具有微型桁架芯体的网状结构的制作方法

具有微型桁架芯体的网状结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种弯曲的三维有序微型桁架结构，该弯曲的三维有序微型桁架结构包括：多个第一支柱，所述多个第一支柱沿第一方向延伸；多个第二支柱，所述多个第二支柱沿第二方向延伸；和多个第三支柱，所述多个第三支柱沿第三方向延伸，其中第一支柱、第二支柱和第三支柱在多个节点处互相贯通，其中多个第一支柱、多个第二支柱、多个第三支柱和多个节点形成微型桁架结构内的多个有序单元，和其中多个有序单元限定弯曲表面。
【专利说明】具有微型桁架芯体的网状结构

【技术领域】
[0001] 本发明的实施例的多个方面涉及一种三维（3D)结构和形成该三维结构的方法。

【背景技术】
[0002] 轻质夹层结构（例如，包括"夹在"两个面板之间的芯体的结构）用于包括热交换、 高级防具应用、高冲击/低重量应用等等不同目的。在一些实施例中，这可以有益于将轻质 夹层结构形成为适应将使用材料的表面的特定弯曲。在有些情况下，将夹层结构形成为特 定形状会需要增加成本的制造工艺。
[0003] 通常，用于轻质夹层结构的材料决定结构如何形成以及该结构是否可以被形成为 具有复杂的弯曲。现有的用作轻质夹层结构的芯体的材料包括泡沫、成蜂窝状材料和金属 晶格结构。这些材料中的每一种都具有能够适应特定弯曲的能力。
[0004] 泡沫可以是开孔式（open-cellular)或闭孔式（closed cellular)，并且可以使 用在包括但不限于聚合物、金属和陶瓷的各种材料中。开孔式泡沫通常具有限制的强度和 刚度，这限制了它们在不同应用中的实用性。开孔式泡沫还具有用于流体流的曲折不均匀 通道，通道中的高压力通常用于推动流体通过所述结构。闭孔式泡沫相对于开孔式泡沫具 有更大的强度和刚性，使得它们更适合作为用于夹层结构的芯体。然而，闭孔式泡沫不允许 流体自由地流动通过所述材料，这限制了它们在需要流体流的诸如热传递应用的应用中的 实用性。通常，机械加工用于将泡沫形成为特定弯曲。
[0005] 蜂窝状结构还能够用于许多不同材料，这些材料包括但不限于铝、诺梅克斯⑧:和 热塑性聚合物。通常，蜂窝状结构为闭孔式。为了获得具有蜂窝状结构的特定弯曲，通常使 用特定的相应晶胞形状。这种方法可以用于需要单一曲率半径的结构；然而，这对于具有多 于一个的曲率半径的复杂弯曲是没有效果的。
[0006] 金属晶格结构具有良好的强度特性和刚度特性，并由于该结构允许低压降流体流 动通过所述材料，所以金属晶格结构还可以用作流体热交换。然而，为了将金属晶格结构形 成为特定弯曲，结构通常被塑性变形或机械加工。
[0007] 因此，需要具有可以被容易地形成为具有特定的弯曲而不需要进行预先生产制造 或在后的生产制造的轻质结构，这些预先生产制造或在后的生产制造是昂贵的或者会损坏 夹层结构的结构整体性。


【发明内容】

[0008] 本发明的实施例的多个方面涉及使一个或多个聚合物波导管（waveguide)(或 "支柱"）图案化以形成三维弯曲（或"网状"）的具有弯曲的有序微型桁架结构（或"微型 桁架"）和/或用于制造所述一个或多个聚合物波导管的系统和方法，其中三维微型桁架具 有包括弯曲部分的结构。
[0009] 根据本发明的一个实施例，弯曲的三维有序微型桁架结构包括：沿第一方向延伸 的多个第一支柱；沿第二方向延伸的多个第二支柱；沿第三方向延伸的多个第三支柱，其 中多个第一支柱、多个第二支柱、多个第三支柱和多个节点形成微型桁架结构内的多个有 序单元，和其中多个有序单元限定弯曲表面。
[0010]多个第一支柱、多个第二支柱和多个第三支柱可以包括聚合物。
[0011] 弯曲的三维有序微型桁架结构可以包括在多个第一支柱、多个第二支柱和多个第 三支柱的表面上的涂层。
[0012] 涂层可以包括选自由以下材料组成的组的材料，该组由镍（Ni)、铜（Cu)、金（Au)、 银（Ag)、钌（Ru)、钼（Pt)、铑（Rh)、钴（Co)、铁（Fe)、锌（Zn)、钛（Ti)、铝（A1)及其组合组 成。
[0013] 弯曲的三维有序微型桁架结构还可以包括连接至多个有序单元的侧部的面板。
