга. Центральный компонент может быть предусмотрен также внутри композиционной структуры таким образом, чтобы центральный компонент не перемещался относительно первого и/или второго компонентов.
Эта структура может включать в себя один или более матричных компонентов. Матричные компоненты могут содержать силоксановые пены, пенополиуретан или другие подобные материалы или могут состоять из них. Предпочтительно матричные компоненты находятся в контакте со всеми компонентами композиционного материала, или по меньшей мере с первым компонентом и/или вторым компонентом. Этот матричный компонент может быть деформирован путем изменения растягивающей или сжимающей нагрузки, приложенной к первому компоненту, и/или может оказывать сопротивление перемещению второго компонента, вызываемому изменением нагрузки. Матричный компонент может способствовать возврату второго компонента к такому радиальному положению, которое он занимал перед изменением нагрузки. Матричный компонент может увеличивать отрицательный коэффициент Пуассона или же ауксетичный эффект данной структуры и/или материала.
Предпочтительно увеличение растягивающей нагрузки или уменьшение сжимающей нагрузки вызывает приближение формы первых компонентов к прямолинейной и приобретению вторыми компонентами формы, отличной от прямолинейной. Предпочтительно уменьшение растягивающей нагрузки или увеличение сжимающей нагрузки вызывает приобретение первыми компонентами формы, отличной от прямолинейной, и приближение формы вторых компонентов к прямолинейной.
Эта структура может быть поглощающей энергию, например, пригодной для использования с целью поглощения ударов и/или звука. Эти структуры могут быть сформированы или встроены в части автомобилей, спортивный инвентарь, узлы авиационно-космической техники, литые детали, пьезоэлектрические материалы, текстильные изделия, ткани и тому подобное. В частности, эти структуры могут быть сформированы или сплетены с автомобильными бамперами, элементами внутренних частей автомобилей, шинами для автомобильной и авиационно-космической техники, трубками летных комбинезонов, бронежилетами, биоматериалами для протезирования или других медицинских целей, наполнителями, амортизирующими материалами для электронных устройств, включая портативные устройства, персональные компьютеры, аппаратуру связи, съемочные камеры и тому подобное.
Эти структуры могут также быть эффективными при использовании, относящемся к деформирующим нагрузкам, когда необходимо обеспечить восприятие нагрузок от тяжелых объектов или нагрузок на большой площади поверхности. Эти композиционные структуры могут быть сформированы или сплетены в сетки, ремни и ленты, текстильные изделия, ткани, конструкции для каркаса шин и тому подобное.
В соответствии с четвертым аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления компонента композиционного материала, имеющего отрицательный эффективный коэффициент Пуассона, включающий формирование первого компонента; формирование второго компонента; нанесение, например, путем навивки и/или прядения, и/или покрытия первого компонента вокруг второго компонента в виде одного или более витков, причем эти один или более витков разнесены в продольном направлении вдоль второго компонента.
В соответствии с пятым аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления компонента композиционного материала, имеющего отрицательный эффективный коэффициент Пуассона, включающий формирование первого компонента; формирование второго компонента; нанесение, например, путем навивки и/или прядения, и/или покрытия, первого компонента вокруг второго компонента в виде одного или более витков, причем первый компонент имеет более высокий модуль упругости, чем второй компонент.
В соответствии с шестым аспектом настоящего изобретения предусмотрен способ изготовления компонента композиционного материала, имеющего отрицательный эффективный коэффициент Пуассона; включающий формирование первого компонента; формирование второго компонента; эти первый компонент и второй компоненты простираются в продольном направлении вдоль оси; нанесение первого компонента вокруг второго компонента по спирали, например, путем навивки и/или прядения, и/или покрытия, причем изменение растягивающей или сжимающей нагрузки на первый компонент вызывает последующее изменение диаметра спирали первого компонента, а это изменение диаметра спирали первого компонента приводит к тому, что второй компонент приобретает форму спирали и/или вызывает изменение диаметра спирали второго компонента, а диаметр спирали второго компонента возрастает при уменьшении диаметра спирали первого компонента, тогда как диаметр спирали второго компонента уменьшается при увеличении диаметра спирали первого компонента.
Четвертый и/или пятый, и/или шестой аспекты настоящего изобретения могут содержать любые из признаков или возможностей, указанных где бы то ни было в этом документе и, в частности, в нижеследующем.
