具有同向曲率变形特性的夹层板材及其制造方法

本发明涉及夹层板材及其制造方法，特别是能够有效应用于可穿戴设备(wearabledevice)的夹层板材及其制造方法。

背景技术：

在不久的将来，预计移动设备将发展成为可穿戴设备(weabledevice)形态。可穿戴设备不仅需要轻便，作为结构材还应当具有强度且柔软，而且身体密合性乃至穿戴性也应当优异。特别是，如臀部、胸、手臂或腿的肌肉那样预计将附着可穿戴设备的部位由于大部分为凸起的形状，因此为了提高可穿戴设备对于身体的密合性，可穿戴设备的柔性变形需要按照相应身体部位的凸起的形态来进行。

该情况下，与凸起的身体部位接触时发生的可穿戴设备的变形可以认为是由弯曲力矩引起的变形，由这样的弯曲力矩引起的变形特性以及基于其的身体密合性根据所使用的材料的不同而可以不同。具体而言，图1示出了在x-z平面上对于较大的板状结构材作用z方向弯曲力矩时发生的两种变形形态。如图1的(a)所示，具有正(+)值的泊松比的一般的固体结构材具有由弯曲力矩引起的弯曲在x-y平面和y-z平面上朝向彼此相反的方向发生的反背曲率(anticlasticcurvature)变形特性。在将这样的具有反背曲率的变形特性的板状结构材应用于可穿戴设备的情况下，对于凸起的身体部位的密合性不佳。另一方面，如图1的(b)所示，如后述的拉胀性材料那样具有负(-)值的泊松比的固体结构材具有由弯曲力矩引起的弯曲在x-y平面和y-z平面上朝向彼此相同的方向发生的同向曲率(synclasticcurvature)变形特性，在将这样的具有同向曲率变形特性的板状结构材应用于可穿戴设备的情况下，密合性优异(y.liuandh.hu,scientificresearchandessays(科研随笔)vol.5,pp.1052-1063,2010.a.aldersonandk.l.aldersonproc.imechepartg:j.aerospaceengineering(机械工程师学会会报，g部分：航空航天工程杂志),vol.221,pp.565-575,2007.)。

一般而言，材料在拉伸时会在与拉伸方向垂直的方向上发生收缩，相反，在压缩时会在与压缩方向垂直的方向上发生伸长。即，朝向与负荷施加方向垂直的方向的变形(横变形)与朝向载荷施加方向的变形(纵变形)彼此相反，通常的材料的情况下，对横变形与纵变形之比赋予负(-)值而定义的泊松比(poisson'sratio)具有正(+)值，由弯曲力矩引起的变形特性如上述图1的(a)所示。与此相对，具有特定结构的材料的情况下，会具有负(-)的泊松比，将这样的材料即称为拉胀性材料(auxeticmaterial)。这样的拉胀性材料可以具有二维或三维结构，而且可以在分子结构之类的微观水平至数厘米单位的宏观水平的宽的范围内进行确认。图2和图3示出了以往已知的代表性拉胀性材料的二维和三维结构图(juancarlosa′lvarezelipeandandre′sd′|azlantada,smartmater.struct.(智能材料结构),vol.21,articleid.105004,2012.)。

这里，所谓二维拉胀性材料或结构体是指结构为二维且变形仅在面内(in-plane)发生的结构体，三维拉胀性结构体是指结构和变形均在三维空间中定义。

这样的二维或三维拉胀性材料根据其几何结构而具有固有的名称。此外，在开放型发泡材(foammaterial)的情况下，已知如果在彼此垂直的3个方向上进行压缩，则会变形成上述凹陷结构(re-rentrantstructure)而能够赋予拉胀性材料的特性(r.s.lakes,science(科学),vol.235,pp.1038-1040,1987.)。