[0014] 面板可以包括金属。
[0015] 多个有序单元可以涂有金属，以形成面板和多个有序单元之间的金属连接。
[0016] 第一支柱、第二支柱、第三支柱和节点可以包括选自由金属、陶瓷、聚合物、石墨及 其组合组成的组的材料。
[0017] 第一支柱、第二支柱、第三支柱和节点可以包括基本上中空的管。
[0018] 根据本发明的一个实施例，一种制造弯曲（或"网状"）的三维有序微型桁架结构 的方法包括以下步骤：提供大量感光性单体（photo-monomer);在至少一个准直光源和多 个感光性单体之间设置掩模，所述掩模具有多个孔口；在曝光时间段将来自至少一个准直 光源的准直光束引导至掩模，准直光束的一部分通过掩模的孔口并进入到感光性单体中， 以通过所述大量感光性单体的一部分形成多个聚合物波导管；移除任何未固化的感光性单 体，从而留下部分固化的三维有序微型桁架结构，所述微型桁架结构包括多个有序单元，部 分固化的三维有序微型桁架结构限定开口体积（open volume);加热部分固化的三维有序 微型桁架结构超过其玻璃化转变温度；使部分固化的三维有序微型桁架结构弹性变形成弯 曲（或"网状"）表面；和热后固化部分固化的弯曲三维有序微型桁架结构以形成固化的弯 曲三维有序微型桁架结构。
[0019] 所述方法还可以包括将涂层涂敷至多个有序单元。
[0020] 所述涂敷的涂层可以包括选自由以下材料组成的组的材料，所述组由镍（Ni)、铜 (Cu)、金（Au)、银（Ag)、钌（Ru)、钼（Pt)、铑（Rh)、钴（Co)、铁（Fe)、锌（Zn)、钛（Ti)、铝（A1) 及其组合组成。
[0021] 将涂层涂敷至多个有序单元的步骤可以包括将金属涂层电镀到多个有序单元上。
[0022] 将涂层涂敷至多个有序单元的步骤可以包括将金属涂层化学镀到有序单元上。
[0023] 所述方法还可以包括在将涂层涂敷至多个有序单元之后将聚合物波导管从弯曲 (或"网状"）的三维有序微型桁架结构移除。
[0024] 所述方法还可以包括将面板连接至多个有序单元的侧部。
[0025] 将面板连接至多个有序单元的侧部的步骤出现在使部分固化的三维有序微型桁 架结构变形成弯曲（或"网状"）表面之前。
[0026] 将面板连接至多个有序单元的侧部的步骤出现在使部分固化的三维有序微型桁 架结构弹性变形成弯曲（或"网状"）表面之后。
[0027] 所述方法还可以包括在将面板连接至弯曲的三维有序微型桁架结构的侧部之后 将金属涂层电镀至弯曲的三维有序微型桁架结构。
[0028] 所述方法还可以包括在将面板连接至微型桁架结构的侧部之后将金属涂层化学 镀至弯曲的三维有序微型桁架结构。

【专利附图】

【附图说明】
[0029] 附图与说明书一起说明本发明的示例性实施例，并且与说明一起用于说明本发明 的原理。在附图中：
[0030] 图la为根据本发明的一个实施例的微型桁架结构中的有序单元格的立体图；
[0031] 图lb为根据本发明的一个实施例的微型桁架结构的立体图；
[0032] 图lc为根据本发明的另一个实施例的微型桁架结构的立体图；
[0033] 图Id为根据本发明的另一个实施例的微型桁架结构的立体图；
[0034] 图2a为根据本发明的一个实施例的在节点处相交的四个有角度支柱和一个垂直 支柱的立体图；
[0035] 图2b为根据本发明的一个实施例的微型桁架结构的照片；
[0036] 图2c为根据本发明的一个实施例的包括多个有角度支柱和垂直支柱的微型祐1架 结构的立体图；
[0037] 图3a和3b是根据本发明的一个实施例的用于由多个波导管形成结构的系统的示 意性横截面图，多个波导管利用通过多个孔口的单个准直射束或多个准直射束而产生，多 个孔口沿有角度方向和垂直方向定位在通道的底部；
[0038] 图4a显示了根据本发明的一个实施例的方形掩模图案（或方形掩模孔口图案）；
[0039] 图4b显示了根据本发明的一个实施例的六边形掩模图案（或六边形掩模孔口图 案）；
[0040] 图5为根据本发明的一个实施例的微型桁架结构的照片；
[0041] 图6为根据本发明的一个实施例的微型桁架结构的示意性横截面图；
[0042] 图7为根据本发明的一个实施例的用于将化学沉积应用于微型桁架结构的设备 的示意性横截面图；