Первый компонент и/или второй компонент, и/или центральный компонент могут быть экструдированы или одноосноориентированы, например, с использованием головки с вытяжкой или без нее. Первый компонент и/или второй компонент, и/или центральный компонент могут быть сформированы с использованием прядильного или подобного устройства для спиральной намотки/покрытия. Второй компонент может быть натянут, пока первый компонент наматывают вокруг второго компонента.
Первый компонент и/или второй компонент могут быть сформированы, а уже затем собраны, например навиты друг на друга. Первый компонент может быть нанесен вокруг второго компонента таким, каким он сформирован. Первый компонент и второй компонент могут образовывать композиционный компонент. Два или более компонента композиционного материала могут быть связаны друг с другом. Эти компоненты композиционного материала могут быть связаны друг с другом для создания структуры, например, путем их укладки вокруг одного или более центральных компонентов.
Этот способ может включать использование матрицы, предусматривающей или нет операцию заполнения пустот для одного или более компонентов. Эти пустоты могут быть заполнены волокнами и/или объемным материалом, или же матрицей. Силоксановые пены, пенополиуретаны, жидкие силиконовые каучуки, натуральный каучук и другие синтетические или натуральные материалы могут быть использованы для образования матрицы или в качестве материалов, применяемых для заполнения пустот.
Первый компонент и второй компонент, или компоненты композиционного материала, изготовленные из них, или же структуры и связки, изготовленные из них, могут быть сплетены для образования структур или могут быть введены в процессе формования для образования объемных структур.
Далее описываются различные варианты осуществления изобретения при помощи прилагаемых чертежей, на которых:
фиг.1а представляет собой иллюстрацию первой известной формы ауксетичного материала;
фиг.1b представляет собой иллюстрацию второй известной формы ауксетичного материала;
фиг.2 иллюстрирует ауксетичную композиционную структуру в соответствии с настоящим изобретением в недеформированном/частично деформированном состоянии;
фиг.3 иллюстрирует композиционную структуру, изображенную на Фиг.2, в деформированном состоянии;
фиг.4 представляет собой схематический вид поперечного сечения при направлении взгляда вдоль оси Х-Х;
фиг.5 представляет собой схематический вид поперечного сечения другой ауксетичной композиционной структуры в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.6 представляет собой схематический вид поперечного сечения другой ауксетичной композиционной структуры в соответствии с настоящим изобретением, где показана компоновка пространственно центрированной решетки;
фиг.7 представляет собой схематический вид плотно упакованной ауксетичной композиционной структуры, выполненной в соответствии с настоящим изобретением;
фиг.8a-8f иллюстрируют различные виды экспериментального варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением при различных уровнях деформирования; а также
фиг.9а и Фиг.9b иллюстрируют проекцию угла для первого компонента в недеформированном и частично деформированном виде соответственно.
Целью изобретения является создание усовершенствованных структур и технологий производства ауксетичных материалов, а также усовершенствование ауксетичных материалов как таковых. Следует заметить, что при использовании термина «материалы» предполагается, что они среди других возможных вариантов включают в себя текстиль и ткани.
Ауксетичные материалы являются материалами, имеющими отрицательный фактический, или эффективный, коэффициент Пуассона. То есть, когда к ауксетичному материалу приложена растягивающая нагрузка, которая растягивает его вдоль первой оси, он расширяется вдоль второй оси, перпендикулярной к этой первой оси. Материалы также являются ауксетичными, если сжимающая нагрузка приложена вдоль оси материала, и сжатие приводит к уменьшению ширины вдоль второй оси, перпендикулярной к этой первой оси. Такое поведение противоположно поведению большинства материалов, которые имеют положительный коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона для материала определяется как отношение поперечных деформаций сжатия к продольным деформациям растяжения.
Синтетические ауксетичные материалы были впервые получены в конце 80-х годов путем механической деформации полимерных пеноматериалов с открытыми ячейками. Более поздние технологии имели целью изготовление полимерных материалов со структурой, подобной сотовой, или материалов, образованных частицами, связанными фибриллами.
Пример ауксетичного полимерного материала со структурой, подобной сотовой, показан на Фиг.1а. Приложение растягивающей нагрузки вдоль оси Х-Х вызывает перемещение звеньев 1 и 3 в стороны. С другой стороны, это перемещение вызывает выпрямление звеньев 5 и 7 и таким образом увеличение расстояния между звеньями 9 и 11. Результатом является увеличение размера компонента из этого материала вдоль оси Y-Y, которая перпендикулярна к оси Х-Х.
