具有重复的细长孔图案的孔隙结构的制作方法
具有重复的细长孔图案的孔隙结构的制作方法
【技术领域】
[0001]大体而言，本公开涉及孔隙结构和多孔固体。具体而言，本公开的方面涉及具有重复的孔图案的材料、以及使用这种材料的系统、方法和装置，该孔图案使得材料具有不同凡响的机械性能(如负泊松比)。
【背景技术】
[0002]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。表现出负泊松比行为的材料常常被称作“拉胀物(auxetics)”。众多研究结果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。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。
[0003]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，制造工艺已经成为朝向应用的实际开发过程中的瓶颈。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，发现了当阵列处于负载之下时，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循环的，几何重组发生在所施加负载的窄范围内。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。
[0004]Phillip D.Napoli的US专利N0.5,233,828( “‘828专利”)示出了在高温应用中使用的工程化结构构件(燃烧室衬里)的实例。燃烧室衬里通常用于燃气轮机的燃烧工段中。燃烧室衬里还可用于排气工段、或燃气轮机的其它工段或组件(例如轮机叶片)中。在操作中，燃烧室在非常高的温度下(例如约3，000°F或更高)燃烧气体。为防止这一强热在排出轮机之前损害燃烧室，将燃烧室衬里设置在燃烧室内部，以隔离开周围的发动机。为使跨越燃烧室衬里的温度差和应力差最小化，如‘828专利中所示，惯用的是提供冷却槽。‘828专利示出了环形燃烧室衬里的一部分，该衬里具有以连续模式排列的间隔开的冷却孔，通过该衬里的壁成一定角度。作为另一实例，James Page Strohl等的US专利Νο.8,066,482 Β2示出了工程化的结构构件的另一实例，该构件具有成形的冷却孔，以增强燃气轮机的期望区域的冷却，并减少冷却孔中及其周围处的应力水平。Dr.Jakob Ke 11 er的欧洲专利N0.EP0971172 Al同样示出了用于燃气轮机的燃烧区域中的带孔衬里的另一实例。在又一实例中，Mary C.Boyce等的US专利申请Pub.N0.2010/0009120 Al公开了许多变化的周期性结构，该结构包含在施加临界宏观应力(macroscopic stress)或应变时发生结构构型变化的弹性体固体或弹塑性的周期性固体。出于所有目的，通过引用的方式将所有的上述专利文件的相应的全部内容并入本文中。
【发明内容】
[0005]本公开的各方面涉及具有重复的细长孔图案的孔隙结构(也称为“拉胀材料”)，该孔隙结构提供了负泊松比行为。根据在处于外部负载下的橡胶样本中发现的收缩的(collapsed)孔隙形状，进一步的方面涉及具有孔隙形状的材料，该孔隙形状在无应力状态下产生，从而在材料中实现负的泊松比行为，而不会在制造过程中使材料收缩。本公开的其它方面涉及燃气轮机的热截面中的多功能空气通道。另外的方面涉及燃气轮机燃烧室，该燃烧室由来自具有特定孔隙结构的材料的壁制成，该孔隙结构提供了特定的热功能、阻尼功能和/或声学功能。此类功能包括例如，声衰减(或噪声阻尼)、应力降低(或负载阻尼)、以及热冷却(或热阻尼)。
[0006]根据本公开的一个方面，公开了孔隙结构。孔隙结构包含具有第一组多个第一细长孔和第二组多个第二细长孔的刚性或半刚性主体。细长孔各自具有长轴和短轴。第一细长孔的长轴垂直于第二细长孔的长轴。第一组多个细长孔和第二组多个细长孔以行和列的阵列排列。各行和各列中在第一细长孔和第二细长孔之间更替。也就是说，各行和各列可包含I O O个孔——在5 O个垂直取向的孔之间散布着5 O个水平取向的孔。协同地(cooperatively)对孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者之下实现负泊松比行为。
[0007]本公开的其它方面涉及制造孔隙结构的方法。该方法包括:提供刚性或半刚性主体；以及将第一细长孔和第二细长孔加入至刚性或半刚性主体中。细长孔各自具有长轴和短轴。第一细长孔的长轴垂直于第二细长孔的长轴。细长孔以行和列的阵列排列。各行和各列中在第一细长孔和第二细长孔之间更替。协同地对孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者之下实现负泊松比行为。能够以任何已知的方式将第一细长孔和第二细长孔加入至刚性或半刚性主体中，该方式包括通过微加工、干涉光刻、激光切割、或电子束切害J、或者它们的任意组合。