[0043] 图8为根据本发明的一个实施例的用于将电极沉积应用于微型桁架结构的设备 的示意性横截面图；
[0044] 图9为根据本发明的一个实施例的微型桁架结构的示意性横截面图；
[0045] 图10为显示与本发明的选定实施例有关的数据的图表；
[0046] 图11为用于形成根据本发明实施例的三维结构的流程图；以及
[0047] 图12为用于形成根据本发明的其它实施例的三维结构的流程图。

【具体实施方式】
[0048] 在以下的详细说明中，仅通过说明显示和说明了本发明的特定示例性实施例。本 领域技术人员将认识到本发明可以被涵盖在很多不同形式中并且不应该被解释为限制于 在此处阐述的实施例。此外，在本申请的上下文中，在元件被称为在另一个元件"上"时，其 可以是直接在另一个元件上或是通过置于两个元件之间的一个或多个介入元件而间接在 另一个元件上。在说明书全文中，相同的附图标记表示相同的元件。
[0049] 参照图la、lb、lc、ld、2a、2b和2c，根据本发明实施例的三维弯曲（或"网状"）有 序微型桁架结构是自支撑结构。微型桁架结构10包括多个有角度支柱（所述支柱还可以 称为有角度"桁架元件"、"桁架构件"或"聚合物波导管"），多个有角度支柱包括分别沿第一 方向A、第二方向B和第三方向C延伸的第一有角度支柱12、第二有角度支柱14和第三有 角度支柱16。微型桁架10还可以包括沿垂直方向D延伸的垂直支柱18。参照图l、2a和 2b，第一、第二和第三有角度支柱12、14、16和垂直支柱18在节点20处互相贯通，以形成具 有三维有序微结构的连续材料。在一些实施例中，微型桁架还包括沿第四方向E延伸并还 在节点20处与第一、第二和第三有角度支柱12、14和16以及垂直支柱18互相贯通的第四 有角度支柱22。
[0050] 根据本发明实施例的包括许多有序单元的单个微型桁架单元和结构在图la、 lb、lc和Id中示出。图2a示出了包括支柱12、14、16、18和22以及节点20的单元。在 很多实施例中，多个有序单元将包括微型桁架结构10。当单元以重复图案形成在微型桁 架结构内时，单元具有顺序。这些有序的单元仅仅是可以用于本申请的很多可能的单元 结构中的一些。另外可能的有序单元结构的实例包括但不局限于Jacobsen等人的Acta Materialia56 (2008) 2540-254中说明的结构，其全部内容在此引入作为参考。
[0051] 支柱12、14、16和18可以包括光聚合物材料。支柱12、14、16和18可以为聚合物 光学波导管。
[0052] 连续材料可以持续地形成使得其没有任何内部边界，例如在支柱12、14、16和18 的互相贯通部分内的边界。微型桁架结构10的每个节点20可以由连续材料形成。
[0053] 根据本发明的一个实施例，微型桁架10利用固定光输入（准直UV光）以固化（聚 合）可以以3D图案自传播的聚合物光学波导管而形成。因此，传播的聚合物光学波导管形 成微型祐 1架结构10。
[0054] 如 Monro 等人在 Journal Of Modern 0ptics2001 年卷 48 第 2,191-238 号中公 开的"Topical Review Catching Light In Its Own Trap"（其全部内容在此引入作为参 考）所述，称为光聚合物的一些液态聚合物在聚合过程期间经历折射率变化。折射率变化 可以导致聚合物光学波导管的形成。如果对光敏感的单体在正确的条件下暴露于光（通常 位UV)，则诸如小圆形区域的初始聚合区域将"收集"光并将光引导至聚合区域的末端，使该 聚合区域进一步前进。这种过程将持续，导致波导结构的形成，该波导结构沿其整个长度具 有基本上相同的横截面尺寸。
[0055] 根据本发明的一个实施例，具有二维孔口图案340的掩模（参见图4a和4b)与光 源和感光性单体一起使用以建立有序的3D聚合物微型桁架结构（或开口单元聚合物微型 祐 1架结构）。