但是，在只利用这样的拉胀性材料来构成板状结构材的情况下，为了具有如图1的(b)那样的同向曲率变形特性，需要使用图3之类的三维拉胀性材料，无法使用图2那样的二维拉胀性材料。其原因在于，具体而言，如图4所示，为了使具有预定厚度的板状结构材在作用z轴方向的弯曲力矩mz时产生同向曲率变形特性，在中性面上部，在x轴方向上受到拉伸应力的部分在与其垂直的z方向上也需要产生拉伸变形，且在中性面下部，在x轴方向上受到压缩应力的部分在与其垂直的z方向也需要产生压缩变形，但是在二维拉胀性材料的情况下，在厚度方向上仅发生均匀的变形，以位于其厚度内部的弯曲力矩的中性面为基准，上下方向不会发生彼此不同的变形行为。但是，仅用三维拉胀性材料制作可穿戴设备用板状结构材的情况下，为了在以弯曲力矩的中性面为基准厚度相对薄的上下部分实现彼此相反方向的变形行为而产生同向曲率变形特性，需要将三维拉胀性材料的单元体(unitcell)形成得非常微小，因此制造难度变大且结构材的强度变得过低，在应用于可穿戴设备方面存在实际限制。

另一方面，已知夹层板材一般是由厚的多孔性/低强度的芯材(core)和附着于其两面的薄的高密度/高强度的面材(facesheet)这两种材料形成的结构材，按照面材承担弯曲力矩、芯材承担相对低的剪切力的方式设计，相对于重量具有高强度和刚性。作为近年来将拉胀性材料应用于夹层板材的例子，报告了针对将拉胀性材料构成为芯材且将普通(conventional)的材料构成为面材的夹层板材的研究，但这种结构的夹层板材是用于制造抗冲击性强或具有曲面形状的板材，与改善由弯曲力矩引起的变形特性问题无关。

技术实现要素：

技术课题

本发明提供由于轻薄且具有所需的强度和刚性、同时在柔性变形时具有同向曲率变形特性而尤其能够有效用作可穿戴设备的结构材的夹层板材及其制造方法。

解决课题的方法

本发明人在研究利用两种材料层叠附着而成的夹层板材来作为与上述解决课题相关的可穿戴设备用结构材的方案的过程中，确认到在以二维拉胀性材料作为面材而附着于普通(conventional)的芯材两面的形态构成夹层板材的情况下，能够进行轻薄制作，而且具有可穿戴设备所要求的预定的强度和刚性，尤其附着于芯材两面的二维拉胀性材料分别在弯曲力矩中性面的上下进行彼此相反方向的拉胀性行为而使板材整体具有同向曲率变形特性，从而也能够实现优异的穿戴性，另一方面，了解到能够克服单纯由利用三维拉胀性材料的薄的板状结构材构成时制造难度变大且结构材的强度变得过低而应用于可穿戴设备时成为障碍的实际限制，从而完成了本发明。基于针对上述解决课题的认知和了解，本发明的主旨如下。

(1)一种夹层板材，其特征在于，包含芯材、以及附着于上述芯材的两面的面材，上述面材为二维拉胀性材料。

(2)如上述(1)所述的夹层板材，其特征在于，基于弯曲力矩的中性面形成于上述芯材。

(3)如上述(1)所述的夹层板材，其特征在于，上述芯材为多孔性材质。

(4)如上述(1)所述的夹层板材，其特征在于，上述芯材为聚合物、陶瓷或金属中的任一种。

(5)如上述(1)所述的夹层板材，其特征在于，上述面材为金属、聚合物、陶瓷或复合材料。

(6)如上述(1)所述的夹层板材，其特征在于，上述面材的密度、强度和刚性大于上述芯材。

(7)一种夹层板材制造方法，其特征在于，包括加工面材的步骤、以及将面材附着于芯材的两面的步骤，上述面材加工成具有二维拉胀性结构。

(8)如上述(6)所述的夹层板材制造方法，其特征在于，具有二维拉胀性结构的上述面材的加工是，以片状母材为对象，通过利用激光、电子束、放电或喷水的线形切割加工来实施，或者通过光刻法、冲压加工或蚀刻来实施。