[0008]根据本公开的另一方面，公开了燃气轮机燃烧室。燃气轮机燃烧室包含具有多个垂直细长孔和多个水平细长孔的金属壁。细长孔各自具有垂直于短轴的长轴。垂直细长孔的长轴垂直于水平细长孔的长轴。细长孔以等距离的列垂直于等距离的行的阵列排列。各行和各列中在垂直细长孔和水平细长孔之间更替。细长孔具有预定的孔隙率和预定的纵横比，协同地对孔进行配置，以在宏观应力和应变负载(strain loadings)下实现负泊松比行为。
[0009]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一些新特征的示例。当结合附图和所附的权利要求书时，上述特征和优点及本公开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】
[0010]图1为泊松比相对于应变的曲线图，该图示出了根据本公开的各方面的多种代表性孔隙结构的负泊松比行为。
[0011]图2A-图2C为椭圆孔隙的三个不同的正方形阵列的图像，示出了根据本公开的各方面的不同的负泊松比行为。
[0012]图3提供了收缩孔的孔隙的正方形阵列的三个时间序列图像，根据本公开的各方面，该孔隙降低了由域中的热点引起的热应力。
[0013]图4为处于无应力状态的水平方向和垂直方向对齐的椭圆形孔的正方形阵列的图，根据本公开的各方面，该孔提供了负泊松比行为。
[0014]图5为处于无应力状态的水平方向和垂直方向对齐的双-T形孔的正方形阵列的图，根据本公开的各方面，该孔提供了负泊松比行为。
[0015]图6-图8示出了根据本公开各方面所述的不同的代表性的孔形状。
[0016]虽然本公开的各方面易受各种修改及替代形式的影响，但是在附图中以举例的方式示出了具体的实施方式，并将在本文中进行详细描述。然而应当理解的是，本发明并不旨在限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的所有修改、等价物和替代物。
【具体实施方式】
[0017]本发明容许多种不同形式的实施方式。将它们示于附图中，并将在本文中以本发明的详细的代表性实施方式进行描述，可以理解的是，本公开将被视为本发明的原理的示例，而并不旨在将本发明的广泛方面限于所示出的实施方式。达到如下程度，例如，在摘要、
【发明内容】
和【具体实施方式】部分公开的要素和限制，而未明确地在权利要求中阐明的内容，不应被单独或共同地通过暗示、推断或以其它方式并入权利要求书中。除非明确地排除在夕卜，为了当前的详细描述:单数包含复数，反之亦然;词语“和”以及“或”应同时为连接性和分离性的；词语“所有”意味着“任何/任意以及所有”；词语“任何/任意”意味着“任何/任意以及所有”；且词语“包含/包括(including和comprising)”意味着“包含/包括但不限于”。此外，本文能够以例如“处于、接近或接近于”、或“在3%-5%内”、或“在可接受的制造公差内”或它们的任意逻辑组合的含义使用表示近似的词语，如“约”、“几乎”、“实质上/大体上”、“大约”等。
[0018]本公开的各方面涉及孔隙结构，在无宏观负载的稳态环境中，该孔隙结构包含提供负泊松比(NPR)行为的重复的细长孔图案。泊松比(或“泊松系数”)通常可被定性为拉伸对象中的横向收缩应变与纵向延伸应变的比率。由于大多数材料(包括许多聚合物泡沫和多孔固体)在拉伸时在横截面上变得更薄，泊松比通常为正。本文中公开的孔隙结构表现出负泊松比行为。这些类型的材料也称为“拉胀物”或“拉胀材料”。
[0019]在一些公开的实施方式中，当结构在Y方向上被压缩时，由于相邻孔的排列方式，Y方向的应变产生围绕各晶胞中心的瞬间，引起晶胞旋转。各晶胞以与其最接近的相邻晶胞相反的方向旋转。这一旋转导致在水平相邻晶胞之间的X方向上的距离减小。换句话说，在Y方向上压缩结构使其在X方向上收缩。相反，在Y方向上拉伸引起在X方向上的扩展。在完整结构的规模下，这模拟了拉胀材料的行为。但是，本文中公开的许多结构由常规材料构成。“伪拉胀”行为是结构的突现性质。换句话说，该材料本身可具有正泊松比，但通过引入本文中公开的细长孔图案对结构进行修饰，该结构在微观条件下表现为具有负泊松比。
[0020 ]图1为泊松比相对于应变的曲线图，示出了图2A-图2C中示出的三种代表性的孔隙结构的泊松比行为。图1的图表示出了处于负载下的测试片的泊松比(PR)。在一定水平的变形下，可针对代表变形水平的参数(例如，标称应变)对“瞬时” PR进行确定和绘制。当设计者对于预期应用具有期望的NPR时，可查找对应于该PR的变形水平并确定在该条件下的孔的几何形状。然后，可在未受受力的部分上对该孔的形状图案进行加工(制造)，以获得具有期望PR的部件。
[0021 ]如图2B和图2C中所示，NPR细长孔图案可由水平定向的椭圆形孔和垂直定向的椭圆形孔(也称为“孔”或“椭圆”)构成。椭圆以垂直线和水平线在两个维度上均相等地间隔开(也即，ΔΧ= Δ Y)的方式排列在水平线和垂直线(例如，正方形阵列的行和列)上。各孔的中心位于两条线的交叉点。水平定向的椭圆和垂直定向的椭圆在垂直线和水平线上更替，从而使任意的垂直椭圆被水平椭圆沿着线包围(反之亦然)，而下一个垂直椭圆被发现于两条对角线上。由于孔隙的排列，它们还可作为冷却孔和/或阻尼孔，并且还可发挥应力降低特征的作用。