[0056] 图3a为用于由多个波导管（或支柱）形成结构的系统的示意性横截面图，该多个 波导管（或支柱）利用通过位于通道底部的多个孔口的单个准直射束或多个准直射束产 生。参照图3a，用于形成根据本发明实施例的有序3D聚合物微型桁架结构的系统包括：一 个或多个准直光源300 ;具有（或含有）感光性单体320的通道/模具310,感光性单体320 将以通过光源300提供的准直光束的波长聚合；和具有一个或多个孔口（开口区）340的图 案形成设备，例如掩模330。每一个孔口 340都具有基本上配合支柱（例如，波导管360a) 的横截面几何结构的给定形状和尺寸。
[0057] 继续参照图3a，掩模330放置在透明基板（或透明板）350上，透明基板（或透明 板）350包括通道/模具310的底部。在一个实施例中，掩模330由轻质、柔性且不透明的 材料制成，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)膜。透明基板350可以透射从准直光源发出 的光的材料（例如石英）制成。在其它实施例中，透明基板350用作掩模330(例如，部分 的透明基板350是不透明的，而其它部分是透明的）。感光性单体320填充掩模330上方的 通道310。在一个实施例中，微型桁架结构的不同厚度可以通过用感光性单体320填充通 道（或模具）310至所需高度而获得。一旦应用准直光源，相交的聚合物波导管360a将从 掩模330的表面或透明基板350的表面向上生长，在通道310中的感光性单体320的自由 表面（例如，上表面）处终止，从而形成微型桁架结构的支柱。
[0058] 这里，在图3a中，相交的聚合物波导管360a (或支柱）将聚合在一起，所以3D网格 (或微型桁架结构360)可以被形成，并且不会妨碍波导传播。此外，多个波导管360a(或支 柱）之间的间距与多个孔口 340的图案相对应。孔口 340的图案可以例如为图4a中所示 的方形图案和/或图4b中所示的六边形图案。孔（孔口）间距（S卩，掩模330中孔口 340 之间的距离）和由每一个孔口 340形成的波导管360(或支柱）的数量将决定形成的有序 3D微型桁架结构（或形成的开口单元聚合物微型桁架结构）的开口体积分数（即开口间 距）。
[0059] 因此，利用图3a的系统，三维网状有序微型桁架结构360可以被设计用于各种应 用。设计参数包括：1)聚合物支柱相对于彼此的角度和图案；2)产生的单元结构的填密 (packing)或相对密度（或开口体积分数）；和3)支柱的横截面形状和尺寸。这里，在一个 实施例中，支柱（或波导管）直径可以根据设计标准在10微米至10毫米的范围内。
[0060] 第一支柱、第二支柱和第三支柱延伸的倾斜度可以由角度α (参见例如图3a)确 定，准直光源300被定向成相对于掩模330成角度α，使得准直光以角度α通过掩模330 的孔口 340。由于空气、掩模和单体之间的折射率变化，在很多情况下，第一支柱、第二支柱 和第三支柱倾斜的角度不会与α相同。
[0061] 根据本发明的一个实施例，支柱还包括沿第四方向以基本上90度的倾角（例如基 本上垂直于xz平面）延伸的垂直支柱360b。如图3b所不，准直光源300a被定向成沿相对 于掩模330基本上垂直的方向发射光。
[0062] 在另一个实施例中，可以使用具有多个孔口的单个掩模，所述多个孔口可以具有 不同尺寸，并且垂直于掩模的平面或以一定角度指向的准直光选择性地发射通过掩模的孔 □。
[0063] 例如，参照图3b，在一些实施例中，至少一个数字掩模可以代替掩模330用在通 道370的下方、上方或两侧，或者为准直光源和感光性单体320之间的这些位置的任何组 合位置。数字掩模是可以被控制以对于用于聚合感光性单体的光的波长在一些位置变得 不透明而在其它位置透明的显示装置，例如液晶显示器（LCD)。一种这样的液晶显示器掩 模在第 8 届 International IEEE Cconference on Emerging Technologies and Factory Automation 介绍的 A. Bertsch，P. Bernhard 和 P. Renaud 的（2001)论文 "Microstereolit hography:Concepts and applications"第2卷第289-99页中被公开，其全部内容在此引 入作为参考。在准直光源300位于通道下方的实施例中，数字掩模位于准直光源300和透 明基板350之间。此外，数字掩模可以被构造成不工作，以显示孔口尺寸和图案的任何变化 以制造所需的微型桁架结构360,从而消除了对停止制造以改变掩模的需求。例如，数字掩 模可以用于对有角度支柱和垂直支柱形成不同尺寸的孔口。