(9)如上述(6)所述的夹层板材制造方法，其特征在于，具有二维拉胀性结构的上述面材的加工通过对单向(uni-directional)复合材料进行编织或形成为斜交层叠结构(angle-plylaminatesstructure)来实施。

发明效果

本发明的夹层板材的情况下，具有在普通的芯材两面附着二维拉胀性材料作为面材的形态，从而能够进行轻薄制作，也能够赋予预定的强度和刚性，而且按三维拉胀性材料而相对于弯曲力矩赋予同向曲率变形行为，改善与被覆物的密合性，由此能够有效用作可穿戴设备的结构材。此外，将二维拉胀性材料线加工成面材形态后，对于普通的芯材能够利用单纯附着的方式以低费用简单地制造，并且赋予相当于三维拉胀性材料的行为，因此可以容易地克服以往利用三维拉胀性材料单纯构成薄的板状结构材时制造难度变大且结构材的强度过度降低而在应用于可穿戴设备时成为障碍的实际局限。此外，外形漂亮，容易通过组合面材和芯材的材料以及结构来调节机械物性，制作明显容易。此外，在使用导电性面材的情况下，可以赋予电波信号的接收或屏蔽功能。

附图说明

图1是由施加z-方向弯曲力矩导致的板状结构材的变形特性的示意图。

图2是以往已知的例子的二维拉胀性材料的结构图。

图3是以往已知的例子的三维拉胀性材料的结构图。

图4是用于体现施加z-方向弯曲力矩时同向曲率变形特性的变形示意图。

图5是根据本发明的实施例的夹层板材的结构图。

图6是施加z-方向弯曲力矩时根据本发明的实施例的夹层板材的变形特性的示意图。

图7是根据本发明的实施例制造的二维拉胀性面材的俯视照片。

图8是根据本发明的另一实施例制造的二维拉胀性面材的俯视照片。

图9是根据本发明的实施例构成夹层板材的片状聚氨酯发泡材的照片。

图10是根据本发明的实施例将图7的面材应用于图9的芯材而成的夹层板材的照片。

图11是根据本发明的实施例将图8的面材应用于图9的芯材而成的夹层板材的照片。

具体实施方式

以下，通过实施例来详细说明本发明。在前声明，本说明书以及权利要求书中使用的用语或词汇不应限定为通常或词典中的含义来解释，基于发明人为了以最佳的方法来说明自己的发明而可以适当定义用语的概念的原则，应当按照符合本发明的技术思想的含义和概念来进行解释。由此，本说明书中记载的实施例的构成仅是本发明的最优选的一个实施例，不代表本发明的所有技术思想，因此应当理解在本发明申请的时间点可以存在能够代替它们的多种多样的等同物和变形例。另一方面，附图中对于相同或等同物赋予了相同或类似的附图标记，而且，在说明书上下文中，当指出某一部分“包含”某一构成要素时，除非存在特别相反的记载，则其意思是可以进一步包含其他构成要素，而不是将其他构成要素排除。

图5示出了本发明的实施例的夹层板材10的结构图。上述夹层板材10包含芯材110、以及附着于芯材110的两面的面材120a、120b而构成。

上述芯材110起到支撑上部面材120a和下部面材120b的作用，且起到沿夹层厚度方向分别将上部面材120a和下部面材120b以弯曲力矩的中性面(cf)为基准分离成单独的体积单元的作用。这样的芯材110只要是以薄型提供时能够进行柔性变形的材质就没有特别限制，优选由轻量多孔性聚合物构成，也可以为金属。进一步，作为一般轻质脆性材料而已知的陶瓷的情况下，近年来在制成纳米厚度时也能够进行柔性变形，因此也可以用作本发明的芯材110。此外，从轻量化方面考虑，这样的芯材110优选由多孔性材质或低密度材质构成，如果使用这样的多孔性或低密度材质的芯材110，则刚性会比面材120a、120b低，即变得柔软，泊松比接近于0，因此在面材120a、120b发生拉胀性变形时不受其限制而容易一起变形。但是，这样的芯材110优选基于与面材120a、120b的关系相对地决定，比如，即便是柔性材质，但作为如泊松比为+0.5的橡胶那样的非压缩性固体而可能会限制面材120a、120b的拉胀性变形的材料的情况下，作为芯材110可能并不合适。