[0022]本文还公开了燃气轮机燃烧室，该燃烧室由来自具有本文中公开的任意的特定孔隙结构的材料的壁制成。在一些实施方式中，孔的形状直接在无应力的状态下于金属主体中产生，从而使孔的形状等同于在外部负载下的橡胶中发现的收缩的孔隙的形状，以在金属中获得负泊松比行为而无需在制造中使金属结构收缩。可将多种制造途径用于重现金属部件中的孔隙图案。该制造不必包含屈曲作为工艺步骤之一。本文中公开的孔隙结构并不限于燃烧室的壁;相反，可将这些特征并入轮机的其它部分(例如，叶片、翅片(vein)等)。
[0023]如果对于特定燃烧室应用而言，单个片材的孔隙率被判断为过高，则将两个以上的片材以偏置(offset)的方式进行层叠，以具有单一片材的最佳孔隙率而获得预期行为，并具有通过片材的最佳空气流以获得预定水平的冷却和/或阻尼。例如，将具有相同(或类似)图案的孔的两个片材并置，从而使孔对齐(例如，具有共同的中心轴)或故意不对齐(例如，相邻孔的中心轴径向偏移)，以协同地实现期望的热功能、机械功能和/或声学功能。
[0024]燃烧室的壁具有显现出的(宏观的)负泊松比的有利行为。甚至当这一结构是由常规金属制成时，当将它置于轴向压缩负载下时，它将在横向上收缩，而无需材料本身由具有负泊松比的材料制成。该行为由特定的孔隙结构触发。
[0025]在常规燃烧室的壁中，用于提供冷却空气流和阻尼的孔也充当了应力梯级(stress risers)。在一些公开的实施方式中，由于壁材料在热点处例如以垂直方向压靠其周围的材料，负泊松比将使该壁材料在水平方向上收缩，并且反之亦然。这一行为将显著降低热点处的应力。这一效果比仅仅降低刚度的影响更强烈。在热点处的应力降低了 50%，导致应力疲劳寿命增加了数个数量级。通过NPR行为的应力降低并不会增加燃烧室壁的空气消耗。这样可使用较长寿命，或者壁材料可由更便宜的材料替代，以显著降低成本。
[0026]我们还证明了，以2%_3%的百分率的椭圆形空气通道替代圆形燃烧室冷却孔降低了至少五倍的热机械应力，同时保持冷却和阻尼性能。例如，已预期到燃烧室中的椭圆形冷却孔在最糟的主应力方面产生五倍降低。通过诱导NPR行为，我们已将进一步的功能加入至我们的冷却孔。由赋予负泊松比行为的冷却孔的修饰造成最糟的主应力的五倍降低。在燃烧室-特定超合金的应力疲劳中，部件应力的减半使疲劳寿命增加了大于一个数量级。在一些实施方式中，超合金可为镍基超合金，如111001161(如11'1100、]^600、]^713)、￥38。3107、Rene 合金(例如Rene 4 K Rene 80、Rene 95、Rene N5)、Haynes 合金、Incoloy、MP98T、TMS 合金以及CMSX(如CMSX-4)单晶合金。
[0027]已经显示出，较低的孔隙率提供了增高的冷却功能。本文中使用的“孔隙率”可被定义为是指孔的表面积Aa除以结构的表面积As，或孔隙率= Aa/As。期望的是，在一些实施方式中，给定的孔隙结构的孔隙率约为I % -4 %，或者在一些实施方式中，给定的孔隙结构的孔隙率约为2%-3%，或者在一些实施方式中，给定的孔隙结构的孔隙率约为2%。许多现有技术的排列需要40%-50%的孔隙率。
[0028]细长孔可具有预定的最佳纵横比，以提供期望的NPR行为。本文中使用的孔的“纵横比”可被定义为是指孔的长度除以孔的宽度，或者孔的长轴长度除以孔的短轴长度。期望的是，在一些实施方式中，孔的纵横比为约5-40，或者在一些实施方式中，孔的纵横比为约30-40。最佳的NPR可为例如-0.5。可在用毫米水平的图案长度尺度制成的结构图案上对所公开的发明的各方面进行证明，并且同样适用于具有处于更小的长度尺度(例如，微米、亚微米和纳米长度尺度)的相同的周期性图案的结构。
[0029]孔的几何形状可采用多种形状、尺寸和取向。图2B和图2C示出了采用椭圆形的孔。比起图2A-图2C中示出的纵横比，图7和图9示出了采用椭圆形式的孔具有更高的纵横比。图3示出了采用收缩孔形状的孔。图8和图11示出了采用I形或双T形形式的孔。图10示出了采用具有通过直槽或主干(stem)连接的两个停止孔(stop hole)的杠铃形的孔。可对形状进行修饰和/或由一个应用演变至另一应用。此外，这些形状可根据所采用的制造过程而改变。在晶胞以本文上述的方式进行旋转的情况下，任意构造均能产生NPR行为。
[0030]尽管上文已对实施本发明的众多【具体实施方式】和模式进行了详细描述，本发明所涉及的领域的技术人员将认识到，用于实施本发明的各种替代设计和实施方式均在所附的权利要求书的范围内。
【主权项】