Пример ауксетичного полимерного материала на основе фибриллярно-узловой структуры показан на Фиг.1b. В нем имеется серия частиц 13, связанных между собой при помощи фибрилл 15. Фибриллы 15 обычно изготовлены из того же материала, что и частицы 13, экструзией и/или последующим процессом прядения. При этом аналогично перемещение частиц 13а и 13b в стороны вдоль оси Х-Х вызывает выпрямление фибрилл 15а, 15b, и следовательно, увеличение расстояния между частицами 13с и 13d. Таким образом происходит увеличение размера компонента из этого материала вдоль оси Y-Y, перпендикулярной к оси Х-Х. Такие материалы изготавливались с использованием операций прессования и спекания или же, как описано в документе WO 00/53830, путем частичного расплавления с последующим экструдированием одного полимерного материала.
Были предложены разнообразные способы изготовления ауксетичных материалов с довольно разнообразными формами и значениями отрицательного коэффициента Пуассона. Однако во многих случаях эти способы изготовления являются сложными и обычно приспособлены для производства только очень небольших количеств ауксетичного материала сомнительной прочности. В других случаях сущность этого способа, включающего поверхностное плавление и экструдирование для придания нужных форм одному и тому же материалу, имеет следствием то, что ауксетичный материал имеет гораздо более низкий уровень как по структуре, так и свойствам, чем предполагалось в известных схематических представлениях его, в том числе показанных на Фиг.1а и Фиг.1b этого описания. Возникают структурирование частиц, несовершенство фибриллярных структур, недискретные частицы и другие проблемы. Существенные затруднения также имеются в обработке образцов известных ауксетичных материалов для получения полезных форм и конфигураций.
Настоящим изобретением предпринята попытка обратиться к этим проблемам и создать ауксетичный материал, который является сравнительно простым в изготовлении, обладает целостной структурой и свойствами, имеет приемлемый и управляемый отрицательный коэффициент Пуассона, а также может легко быть использован для создания более сложных и пригодных для использования форм.
На Фиг.2 ауксетичный материал по настоящему изобретению является фактически компонентом композиционного материала, изготовленным из нескольких компонентов. Он показан в частично деформированном состоянии. В отличие от известных ауксетичных материалов представленный материал сформирован из нескольких отдельных компонентов, а возможно - из отдельных компонентов, имеющих различную форму материала или свойства.
По центру проходит центральный компонент 20. Этот центральный компонент 20 в целом имеет прямолинейную форму и выполняет функцию сердцевины композиционной структуры. Этот центральный компонент 20 также определяет ось структуры, Х-Х. С обеих сторон центрального компонента 20 находятся первые компоненты 22а, 22b. Эти первые компоненты 22а, 22b имеют соединение со вторыми компонентами 24а, 24b. В любом случае первый компонент 22 навит вокруг второго компонента 24 по спирали. То есть первый компонент 22 контактирует с различными частями внешней поверхности второго компонента 24 по длине компонентов 22, 24. В результате этой навивки по меньшей мере первый компонент 22 имеет величину смещения относительно оси Х-Х, которая изменяется в зависимости от положения вдоль оси Х-Х. Таким образом, в точке 28 смещение больше, чем в точке 26.
Величина смещения другого первого компонента 22b относительно оси Х-Х равна смещению для соответственных точек 26, 28 и так далее вдоль оси Х-Х, однако направление смещения может быть противоположным относительно оси Х-Х. Таким образом, части 32 первого компонента 22b близки друг к другу, а части 30 первого компонента 22b сравнительно отдалены. Это достигается навивкой первых компонентов 22а, 22b вокруг вторых компонентов 24а, 24b в противоположных направлениях.
В показанном варианте и первый компонент 22, и второй компонент 24 имеют смещение относительно оси Х-Х, которое изменяется в соответствии с положением вдоль оси Х-Х. В целом этот компонент композиционного материала таким образом предусмотрен вдоль промежутков 34 заданного размера.