[0064] 一旦被形成，微型桁架结构就会用于各种领域，包括高级防具、热交换、轻质/高 冲击应用等等。在这些应用中的许多应用中，对微型桁架结构的有益之处在于具有符合将 使用该微型桁架结构的表面的特定弯曲。例如，在一个实施例中，微型桁架结构用作防具的 有益之处在于具有符合军用车辆的外表面的特定弯曲，或在另一个示例中，微型桁架结构 用作热交换器的有益之处在于包括符合发动机外部的特定弯曲。
[0065] 在一个实施例中，为了形成三维网状有序微型桁架结构，其中微型桁架结构内的 多个有序单元限定弯曲表面，聚合物微型桁架结构首先被加热到高于其玻璃化转变温度 (Tg)。各种聚合物的玻璃化转变温度可广泛地获得，并对于本领域技术人员来说是已知的。 在聚合物微型桁架结构被加热到高于其玻璃化转变温度之后，微型桁架结构弹性变形成所 需的弯曲或形状。最后，变形的微型桁架结构被热后固化，使得聚合物不可再弹性变形。在 一些实施例中，后固化形成为特定弯曲的微型桁架结构可以在l〇〇°C以上的温度花费大约 24个小时。图5为已经形成为鞍座形状然后被热后固化的微型桁架结构的照片。
[0066] 图6中描绘的微型桁架结构10包括已经连接到微型桁架结构10的相对侧的两个 面板402。面板402可以在微型桁架结构10形成为特定弯曲之前或之后被连接。面板402 至微型桁架结构10的连接建立可以具有附加强度、刚度和导热特性的夹层结构。夹层结构 很好地适用于在最小重量的情况下需要高抗弯刚度的应用。在其它实施例中，单个面板402 可以连接到微型桁架结构10或者没有面板402连接到微型桁架结构10。图5示出了没有 面板的弯曲微型桁架结构。
[0067] 在一些实施例中，已经形成为特定弯曲的微型桁架结构10 (即，弯曲（或"网状"） 有序微型桁架结构）涂有另一种材料以形成结构。在本发明的一些实施例，曲率半径可以 像微型桁架结构10的厚度一样小。例如，2cm厚的微型桁架结构10可以具有小到2cm的曲 率半径。在本发明的一个实施例中，聚合物微型桁架结构涂有选自以下材料构成的组的材 料，该组由镍（Ni)、铜（Cu)、金（Au)、银（Ag)、钌（Ru)、钼（Pt)、铑（Rh)、钴（Co)、铁（Fe)、锌 (Zn)、钛（Ti)、铝（A1)及其组合组成。图6示出了已经形成为特定弯曲并涂有金属502的 微型桁架结构10。将微型桁架结构10涂敷金属可以增加微型桁架结构10的强度、刚度和 导热性。这可以在热交换器的领域中具有特定的应用。
[0068] 图7显示根据一个实施例的被化学镀的微型桁架结构10的示意性横截面图。该 实施例包括设置在化学镀溶液516内的加热器504,化学镀溶液516容纳在容器520内。溶 液516通过第一通道506和第二通道510与微型桁架结构10连通。第二通道510包括泵 508,泵508用于使化学镀溶液516从容器520循环到微型桁架结构10中。在化学镀溶液 516流动通过微型桁架结构10之前，用于将化学沉积种晶到聚合物微型桁架结构上的催化 剂可以利用相同的通道506、510和泵508流动通过微型桁架结构10,如图7所示。由于化 学镀溶液516循环通过微型桁架结构10,金属涂层502可以被沉积在微型桁架结构10的表 面上。化学镀过程可以使聚合物桁架初始地涂敷有金属膜，并且如果继续一段长时间段，可 以使金属完全填满空隙空间。这样，金属涂层的厚度可以通过调节化学镀过程的持续时间 而被控制，较长的持续时间用于较厚的涂层，或者较短的持续时间用于较薄的涂层。
[0069] 图7还包括由虚线方形限定的一部分微型桁架结构10的放大视图。放大部分示 出了微型桁架结构10和面板402之间的连接点512。面板402可以由金属构成。在化学沉 积之前，连接点512可以包括聚合物粘合剂，例如环氧树脂。金属涂层可以在化学镀期间形 成在聚合物粘合剂上。在一些实施例中，这可以用于形成面板402和微型桁架结构10之间 的金属键。面板402和微型桁架结构10之间的金属键可以增加面板402和微型桁架结构 10之间的热交换，从而允许用于更有效的热交换装置。
