低孔隙率拉胀片材的制作方法
【技术领域】
[0001 ]大体而言，本公开涉及具有工程化孔隙结构的固体。
【背景技术】
[0002]具有工程化孔隙结构的固体的实例有很多，此类工程化孔隙结构尤其是为材料和应用提供了多种机械特性、声学特性和热学特性。
[0003]US Pat.N0.5，233，828公开了用于燃气轮机燃烧室衬里的工程化孔隙结构的实例。燃气轮机燃烧室的操作温度接近并可超过3，000°F。因此，将燃烧室衬里设置在燃烧室内部，以对发动机的周围环境进行隔离并防止对燃气轮机的其它部件造成热损伤。为使跨越燃烧室衬里的温度差和压力差最小化，通常以连续模式配置的间隔的冷却孔的形式提供例如US Pat.N0.5,233,828中示出的冷却槽。
[0004]WO 2008/137201公开了用于燃气轮机燃烧室衬里的工程化孔隙结构的另一实例。在TO 2008/137201中，该衬里包含多个小的、紧密间隔的膜冷却孔，以提供沿衬里的冷侧(SP，在相邻的通道中与相对较冷的空气接触的一侧)至衬里的热侧(S卩，面向热的燃烧气体的一侧)的冷却膜。公开了这些冷却孔具有贯通衬里厚度的非均匀直径，同时冷侧的孔具有比起处于热侧的孔的第二直径更小的第一直径，由此提供不同于1.0的纵横比(例如，第二直径与第一直径的比可为3.0至5.0)。
[0005]US Pat.N0.8,066，482示出了具有特定的工程化孔隙结构的燃烧室衬里的另一实例，其中，该孔隙包括椭圆形冷却孔，该冷却孔在冷侧具有第一尺寸，并在热侧具有更大的第二尺寸，由此表现出大于I的纵横比。US Pat.N0.8，066，482进一步公开了将椭圆形冷却孔定向为平行于应力场，从而使曲率半径扩展了应力场并降低了应力集中。
[0006]EP 0971172 Al同样示出了用于燃气轮机的燃烧区中的穿孔衬里的另一实例。
[0007]最近，例如上文提及的燃烧室衬里被设计成具有特定的孔隙结构或孔隙率，根据情况，对孔隙率给出种定义:孔的面积相对于结构的面积的比、或者孔的体积相对于结构的体积的比。已知的椭圆形孔隙具有高达50的纵横比，以获得期望的冷却行为，但这些已知的椭圆形孔隙在末端处导致非常高的应力。
[0008]图1(a)是Y轴上的泊松比u相对于X轴上的应变而言的曲线图，示出了在橡胶试验样本(由圆形数据点表示)上进行的实验测试结果和数值测试结果(有限元建模)(由介于上、下虚线之间的实线表示)两者的负泊松比行为。竖直虚线表示标称应变ε。，即达到临界真塑性应变的点，如所示出的，该标称应变为-0.05。如图1(b)-图1(d)的发展所示，持续产生越来越低的泊松比的值，直至其最终越过零而变为负值。在这些研究中，已经确定的是如果多孔试验样本具有足够强烈的变形，则可以持续表现负泊松比(“NPR”)的状态。因此，尽管如同大多数常规材料一样，橡胶通常表现出正泊松比，但是椭圆形孔的特定排列(arrangement)则确定引起正泊松比，以表现出伪拉胀(pseudo-auxetic)性质。
【发明内容】
[0009]本公开的方面涉及具有工程化孔隙结构的固体、例如固体片材，该工程化孔隙结构使得固体具有正泊松比，从而在向固体施加应力时表现出伪拉胀行为。因此，具有正泊松比的材料可在结构上加以修饰，以在微观上表现为本构思所述的具有负泊松比的材料(例如，如果受到拉力，该材料将伸展;如果受到压缩力，该材料将收缩)。
[0010]当材料沿特定轴压缩时，最常观察到它们在与所施加负载成正交的方向上伸展。表征该行为的性质是泊松比，泊松比被定义为负的横向应变与纵向应变之间的比。大多数材料以正泊松比为特征，橡胶的泊松比为约0.5，并且玻璃和钢的泊松比为约0.3。当压缩(拉伸)时，具有负泊松比的材料将在横向方向上收缩(伸展)，尽管它们理论上可以存在，但相对近期才通过实际例子得以证明。Lakes在1987年首先报道了具有负泊松比的材料(也称为拉胀材料)的发现和发展。研究表明拉胀行为涉及材料的微观结构与其变形之间的相互作用。通过以下发现提供了这种实例:具有立方晶格的材料、天然层状陶瓷、铁-电多晶陶瓷和沸石均可表现出负泊松比行为。此外，已提出了多种几何形状和机制来实现泊松比的负值，包括具有凹状结构的泡沫、分层的层压板、聚合泡沫和金属泡沫。