Форму в целом можно увидеть на схематическом виде поперечного сечения при направлении взгляда вдоль оси Х-Х, как показано на Фиг.4. В этом поперечном сечении первый компонент 22 начинается в точке А и проходит вверх и над вторым компонентом 24 к точке В, перед его опусканием, внутри второго компонента 24 к точке С. С противоположной стороны центрального компонента - зеркальное отображение. Весь ход первого компонента 22 и вся протяженность второго компонента 24 не показаны.
При использовании, как показано на Фиг.3, если параллельно оси Х-Х к первым компонентам 22 компонента композиционного материала приложена растягивающая нагрузка, то эта нагрузка распрямляет первые компоненты 22 из их спиральной формы в более выпрямленную или даже прямую. На Фиг.3 центральный компонент 20 по-прежнему занимает центр компонента композиционного материала, а первый компонент 22 по-прежнему навит вокруг второго компонента 24. Однако распрямление первых компонентов 22 привело к увеличению диаметра спирали, образованной вторыми компонентами 24. Смещение второго компонента 24 от оси Х-Х вызывает в результате значительное увеличение габаритного размера этого компонента композиционного материала вдоль оси Y-Y. Размер промежутков 34 также значительно увеличивается.
В качестве альтернативы спиральной форме первых компонентов 22 и вторых компонентов 24 может быть предусмотрен функционирующий компонент композиционного материала, использующий прямолинейный второй компонент 24, и навитый с изменяющимся по длине смещением первый компонент 22. Эта форма не показана на чертежах. В этом случае приложение растягивающей нагрузки выпрямило бы первые компоненты 22, тем самым вызвав изменение формы вторых компонентов 24 от прямолинейной к спиральной. При этом также происходит увеличение размера перпендикулярно направлению растягивающей нагрузки.
Относительные размеры центрального компонента 20, первых компонентов 22 и вторых компонентов 24 на Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4 показаны различными, поскольку возможны самые разные размеры как в абсолютном выражении, так и в относительном выражении размеров различных компонентов друг к другу.
В предпочтительном варианте исполнения настоящего изобретения центральный компонент 20 сам по себе также является дополнительным ауксетичным компонентом или структурой, но может быть и эластомерным прутком из материала со средним или низким модулем. Желательно, чтобы этот центральный компонент был способен деформироваться без разрушения. Пригодные материалы включают в себя силоксан, жидкий силиконовый каучук, натуральный каучук, нитриловый каучук или любой другой эластомерный материал, как натуральный, так и искусственный. В случае, когда центральный компонент представляет собой пустотелую трубку, она может содержать дополнительные материалы, которые могут быть или не быть ауксетичными, и эти дополнительные материалы могут иметь свойства, отличные от свойств материала самой трубки. Желательно, чтобы первые компоненты имели высокий модуль упругости. Например, это может быть углеродное волокно, кевлар, стекловолокно или же проволока. И здесь желательно, чтобы вторые компоненты были эластомерными по природе. Может быть использован очень широкий диапазон материалов, разумеется, в зависимости от требуемых свойств, применения и величины готовой композиционной структуры. Другие возможности описаны в этом документе далее ниже.
Компонент композиционного материала, показанный на Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4, фактически является структурой, из которой могут быть сформированы более крупные структуры или изделия.
На Фиг.5 показана в поперечном сечении другая структура. Эта структура является расширенным вариантом структуры показанной на Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4 формы по настоящему изобретению и использует подобные принципы. И в этом случае структура также включает в себя центральный компонент 20, однако имеет шесть вторых компонентов 24, равномерно расположенных вокруг центрального компонента 20. Каждый второй компонент имеет навитый вокруг него первый компонент 22. Аналогично величина смещения первого компонента от продольной центральной оси структуры является одинаковой для каждого из первых компонентов в одном поперечном сечении. Направлением смещения для каждого компонента является радиальное направление наружу от оси. В случае данной структуры приложение растягивающей нагрузки вызывает расширение во все стороны радиально от центрального компонента 20. Подобная компоновка может быть сконструирована с использованием большего или меньшего, чем шесть, количества соединений первых и вторых компонентов.
Поскольку структуры, описанные с использованием Фиг.2, Фиг.3, Фиг.4 и Фиг.5, представляют собой материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона, наиболее полезные формы настоящего изобретения являются результатом формирования готовых изделий из таких ячеек, например, для получения тканей, листов, тканых изделий, нетканых изделий. В них используются повторяющиеся структуры описанного выше типа или другие такие структуры.