1.一种孔隙结构，所述结构包含: 具有第一组多个第一细长孔和第二组多个第二细长孔的刚性或半刚性主体，所述细长孔各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔的长轴垂直于所述第二细长孔的长轴，所述第一组多个细长孔和所述第二组多个细长孔以行和列的阵列排列，所述各行和所述各列中在所述第一细长孔和所述第二细长孔之间更替，协同地对所述孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者下实现负泊松比行为。2.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述第一细长孔和所述第二细长孔为椭圆形。3.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述第一细长孔和所述第二细长孔为I形。4.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述第一细长孔和所述第二细长孔各自包含通过主干连接的间隔开的孔。5.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述主体包括金属壁。6.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，细长槽各自的长轴和短轴是垂直的。7.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述行彼此相等地间隔开，并且所述列彼此相等地间隔开。8.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔各自的中心定位于所述阵列的一行和一列的相应的交叉点处。9.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，协同地对所述孔进行配置，以提供预定的热冷却特性和声学阻尼特性。10.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔具有预定的孔隙率和预定的纵横比，协同地对所述孔进行配置，以在宏观应力和应变负载下实现负泊松比行为。11.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，当处于无应力状态时，所述细长孔存在于所述刚性或半刚性主体中。12.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔的预定孔隙率为约1%-4%。13.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔各自的纵横比为约5-40。14.一种制造孔隙结构的方法，所述方法包括: 提供刚性或半刚性主体；以及 将第一细长孔和第二细长孔加入至所述刚性或半刚性主体中，其中，所述细长孔各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔的长轴垂直于所述第二细长孔的长轴，所述细长孔以行和列的阵列排列，所述各行和所述各列中在所述第一细长孔和所述第二细长孔之间更替，协同地对所述孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者下实现负泊松比行为。15.如权利要求14所述的方法，其中，通过微加工、干涉光刻、激光切割或电子束切割、或者它们的任意组合，将所述第一细长孔和所述第二细长孔加入至所述刚性或半刚性主体中。16.一种燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包含: 具有多个垂直细长孔和多个水平细长孔的金属壁，所述细长孔各自具有垂直于短轴的长轴，所述垂直细长孔的长轴垂直于所述水平细长孔的长轴，所述多个细长孔以等距离的列垂直于等距离的行的阵列排列，所述各行和各列中在所述垂直细长孔和所述水平细长孔之间更替， 其中，所述细长孔具有预定的孔隙率和预定的纵横比，协同地对所述孔进行配置，以在宏观应力和应变负载下实现负泊松比行为。
【专利摘要】本文公开了孔隙结构、具有孔隙结构的系统和装置、以及制造孔隙结构的方法。公开了具有重复的细长孔图案的孔隙结构，该图案被设计用来在宏观应力和应变负载下提供负泊松比行为。该图案可包含以如下方式排列在水平线和垂直线上的水平的椭圆形孔和垂直的椭圆形孔，该水平线和垂直线在两个维度上均以相等的距离间隔开。各孔的中心位于两条线的交叉点上。垂直的椭圆形孔和水平的椭圆形孔在水平线和垂直线上更替，从而使任意垂直孔均被水平孔沿着线包围(反之亦然)，并且发现下一垂直孔位于两条对角线上。由于孔隙的排列，它们还可以发挥冷却和/或阻尼孔的作用、以及发挥应力降低特征的作用。
【IPC分类】B63H1/14, F04D29/58
【公开号】CN105555657
【申请号】CN201480024260
【发明人】卡蒂娅·贝托尔迪, 迈克尔·泰勒, 阿里·沙尼安, 米克洛斯·格里安达斯, 卡尔·卡森
【申请人】哈佛大学校长及研究员协会, 劳斯莱斯加拿大有限公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年3月13日