[0070] 除了化学镀之外，在微型桁架结构10已经形成为特定弯曲之后还可以将电极沉 积应用于微型祐 1架结构10。图8显不被电镀的微型祐1架结构10的一个实施例的不意性横 截面图。在一些实施例中，微型桁架结构10可以首先被化学镀（如上所述）以为待施加的 电极沉积产生足够的传导种晶层。图8中描绘的用于电极沉积的设备612包括泵508、第一 通道506、第二通道510和含有电镀液606的容器520。与图7中描绘的化学镀设备相似， 图8中的泵508使流体在容器520和微型桁架结构10之间循环。此外，用于电极沉积的设 备612包括反电极602、工作电极604和绝缘面板608。工作电极604具有与化学镀的微型 桁架结构10的电连接，使得整个微型桁架结构10用作工作电极604。通过工作电极604和 反电极602产生的电场可以使金属沉积在微型祐 1架结构10的表面上。
[0071] 在另外的实施例中，在将金属涂层涂敷至已经形成特定弯曲的微型桁架结构之 后，聚合物微型桁架结构可以利用例如坚固的基部通过燃烧或蚀刻被移除，从而留下中空 的金属微型桁架结构。根据本发明的一个实施例，每一个中空的金属支柱可以具有10微米 至10毫米的范围内的内径，并且金属的厚度（或壁厚）可以在1微米至1毫米的范围内。 产生的金属微型桁架结构可以相对于实心金属块具有在〇. 5%至30%的范围内的相对密 度。
[0072] 图9显示根据本发明一个实施例的包括涂敷金属的聚合物微型桁架结构芯体10 的热交换装置802。金属涂层可以通过化学沉积、电极沉积或本领域所公知的一些其它涂 敷法施加于微型桁架结构10。该实施例中的微型桁架结构10包括连接到微型桁架结构10 的两个面板402。面板402可以由金属构成并与微型桁架结构10具有金属连接，这可以增 加整个热交换装置802的热传导。
[0073] 在该实施例中，微型桁架结构10已经形成为具有特定弯曲，这可以允许热交换装 置802适应其要使用的特定表面。在一些实施例中，微型桁架结构10可以形成为具有适应 管外部的圆柱形形状。在其它实施例中，微型桁架结构10可以形成为具有适应相似形状的 设备的鞍座形状。通常，微型桁架结构10可以形成更好地适应其要应用的表面的任何数量 的形状。
[0074] 热交换装置802可以包括从连接的设备（未示出）泵送到微型桁架结构10的工 作流体804,其中该工作流体在被泵送返回到连接的设备之前被冷却。在另一个实施例中， 热交换装置802可以包括被泵送到微型桁架结构10中的工作流体804,其中该工作流体在 被泵送返回到连接的设备（未示出）之前被加热。
[0075] 图10显示基于冷却板704、706的两个涂敷金属的聚合物微型桁架结构的热阻与 基于冷却板的不具有金属涂层702的聚合物微型桁架结构的热阻的比较图表。在图表中分 析的微型桁架结构具有25mm的芯体厚度、170微米的聚合物桁架直径，并使用水作为工作 流体。可以认为将微型桁架结构电镀13微米的铜704或35微米的铜706将使其平均导热 性从?0. 4WAm*K)分别增加至100和200WAm*K)，从而使每冷却面积的恒定泵送功率下的 热阻减小大约一个数量级。导热性的增加将大大地增强微型桁架结构用作热交换装置的能 力。
[0076] 除了微型桁架结构潜在地用作热交换器之外，具有特定弯曲的微型桁架结构可被 用于各种不同领域。这些应用中的很多都可能会要求微型桁架结构包括特定材料。在一些 实施例中，微型桁架结构可以形成为特定弯曲，然后在不具有涂层的情况下被保留。在其 它实施例中，在将微型桁架结构形成为特定弯曲并对微型桁架结构进行涂敷之后，来自微 型桁架结构的聚合物可以被移除并被另一种材料替换。可以用作微型桁架结构材料或涂 层的材料的实例包括聚合物、碳/石墨、金属和陶瓷。这些材料可以在结构已经形成为特 定弯曲并被固化以保持该弯曲之后被涂敷作为涂层或结合到微型桁架结构材料中。将涂 层涂敷至所述结构或将材料结合至所述微型桁架结构的方法包括但不局限于电极沉积、化 学沉积、金属盐还原、金属铸造、凝胶灌制、粉浆浇铸、溶胶凝胶、化学气相沉积、碳化反应和 预陶瓷聚合物。这些方法中的每一个都在Jacobsen等人于2008年1月11日提交的美国 申请第 12/008, 479 号的 "Composite Structures With Ordered Three-Dimensional (3D) Continuous Interpenetrating Phases"中被公开，其全部内容在此引入作为参考。