上述面材120a、120b沿夹层板材10的厚度方向以弯曲力矩的中性面(cf)为基准形成上部和下部各自的体积单元，且对于夹层板材10整体赋予三维拉胀性材料特性，从而在施加弯曲力矩时起到赋予上述图1的(b)的同向曲率变形特性的作用。为此，上述面材的特征在于，上部面材120a和下部面材120b成对提供，且分别由二维拉胀性材料构成。

构成上述面材120a、120b的二维拉胀性材料的几何结构没有特别限制，比如，可以以图2所图示的多种多样的形态来提供。此外，上部面材120a和下部面材120b的二维拉胀性材料的几何结构彼此可以相同也可以不同。此外，面材120a、120b的材质也没有特别限制，可以考虑应用于可穿戴设备时所要求的柔性变形的程度、后述的对于二维几何结构的加工方法等来选择，优选这样的面材120a、120b相对于芯材110是具有高密度、高强度/刚性的材料，比如，除了金属以外，也可以由聚合物、陶瓷或复合材料来形成。

图6示出了根据本发明的实施例的对于夹层板材10施加z-方向弯曲力矩时关于变形特性的示意图。如图6的(a)所图示的那样，对于由芯材110和附着于两个表面的一对面材120a、120b形成的具有预定厚度的夹层板材10作用z轴方向的弯曲力矩mz时，基于弯曲力矩的中性面(cf)形成于上述芯材110的内部，从而上部面材120a和下部面材120b分别沿夹层板材10的厚度方向形成上部和下部各自的体积单元。该情况下，中性面(cf)的形成位置可以受到上部面材120a和下部面材120b的厚度以及杨氏模量的影响，通过调节这样的因素，能够使中性面(cf)的形成位置形成在芯材110内部。对于具有二维拉胀性材料的几何结构的上部面材120a而言，其在x轴方向上受到拉伸应力，在与其垂直的z方向上也进行拉伸变形，从而如图6的(b)所图示的那样在x-z平面上进行各向同性伸长。与此相反，对于另一具有二维拉胀性材料的几何结构的下部面材120b而言，其在x轴方向上受到压缩应力，在与其垂直的z方向也进行压缩变形，因而如图6的(c)所图示的那样在x-z平面上进行各向同性收缩。结果，施加弯曲力矩时，对于沿夹层板材10的厚度方向以中性面(cf)为基准分离成单独的体积单元的各上部面材120a和下部面材120b而言，夹层板材10因独立地形成的各向同性伸长和各向同性压缩变形而宏观上会具有图1的(b)所图示的那样的同向曲率变形特性，这可以诱导像为了满足薄厚度而仅由对单元体进行了微观控制的图3的拉胀性材料形成板状结构材的情况相同的变形行为。

另一方面，本发明的夹层板材10可以通过包括加工面材120a、120b的步骤以及将经加工的面材120a、120b附着于芯材110的两面的步骤从而以简单的方式制作，该情况下，上述加工面材120a、120b的步骤作为加工成具有二维拉胀性结构的步骤，可以通过多种多样的方式来实施。