【公告号】CA2907119A1, EP2969740A1, US20160025343, WO2014197059A1
【技术领域】
[0001]大体而言，本公开涉及孔隙结构和多孔固体。具体而言，本公开的方面涉及具有重复的孔图案的材料、以及使用这种材料的系统、方法和装置，该孔图案使得材料具有不同凡响的机械性能(如负泊松比)。
【背景技术】
[0002]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。表现出负泊松比行为的材料常常被称作“拉胀物(auxetics)”。众多研究结果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。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。
[0003]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，制造工艺已经成为朝向应用的实际开发过程中的瓶颈。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，发现了当阵列处于负载之下时，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循环的，几何重组发生在所施加负载的窄范围内。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。
[0004]Phillip D.Napoli的US专利N0.5,233,828( “‘828专利”)示出了在高温应用中使用的工程化结构构件(燃烧室衬里)的实例。燃烧室衬里通常用于燃气轮机的燃烧工段中。燃烧室衬里还可用于排气工段、或燃气轮机的其它工段或组件(例如轮机叶片)中。在操作中，燃烧室在非常高的温度下(例如约3，000°F或更高)燃烧气体。为防止这一强热在排出轮机之前损害燃烧室，将燃烧室衬里设置在燃烧室内部，以隔离开周围的发动机。为使跨越燃烧室衬里的温度差和应力差最小化，如‘828专利中所示，惯用的是提供冷却槽。‘828专利示出了环形燃烧室衬里的一部分，该衬里具有以连续模式排列的间隔开的冷却孔，通过该衬里的壁成一定角度。作为另一实例，James Page Strohl等的US专利Νο.8,066,482 Β2示出了工程化的结构构件的另一实例，该构件具有成形的冷却孔，以增强燃气轮机的期望区域的冷却，并减少冷却孔中及其周围处的应力水平。Dr.Jakob Ke 11 er的欧洲专利N0.EP0971172 Al同样示出了用于燃气轮机的燃烧区域中的带孔衬里的另一实例。在又一实例中，Mary C.Boyce等的US专利申请Pub.N0.2010/0009120 Al公开了许多变化的周期性结构，该结构包含在施加临界宏观应力(macroscopic stress)或应变时发生结构构型变化的弹性体固体或弹塑性的周期性固体。出于所有目的，通过引用的方式将所有的上述专利文件的相应的全部内容并入本文中。
【发明内容】
[0005]本公开的各方面涉及具有重复的细长孔图案的孔隙结构(也称为“拉胀材料”)，该孔隙结构提供了负泊松比行为。根据在处于外部负载下的橡胶样本中发现的收缩的(collapsed)孔隙形状，进一步的方面涉及具有孔隙形状的材料，该孔隙形状在无应力状态下产生，从而在材料中实现负的泊松比行为，而不会在制造过程中使材料收缩。本公开的其它方面涉及燃气轮机的热截面中的多功能空气通道。另外的方面涉及燃气轮机燃烧室，该燃烧室由来自具有特定孔隙结构的材料的壁制成，该孔隙结构提供了特定的热功能、阻尼功能和/或声学功能。此类功能包括例如，声衰减(或噪声阻尼)、应力降低(或负载阻尼)、以及热冷却(或热阻尼)。
[0006]根据本公开的一个方面，公开了孔隙结构。孔隙结构包含具有第一组多个第一细长孔和第二组多个第二细长孔的刚性或半刚性主体。细长孔各自具有长轴和短轴。第一细长孔的长轴垂直于第二细长孔的长轴。第一组多个细长孔和第二组多个细长孔以行和列的阵列排列。各行和各列中在第一细长孔和第二细长孔之间更替。也就是说，各行和各列可包含I O O个孔——在5 O个垂直取向的孔之间散布着5 O个水平取向的孔。协同地(cooperatively)对孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者之下实现负泊松比行为。
[0007]本公开的其它方面涉及制造孔隙结构的方法。该方法包括:提供刚性或半刚性主体；以及将第一细长孔和第二细长孔加入至刚性或半刚性主体中。细长孔各自具有长轴和短轴。第一细长孔的长轴垂直于第二细长孔的长轴。细长孔以行和列的阵列排列。各行和各列中在第一细长孔和第二细长孔之间更替。协同地对孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者之下实现负泊松比行为。能够以任何已知的方式将第一细长孔和第二细长孔加入至刚性或半刚性主体中，该方式包括通过微加工、干涉光刻、激光切割、或电子束切害J、或者它们的任意组合。