[0077] 图11显示根据本发明的一个实施例的形成三维网状有序微型桁架结构的方法。 如图11中所示，在方框902中提供了大量的感光性单体。在方框904中，掩模被设置在至 少一个准直光源和大量的感光性单体之间，所述掩模具有多个孔口。在方框906中，准直光 束被引导至掩模上，使得一部分的准直光束通过掩模并由多个孔口引导至感光性单体中， 从而形成多个聚合物波导管。在形成多个聚合物波导管之后，在方框908中，未固化的单体 被移除，从而留下微型桁架结构（即，部分固化的三维有序微型桁架结构）。
[0078] 在方框910中，使微型桁架结构以高于其玻璃化转变温度受热。一旦高于其玻璃 化转变温度，微型桁架结构可以被弹性变形成弯曲结构，如方框912中所述。在微型桁架结 构变形成具有所需弯曲或形状，在方框914中，微型桁架结构被热后固化（因此形成弯曲 (或"网状"）的三维有序微型桁架结构）。在一些实施例中，将面板连接至微型桁架结构 的侧部的附加步骤可以在方框910之前、方框912之前、方框914之前或方框914之后被执 行。
[0079] 图12示出了在图11中说明的方法的另外的实施例。在方框1002中说明的实施 例中，涂层可以被涂敷到微型桁架结构。在一些实施例中，涂层可以为金属涂层，并且该涂 层可以通过化学沉积或电极沉积涂敷。在一些实施例中，在涂层被涂敷到微型桁架结构之 后，在方框1004中，聚合物波导管可以通过蚀刻、燃烧或本领域所公知的其它的方法被移 除。在移除聚合物波导管时，微型桁架结构可以包括中空管。如图12中所示，连接方框1002 到方框1004的虚线表示在一些实施例中，可以应用方框1002中说明的过程，而不应用方框 1004中说明的过程。
[0080] 虽然已经关于特定示例性实施例说明本发明，但是本领域技术人员将理解本发明 不局限于公开的实施例，而恰恰相反，是用来涵盖包括在所附权利要求及其等效形式的精 神和保护范围内的各种变型。
【权利要求】
1. 一种弯曲的三维有序微型桁架结构，包括： 多个第一支柱，所述多个第一支柱沿第一方向延伸； 多个第二支柱，所述多个第二支柱沿第二方向延伸；和 多个第三支柱，所述多个第三支柱沿第三方向延伸， 其中： 所述第一支柱、所述第二支柱和所述第三支柱在多个节点处互相贯通； 所述多个第一支柱、所述多个第二支柱、所述多个第三支柱和所述多个节点形成所述 微型桁架结构内的多个有序单元；以及 所述多个有序单元限定弯曲表面。
2. 根据权利要求1所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，其中，所述多个第一支柱、所 述多个第二支柱和所述多个第三支柱包括聚合物。
3. 根据权利要求1所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，还包括： 在所述多个第一支柱、所述多个第二支柱和所述多个第三支柱的表面上的涂层。
4. 根据权利要求3所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，其中，所述涂层包括选自由 以下材料组成的组的材料，所述组由镍（Ni)、铜（Cu)、金（Au)、银（Ag)、钌（Ru)、钼（Pt)、铑 (Rh)、钴（Co)、铁（Fe)、锌（Zn)、钛（Ti)、铝（A1)及其组合组成。
5. 根据权利要求1所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，还包括： 面板，所述面板连接至所述多个有序单元的侧部。
6. 根据权利要求5所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，其中，所述面板包括金属。
7. 根据权利要求6所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，其中，所述多个有序单元涂 敷有金属，以形成所述面板和所述多个有序单元之间的金属连接。