[0011]另外，还使用通过软光刻技术制造的复合材料在微米级上证明了负泊松比效应，并使用碳纳米管的片材组件在纳米级上证明了负泊松比效应。在具有拉胀性质的材料制造中的重大挑战是该材料通常涉及在主体基质内具有复杂几何形状的嵌入结构。就这点而言，在朝向应用的实际开发过程中，制造工艺已经成为功能性限制。形成许多拉胀材料的基础的结构具有多孔固体，并且这些材料的变形研究是相对成熟的领域，主要的重点在于屈曲(buckling)现象在承载能力以及压缩负载下的能量吸收方面的作用。最近，实验和数值研究的综合结果显示出，2D周期性多孔结构中的机械不稳定性可引发原始几何形状的巨大转变。特别是，发现了弹性基体中的圆形孔的方形排列的单轴负载产生更替的、相互正交的椭圆形图案。这是由高于所施加的应变的临界值的弹性不稳定性引起。在不稳定水平上观察到的几何重组是可逆且可重复的，几何重组发生在所施加负载的窄范围内。因此，这种行为对具有能够可逆转换性质的转变材料的提供了机会。此外，显示出图案的转变导致2D结构的单向负泊松比行为，即，它仅仅发生于压缩条件下。样品的简单制造过程与所观察到的现象的稳健性(robustness)共同表明，这可形成用于在长度尺度的大范围内构建平面拉胀材料的实用方法的基础。
[0012]根据本公开的一个方面，包含细长孔隙结构的排列的低孔隙率片材材料，细长孔隙结构各自包含一种或多种亚结构，即，第一类多元的第一细长孔隙结构和第二类多元的第二细长孔隙结构，第一细长孔隙结构和第二细长孔隙结构各自具有长轴和短轴，第一细长孔隙结构的长轴垂直于第二细长孔隙结构的长轴，第一类多元的细长孔隙结构和第二类多元的细长孔隙结构以行和列的阵列排列，各行和各列中在第一长孔隙结构和第二细长孔隙结构之间更替，其中，该细长孔隙结构的孔隙率低于约10%。
[0013]本公开的另一方面所述的是形成伪拉胀材料的方法，所述方法包括以下行为:提供至少半刚性的本体(body);以及在该本体中形成第一细长孔隙结构和第二细长孔隙结构。细长孔隙结构各自具有长轴和短轴，第一细长孔隙结构的长轴至少大体上垂直于第二细长孔隙结构的长轴，将细长孔隙结构以行和列的阵列排列，各行和各列中在第一细长孔隙结构和第二细长孔隙结构之间更替，其中，调整该细长孔隙结构的尺寸以在应力下表现出负泊松比行为。
[0014]以上内容并不旨在代表本公开的各实施方式或各方面。相反，该内容仅提供本文中出现的具有一些新的特征的示例。当结合附图和所附的权利要求书时，上述特征和优点及本发明的其它特征和优点将通过以下用于实施本发明的示例性实施方式和模式的详细描述而变得显而易见。
【附图说明】
[0015]图1(a)-图1(d)分别为包含椭圆形通孔的固体的实验数据和计算机建模数据的应变相对于泊松比的图，以及对应于图的特定数据点的结构代表。
[0016]图2表示具有工程化孔隙结构的固体中的负载路径(loadpath)，该工程化孔隙结构包含提供40%孔隙率的椭圆形孔。
[0017]图3表示具有工程化孔隙结构的固体中的负载路径，该工程化孔隙结构包含本公开的多个方面所述的槽和停止孔(S top ho I e)的排列。
[0018]图4表示具有工程化孔隙结构的固体中的负载路径，该工程化孔隙结构包含本公开的多个方面所述的槽的排列。
[0019]图5(a)-图5(b)描绘了工程化孔隙结构的实例，该工程化孔隙结构包含本构思的多个方面所述的通孔的排列，该通孔分别包含大纵横比的椭圆和双T形槽。
[0020]图6示出了本构思的多个方面所述的材料的代表，该材料包含工程化孔隙结构的排列，该工程化孔隙结构的排列使材料表现出负泊松比(NPR)行为。
[0021]图7示出了在包含根据本构思的多个方面的图6所述的工程化孔隙结构的材料中的单位晶胞的代表。
[0022]图8(a)-图8(c)描绘了具有工程化孔隙结构的固体的实例，该工程化孔隙结构包含本公开的多个方面所述的通孔的排列，示出了响应于所施加的局部热应力的相邻的单元位置(unit locat1ns)之间的应力流(示于图8(b)中)。
[0023]图9-图30描绘了本文所公开的构思的各个方面和实例。
[0024]虽然本公开的各方面易受各种修改及替代形式的影响，但通过附图中举例的方式示出具体的实施方式，并将在本文中详细描述。然而应当理解的是，本发明并不旨在限定于所公开的特定形式。相反，本发明将涵盖落入所附的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内