[0008]根据本公开的另一方面，公开了燃气轮机燃烧室。燃气轮机燃烧室包含具有多个垂直细长孔和多个水平细长孔的金属壁。细长孔各自具有垂直于短轴的长轴。垂直细长孔的长轴垂直于水平细长孔的长轴。细长孔以等距离的列垂直于等距离的行的阵列排列。各行和各列中在垂直细长孔和水平细长孔之间更替。细长孔具有预定的孔隙率和预定的纵横比，协同地对孔进行配置，以在宏观应力和应变负载(strain loadings)下实现负泊松比行为。
[0009]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一些新特征的示例。当结合附图和所附的权利要求书时，上述特征和优点及本公开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】
[0010]图1为泊松比相对于应变的曲线图，该图示出了根据本公开的各方面的多种代表性孔隙结构的负泊松比行为。
[0011]图2A-图2C为椭圆孔隙的三个不同的正方形阵列的图像，示出了根据本公开的各方面的不同的负泊松比行为。
[0012]图3提供了收缩孔的孔隙的正方形阵列的三个时间序列图像，根据本公开的各方面，该孔隙降低了由域中的热点引起的热应力。
[0013]图4为处于无应力状态的水平方向和垂直方向对齐的椭圆形孔的正方形阵列的图，根据本公开的各方面，该孔提供了负泊松比行为。
[0014]图5为处于无应力状态的水平方向和垂直方向对齐的双-T形孔的正方形阵列的图，根据本公开的各方面，该孔提供了负泊松比行为。
[0015]图6-图8示出了根据本公开各方面所述的不同的代表性的孔形状。
[0016]虽然本公开的各方面易受各种修改及替代形式的影响，但是在附图中以举例的方式示出了具体的实施方式，并将在本文中进行详细描述。然而应当理解的是，本发明并不旨在限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的所有修改、等价物和替代物。
【具体实施方式】
[0017]本发明容许多种不同形式的实施方式。将它们示于附图中，并将在本文中以本发明的详细的代表性实施方式进行描述，可以理解的是，本公开将被视为本发明的原理的示例，而并不旨在将本发明的广泛方面限于所示出的实施方式。达到如下程度，例如，在摘要、
【发明内容】
和【具体实施方式】部分公开的要素和限制，而未明确地在权利要求中阐明的内容，不应被单独或共同地通过暗示、推断或以其它方式并入权利要求书中。除非明确地排除在夕卜，为了当前的详细描述:单数包含复数，反之亦然;词语“和”以及“或”应同时为连接性和分离性的；词语“所有”意味着“任何/任意以及所有”；词语“任何/任意”意味着“任何/任意以及所有”；且词语“包含/包括(including和comprising)”意味着“包含/包括但不限于”。此外，本文能够以例如“处于、接近或接近于”、或“在3%-5%内”、或“在可接受的制造公差内”或它们的任意逻辑组合的含义使用表示近似的词语，如“约”、“几乎”、“实质上/大体上”、“大约”等。
[0018]本公开的各方面涉及孔隙结构，在无宏观负载的稳态环境中，该孔隙结构包含提供负泊松比(NPR)行为的重复的细长孔图案。泊松比(或“泊松系数”)通常可被定性为拉伸对象中的横向收缩应变与纵向延伸应变的比率。由于大多数材料(包括许多聚合物泡沫和多孔固体)在拉伸时在横截面上变得更薄，泊松比通常为正。本文中公开的孔隙结构表现出负泊松比行为。这些类型的材料也称为“拉胀物”或“拉胀材料”。
[0019]在一些公开的实施方式中，当结构在Y方向上被压缩时，由于相邻孔的排列方式，Y方向的应变产生围绕各晶胞中心的瞬间，引起晶胞旋转。各晶胞以与其最接近的相邻晶胞相反的方向旋转。这一旋转导致在水平相邻晶胞之间的X方向上的距离减小。换句话说，在Y方向上压缩结构使其在X方向上收缩。相反，在Y方向上拉伸引起在X方向上的扩展。在完整结构的规模下，这模拟了拉胀材料的行为。但是，本文中公开的许多结构由常规材料构成。“伪拉胀”行为是结构的突现性质。换句话说，该材料本身可具有正泊松比，但通过引入本文中公开的细长孔图案对结构进行修饰，该结构在微观条件下表现为具有负泊松比。
[0020 ]图1为泊松比相对于应变的曲线图，示出了图2A-图2C中示出的三种代表性的孔隙结构的泊松比行为。图1的图表示出了处于负载下的测试片的泊松比(PR)。在一定水平的变形下，可针对代表变形水平的参数(例如，标称应变)对“瞬时” PR进行确定和绘制。当设计者对于预期应用具有期望的NPR时，可查找对应于该PR的变形水平并确定在该条件下的孔的几何形状。然后，可在未受受力的部分上对该孔的形状图案进行加工(制造)，以获得具有期望PR的部件。
[0021 ]如图2B和图2C中所示，NPR细长孔图案可由水平定向的椭圆形孔和垂直定向的椭圆形孔(也称为“孔”或“椭圆”)构成。椭圆以垂直线和水平线在两个维度上均相等地间隔开(也即，ΔΧ= Δ Y)的方式排列在水平线和垂直线(例如，正方形阵列的行和列)上。各孔的中心位于两条线的交叉点。水平定向的椭圆和垂直定向的椭圆在垂直线和水平线上更替，从而使任意的垂直椭圆被水平椭圆沿着线包围(反之亦然)，而下一个垂直椭圆被发现于两条对角线上。由于孔隙的排列，它们还可作为冷却孔和/或阻尼孔，并且还可发挥应力降低特征的作用。