В варианте, показанном на Фиг.6, каждый центральный компонент 20 окружен четырьмя первыми компонентами 22 и четырьмя вторыми компонентами 24, навитыми друг на друга для получения описанных выше соединений. Эти четыре соединения равномерно расположены вокруг центрального компонента 20. Путем соединения таким способом большого числа структур формируется пространственно-центрированная решетка.
В варианте, показанном на Фиг.7, каждый центральный компонент 20 окружен соединениями из шести первых компонентов 22 и шести вторых компонентов 24. Аналогично эти шесть соединений равномерно расположены вокруг центрального компонента 20 и в результате образуют плотно упакованную конструкцию. Подобные конструкции также могут быть созданы с использованием большего или меньшего, чем шесть, количества соединений из первых и вторых компонентов.
Эти и другие схемы упаковки позволяют образовывать базовые структуры, которые являются ауксетичными в поведении. По сравнению с известными технологиями производства наиболее существенно, что поскольку такая ауксетичная структура собрана из множества компонентов, она в высокой степени пригодна для массового производства с использованием изменений в конструкции существующего оборудования, которые относительно просты для осуществления. Например, возможно экструдировать центральный компонент и использовать прядильные машины для производства соединений первого компонента и второго компонента. Для создания требуемой формы определенное количество соединений первого компонента и второго компонента могут затем быть собраны вокруг центрального компонента. Сборка большого количества соединений, созданных таким способом, дает требуемую объемную структуру.
В дополнение к сочетанию материалов центрального, первого и второго компонентов возможно также включение в структуру и дополнительных материалов. В предпочтительной форме ауксетичные свойства структуры дополняются путем заполнения пустот в структуре силоксановой пеной, пенополиуретаном или другими материалами с низким модулем упругости. В эти пустоты также могут быть помещены и другие компоненты или эластомерные прутки. Введение таких материалов в формуемое изделие также возможно с использованием способов промышленного масштаба.
Следует также заметить, что показанные на Фиг.2, Фиг.3 и Фиг.4 формы осуществления изобретения относятся к структуре, которая деформируется для увеличения своего размера перпендикулярно оси деформации. Это идеально возможно для предварительно деформированного или предварительно растянутого материала, в котором ауксетичные свойства проявляются при уменьшении деформации/растяжения и/или при приложении сжимающей нагрузки.
Кроме математических расчетов уровня отрицательного коэффициента Пуассона таких материалов заявитель смог экспериментально продемонстрировать такие свойства.
На Фиг.8a-f показана экспериментальная структура в соответствии с настоящим изобретением. Эта структура образована из двух компонентов композиционного материала 100, показанных на Фиг.8а. Два компонента композиционного материала 100 расположены в непосредственной близости друг от друга, и каждый из них имеет второй компонент 104, вокруг которого навит первый компонент 102. Первые компоненты 102 навиты в противоположных направлениях. Такая структура показана на Фиг.8b в недеформированном состоянии.
При деформировании этой структуры проявляются ауксетичные свойства. На Фиг.8с продольная 10-мм деформация приводит к расширению промежутка между этими компонентами. На Фиг.8d продольная 15-мм деформация, на Фиг.8е продольная 20-мм деформация, и на Фиг.8f продольная 25-мм деформация приводит к увеличению промежутков по причине расширения структуры в боковых направлениях.
Этот эффект ясно проиллюстрирован на Фиг.9а и Фиг.9b, где сравнивается проекция угла первого компонента относительно оси, перпендикулярной оси центрального компонента структуры. В этом примере в недеформированном состоянии угол составляет 62°, а в частично деформированном состоянии угол составляет 74,5°.
Возможно как изготовление структур этой конфигурации с использованием различных форм компонентов, так и создание таких структур в широком диапазоне масштабов. Макропрутки и волокна могут быть использованы для формирования объемных композиционных структур, пригодных для целого ряда применений. С другой стороны, различные органические полимерные, неорганические полимерные или неорганические структуры могут быть использованы для получения ауксетичных материалов на молекулярном уровне.