8. 根据权利要求1所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，其中，所述第一支柱、所述第 二支柱、所述第三支柱和所述节点包括选自由金属、陶瓷、聚合物、石墨及其组合组成的组 的材料。
9. 根据权利要求1所述的弯曲的三维有序微型桁架结构，其中，所述第一支柱、所述第 二支柱、所述第三支柱和所述节点由基本上中空的管构成。
10. -种制造弯曲的三维有序微型桁架结构的方法，所述方法包括以下步骤： 提供大量感光性单聚体； 在至少一个准直光源和所述大量感光性单体之间设置掩模，所述掩模具有多个孔口； 在曝光时间段将来自所述至少一个准直光源的准直光束引导至所述掩模，所述准直光 束的一部分通过所述掩模的所述孔口并进入到所述感光性单体中，以通过所述大量感光性 单体的一部分形成多个聚合物波导管； 移除任何未固化的感光性单体，以留下包括多个有序单元的部分固化的三维有序微型 桁架结构，所述部分固化的三维有序微型桁架结构限定开口体积； 将所述部分固化的三维有序微型桁架结构加热到高于该部分固化的三维有序微型桁 架结构的玻璃化转变温度； 使所述微型桁架结构弹性变形，以形成部分固化的弯曲表面；和 使所述微型桁架结构热后固化，从而形成具有固化弯曲表面的所述弯曲的三维有序微 型桁架结构。
11. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤： 将涂层涂敷至所述多个有序单元。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述涂层包括选自由以下材料组成的组的材 料，所述组由镍（Ni)、铜（Cu)、金（Au)、银（Ag)、钌（Ru)、钼（Pt)、铭（Rh)、钴（Co)、铁（Fe)、 锌（Zn)、钛（Ti)、铝（A1)及其组合组成。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述将所述涂层涂敷至所述多个有序单元的 步骤包括将金属涂层电镀到所述多个有序单元上。
14. 根据权利要求11所述的方法，其中，所述将所述涂层涂敷至所述多个有序单元的 步骤包括将金属涂层化学镀到所述有序单元上。
15. 根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤： 在将所述涂层涂敷到所述多个有序单元之后，将所述聚合物波导管从所述弯曲的三维 有序微型桁架结构移除。
16. 根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤： 将面板连接至所述多个有序单元的侧部。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述将所述面板连接至所述多个有序单元的 侧部的步骤出现在使所述部分固化的三维有序微型桁架结构弹性变形成所述弯曲表面之 N / . 刖。
18. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述将所述面板连接至所述部分固化的三维 有序微型桁架结构的侧部的步骤出现在使所述部分固化的三维有序微型桁架结构变形成 所述弯曲表面之后。
19. 根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤： 在将所述面板连接至所述弯曲的三维有序微型桁架结构的侧部之后，将金属涂层电镀 至所述弯曲的三维有序微型桁架结构。
20. 根据权利要求16所述的方法，还包括以下步骤： 在将所述面板连接至所述弯曲的三维有序微型桁架结构的侧部之后，将金属涂层化学 镀至所述弯曲的三维有序微型桁架结构。
【文档编号】F28F1/40GK104114478SQ201280060393
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年12月6日
【发明者】A·J·雅各布森, T·A·舍德勒, C·S·罗珀 申请人:Hrl实验室有限责任公司