图7示出了根据本发明的一实施例制造的三维拉胀性面材120a、120b的俯视照片。以金属材质的片状母材作为对象，利用光刻法(photolithography)对0.2mm厚度的不锈钢钢板雕刻了图2的(d)的二维拉胀性图案。图7中，二维拉胀性图案的尺寸根据用途的不同而进行了调节。一般而言，光刻法多用在电子制品的印刷电路基板(printedcircuitboard)加工工序中，适合于大量生产精密图案。利用光刻法在金属板表面印刷图案后，将露出的金属部分进行化学蚀刻而去除的方式。另一方面，虽然以这样的片状母材作为对象，但在不适合应用光刻法和蚀刻方法的聚合物或陶瓷材质的情况下，可以通过利用激光、电子束、放电或喷水的线形切割加工或通过冲压成型等机械加工方式来实现二维拉胀性图案。

图8示出了根据本发明的另一实施例制造的二维拉胀性面材120a、120b的俯视照片。图8的(a)是根据本发明的实施例的二维拉胀性面材120a、120b的其他例。将细切的多个单向预浸料(prepreg)线进行平织(plainweaving)而制成具有一定周期的网格形态，然后如图8的(b)所示，强制插入凹刻了图2的(h)的二维拉胀性图案的模具中而使线弯曲地进行变形，且加热而进行固化，从而得到网格形态的复合材面材120a、120b。进一步，在复合材的线之间的交叉接合部涂布少量超低粘度环氧树脂(epoxy)后，再次加热进行固化，从而防止彼此交叉的预浸料之间发生的剪切(shear)变形。该情况下，为了增大两方向复合材之间的结合力，也可以进行彼此编织。

另一方面，除了图8所示的编织单向复合材料的方式以外，这样的二维拉胀性面材120a、120b的加工还可以为将单向复合材预浸料按照特定倾斜的方向层叠从而形成所谓斜交层叠结构(angle-plylaminatesstructure)的方式(z.wang,a.zulifqar,h.hu,auxeticcompositesinaerospaceengineering(航空航天工程中的拉胀复合材料),2016.)。斜交层叠结构的二维拉胀性材料的制造中，使用利用专用软件以朝向面内或面外方向体现拉胀性的方式特别设计的层叠方法，本发明应用时可以使用以朝向面内方向具有拉胀性的方式制造的材料。

图9和图10分别示出了本发明的实施例的芯材110和夹层板材10的实现例。图9示出了针对作为用作芯材110的片状的聚合物面材120a、120b的聚氨酯发泡材的实物照片，图10示出了将图7的金属面材120a、120b利用环氧树脂附着于图9的芯材110而完成的夹层板材10的实物照片。图11示出了将对单向复合材料进行编制(平织)而制作的图8的面材120a、120b附着于图9的芯材110而完成的夹层板材10的实物照片。

如上所述，本发明的夹层板材10的情况下，具有在普通的芯材110的两面附着有二维拉胀性材料作为面材120a、120b的形态，从而能够进行轻薄制作，也能够赋予预定的强度和刚性，而且按三维拉胀性材料而相对于弯曲力矩赋予同向曲率变形行为，改善与被覆物的密合性，由此能够有效用作可穿戴设备的结构材。此外，将二维拉胀性材料线加工成面材120a、120b后，对于普通的芯材110能够利用单纯附着的方式以低费用简单地制造，并且赋予相当于三维拉胀性材料的行为，因此可以容易地克服以往利用三维拉胀性材料单纯构成薄的板状结构材时制造难度变大且结构材的强度过度降低而在应用于可穿戴设备时成为障碍的实际局限。此外，在金属面材120a、120b的情况下，也可以利用固有的光泽和拉胀性结构固有的图案来实现漂亮的外观，容易通过组合面材120a、120b和芯材110的材料以及结构来调节机械物性，且制作明显容易。此外，在使用导电性面材120a、120b的情况下，可以赋予屏蔽功能或者兼作移动设备的天线使用，能够接收电波信号。

以上的说明涉及本发明的具体实施例。本发明的上述实施例不应理解成限制作为说明的目的而公开的事项或本发明的范围，应当理解为只要是本技术领域的一般技术人员就能够不脱离本发明的本质地进行多种多样的变更以及修改。因此，可以理解为这样的所有修改和变更也属于权利要求书公开的发明的范围或它们的等同物。