Ауксетичные композиты и структуры, предусмотренные настоящим изобретением, предоставляют широкий выбор полезных свойств. В частности, такие структуры могут обеспечивать улучшенные по сравнению с известными материалами модуль сдвига, трещиностойкость, пьезоэлектрические свойства, сопротивление вдавливанию, термостойкость, ударогашение, износостойкость и поглощение энергии. Ауксетичные композиты и структуры в соответствии с настоящим изобретением могут обеспечивать как полезные свойства ударогашения, так и звукопоглощения в одном и том же материале. Также эти структуры могут демонстрировать явления анизотропии, когда свойства различны в осевом и радиальном направлениях.
Такие композиты и структуры могут рассматриваться в качестве имеющих специальное применение текстильных материалов для широкого круга назначений. Ауксетичные структуры по настоящему изобретению, в частности, пригодны для текстиля благодаря своей синкластической способности (способности формировать одинаково ориентированную кривизну в двух направлениях). Это делает такой текстиль особенно хорошо приспосабливаемым к другим изделиям, с которыми он контактирует. Это справедливо как для использования в спецодежде, например для изготовления удобных бронежилетов, лямок обмундирования и/или ремней, так и для других целей, например для подкладок защитных шлемов.
Применение таких композитов и структур включает ситуации, когда требуется сопротивление вдавливанию или способность поглощать удары, включая автомобильные бамперы, элементы внутренней части автомобиля, а также формованные корпусные детали. Эти свойства делают такие структуры пригодными и в области спортивного оснащения, где требуется защита от ударов в виде одежды или другого оснащения. Такое оснащение включает в себя устройства для защиты головы, щитки для защиты ног, другие щитки и тому подобное.
Способность к акустическому демпфированию для того же материала, который имеет и вышеупомянутые свойства, также полезна для замены ранее использовавшихся двух различных материалов, каждый из которых был необходим только для одной цели.
Материалы по настоящему изобретению также имеют преимущества в плане их пригодности для защиты портативных электронных устройств, мобильных телефонов, фотоаппаратов, видеокамер и тому подобного, например, для демпфирования вибрации, звука или обеспечения сопротивления вдавливанию и так далее.
Другие потенциальные области применения включают в себя использование в шинах, медицинских нитях, композиционных материалах с улучшенными свойствами (в частности, за счет уменьшения повреждений в связи с выдергиванием волокон), электронных датчиках (особенно за счет создания чувствительных к давлению или оптически чувствительных материалов), ремнях безопасности, багажных ремнях, лямках, лентах и ремнях для одежды, конструкциях с двойной кривизной, активных материалах (в частности, фильтрах), активном текстиле, изделиях с увеличенным сопротивлением износу, тепловому удару и так далее.
Существует много возможных способов производства таких материалов, в том числе плетение, вязание, прядение, экструдирование, прошивка, а также большое разнообразие способов производства тканых и нетканых изделий.
Реферат
Изобретения относятся к компонентам композиционных материалов, имеющим ауксетичные свойства, то есть отрицательный или эффективно отрицательный коэффициент Пуассона, к структуре из компонентов композиционного материала и к способу их изготовления. Компонент композиционного материала, имеющий отрицательный эффективный коэффициент Пуассона, содержит проходящие вдоль оси первый компонент и второй компонент. Первый компонент расположен вокруг второго компонента по спирали в виде одного или более витков, разнесенных в продольном направлении относительно указанной оси. Изменение растягивающей или сжимающей нагрузки на первый компонент вызывает изменение радиального положения второго компонента относительно этой оси. При изменении растягивающей или сжимающей нагрузки на первый компонент происходит последующее изменение диаметра спирали первого компонента, а изменение диаметра спирали первого компонента приводит к тому, что второй компонент приобретает форму спирали, и/или вызывает изменение диаметра спирали второго компонента, а диаметр спирали второго компонента возрастает при уменьшении диаметра спирали первого компонента, тогда как диаметр спирали второго компонента уменьшается при увеличении диаметра спирали первого компонента. Из двух или более компонентов композиционного материала сформирована структура, в которой эти оба компонента расположены рядом один с другим или в контакте друг с другом. Способ изготовления компонента композиционного материала, имеющего отрицательный эффективный коэффициент Пуассона, заключается в формировании первого и второго компонентов, нанесение путем навивки и/или прядения, и/или покрытия первого компонента вокруг второго элемента в виде одного или более витков, разнесенных в продольном направлении вдоль второго компонента. Технический результат состоит в получении в промышленных условиях компонентов композиционных материалов, обладающих стабильной структурой и расширенным диапазоном свойств и областей применения. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 16 ил.