[0022]本文还公开了燃气轮机燃烧室，该燃烧室由来自具有本文中公开的任意的特定孔隙结构的材料的壁制成。在一些实施方式中，孔的形状直接在无应力的状态下于金属主体中产生，从而使孔的形状等同于在外部负载下的橡胶中发现的收缩的孔隙的形状，以在金属中获得负泊松比行为而无需在制造中使金属结构收缩。可将多种制造途径用于重现金属部件中的孔隙图案。该制造不必包含屈曲作为工艺步骤之一。本文中公开的孔隙结构并不限于燃烧室的壁;相反，可将这些特征并入轮机的其它部分(例如，叶片、翅片(vein)等)。
[0023]如果对于特定燃烧室应用而言，单个片材的孔隙率被判断为过高，则将两个以上的片材以偏置(offset)的方式进行层叠，以具有单一片材的最佳孔隙率而获得预期行为，并具有通过片材的最佳空气流以获得预定水平的冷却和/或阻尼。例如，将具有相同(或类似)图案的孔的两个片材并置，从而使孔对齐(例如，具有共同的中心轴)或故意不对齐(例如，相邻孔的中心轴径向偏移)，以协同地实现期望的热功能、机械功能和/或声学功能。
[0024]燃烧室的壁具有显现出的(宏观的)负泊松比的有利行为。甚至当这一结构是由常规金属制成时，当将它置于轴向压缩负载下时，它将在横向上收缩，而无需材料本身由具有负泊松比的材料制成。该行为由特定的孔隙结构触发。
[0025]在常规燃烧室的壁中，用于提供冷却空气流和阻尼的孔也充当了应力梯级(stress risers)。在一些公开的实施方式中，由于壁材料在热点处例如以垂直方向压靠其周围的材料，负泊松比将使该壁材料在水平方向上收缩，并且反之亦然。这一行为将显著降低热点处的应力。这一效果比仅仅降低刚度的影响更强烈。在热点处的应力降低了 50%，导致应力疲劳寿命增加了数个数量级。通过NPR行为的应力降低并不会增加燃烧室壁的空气消耗。这样可使用较长寿命，或者壁材料可由更便宜的材料替代，以显著降低成本。
[0026]我们还证明了，以2%_3%的百分率的椭圆形空气通道替代圆形燃烧室冷却孔降低了至少五倍的热机械应力，同时保持冷却和阻尼性能。例如，已预期到燃烧室中的椭圆形冷却孔在最糟的主应力方面产生五倍降低。通过诱导NPR行为，我们已将进一步的功能加入至我们的冷却孔。由赋予负泊松比行为的冷却孔的修饰造成最糟的主应力的五倍降低。在燃烧室-特定超合金的应力疲劳中，部件应力的减半使疲劳寿命增加了大于一个数量级。在一些实施方式中，超合金可为镍基超合金，如111001161(如11'1100、]^600、]^713)、￥38。3107、Rene 合金(例如Rene 4 K Rene 80、Rene 95、Rene N5)、Haynes 合金、Incoloy、MP98T、TMS 合金以及CMSX(如CMSX-4)单晶合金。
[0027]已经显示出，较低的孔隙率提供了增高的冷却功能。本文中使用的“孔隙率”可被定义为是指孔的表面积Aa除以结构的表面积As，或孔隙率= Aa/As。期望的是，在一些实施方式中，给定的孔隙结构的孔隙率约为I % -4 %，或者在一些实施方式中，给定的孔隙结构的孔隙率约为2%-3%，或者在一些实施方式中，给定的孔隙结构的孔隙率约为2%。许多现有技术的排列需要40%-50%的孔隙率。
[0028]细长孔可具有预定的最佳纵横比，以提供期望的NPR行为。本文中使用的孔的“纵横比”可被定义为是指孔的长度除以孔的宽度，或者孔的长轴长度除以孔的短轴长度。期望的是，在一些实施方式中，孔的纵横比为约5-40，或者在一些实施方式中，孔的纵横比为约30-40。最佳的NPR可为例如-0.5。可在用毫米水平的图案长度尺度制成的结构图案上对所公开的发明的各方面进行证明，并且同样适用于具有处于更小的长度尺度(例如，微米、亚微米和纳米长度尺度)的相同的周期性图案的结构。
[0029]孔的几何形状可采用多种形状、尺寸和取向。图2B和图2C示出了采用椭圆形的孔。比起图2A-图2C中示出的纵横比，图7和图9示出了采用椭圆形式的孔具有更高的纵横比。图3示出了采用收缩孔形状的孔。图8和图11示出了采用I形或双T形形式的孔。图10示出了采用具有通过直槽或主干(stem)连接的两个停止孔(stop hole)的杠铃形的孔。可对形状进行修饰和/或由一个应用演变至另一应用。此外，这些形状可根据所采用的制造过程而改变。在晶胞以本文上述的方式进行旋转的情况下，任意构造均能产生NPR行为。
[0030]尽管上文已对实施本发明的众多【具体实施方式】和模式进行了详细描述，本发明所涉及的领域的技术人员将认识到，用于实施本发明的各种替代设计和实施方式均在所附的权利要求书的范围内。
【主权项】
1.一种孔隙结构，所述结构包含: 具有第一组多个第一细长孔和第二组多个第二细长孔的刚性或半刚性主体，所述细长孔各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔的长轴垂直于所述第二细长孔的长轴，所述第一组多个细长孔和所述第二组多个细长孔以行和列的阵列排列，所述各行和所述各列中在所述第一细长孔和所述第二细长孔之间更替，协同地对所述孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者下实现负泊松比行为。2.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述第一细长孔和所述第二细长孔为椭圆形。3.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述第一细长孔和所述第二细长孔为I形。4.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述第一细长孔和所述第二细长孔各自包含通过主干连接的间隔开的孔。5.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述主体包括金属壁。6.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，细长槽各自的长轴和短轴是垂直的。7.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述行彼此相等地间隔开，并且所述列彼此相等地间隔开。8.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔各自的中心定位于所述阵列的一行和一列的相应的交叉点处。9.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，协同地对所述孔进行配置，以提供预定的热冷却特性和声学阻尼特性。10.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔具有预定的孔隙率和预定的纵横比，协同地对所述孔进行配置，以在宏观应力和应变负载下实现负泊松比行为。11.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，当处于无应力状态时，所述细长孔存在于所述刚性或半刚性主体中。12.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔的预定孔隙率为约1%-4%。13.如权利要求1所述的孔隙结构，其中，所述细长孔各自的纵横比为约5-40。14.一种制造孔隙结构的方法，所述方法包括: 提供刚性或半刚性主体；以及 将第一细长孔和第二细长孔加入至所述刚性或半刚性主体中，其中，所述细长孔各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔的长轴垂直于所述第二细长孔的长轴，所述细长孔以行和列的阵列排列，所述各行和所述各列中在所述第一细长孔和所述第二细长孔之间更替，协同地对所述孔进行配置，以在应力或应变、或者在应力和应变两者下实现负泊松比行为。15.如权利要求14所述的方法，其中，通过微加工、干涉光刻、激光切割或电子束切割、或者它们的任意组合，将所述第一细长孔和所述第二细长孔加入至所述刚性或半刚性主体中。16.一种燃气轮机燃烧室，所述燃烧室包含: 具有多个垂直细长孔和多个水平细长孔的金属壁，所述细长孔各自具有垂直于短轴的长轴，所述垂直细长孔的长轴垂直于所述水平细长孔的长轴，所述多个细长孔以等距离的列垂直于等距离的行的阵列排列，所述各行和各列中在所述垂直细长孔和所述水平细长孔之间更替， 其中，所述细长孔具有预定的孔隙率和预定的纵横比，协同地对所述孔进行配置，以在宏观应力和应变负载下实现负泊松比行为。
【专利摘要】本文公开了孔隙结构、具有孔隙结构的系统和装置、以及制造孔隙结构的方法。公开了具有重复的细长孔图案的孔隙结构，该图案被设计用来在宏观应力和应变负载下提供负泊松比行为。该图案可包含以如下方式排列在水平线和垂直线上的水平的椭圆形孔和垂直的椭圆形孔，该水平线和垂直线在两个维度上均以相等的距离间隔开。各孔的中心位于两条线的交叉点上。垂直的椭圆形孔和水平的椭圆形孔在水平线和垂直线上更替，从而使任意垂直孔均被水平孔沿着线包围(反之亦然)，并且发现下一垂直孔位于两条对角线上。由于孔隙的排列，它们还可以发挥冷却和/或阻尼孔的作用、以及发挥应力降低特征的作用。
【IPC分类】B63H1/14, F04D29/58
【公开号】CN105555657
【申请号】CN201480024260
【发明人】卡蒂娅·贝托尔迪, 迈克尔·泰勒, 阿里·沙尼安, 米克洛斯·格里安达斯, 卡尔·卡森
【申请人】哈佛大学校长及研究员协会, 劳斯莱斯加拿大有限公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年3月13日
【公告号】CA2907119A1, EP2969740A1, US20160025343, WO2014197059A1
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