低孔隙率拉胀片材的制作方法
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 的所有修改、等价物和替代物。
【具体实施方式】
[0025]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的实施方式进行说明，可以理解的是，应当将本公开视为本发明的原理的示例，并不旨在将本发明的广泛方面限制于所示出的实施方式。
[0026]除非明确排除在外，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。
[0027]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10(包含一种或多种亚结构，例如细长结构104以及在该细长结构任一端的应力减低结构102)的排列，该工程化孔隙结构使该材料表现出负泊松比(NPR)行为。如图6中进一步表示的，当使该结构、更具体而言当使所指出的单位晶胞200接受由-Y方向上的箭头指向所表示的压缩力时，该压缩力会围绕各单位晶胞200的中心引起力矩210，使得晶胞200旋转。各晶胞200依次作用于相邻的单位晶胞200，此类作用归因于相邻的孔隙或开口 100(可包含一种或多种亚结构102、104)根据本构思的多个方面进行排列的方式。
[0028]尽管图6中示出的工程化孔隙结构10以示例的方式显示为双T槽，但是可使用其它的工程化孔隙结构(例如，大纵横比的椭圆、其它的槽形状等)，并将产生类似的NPR行为。
[0029]在图7中，以示例的方式对作用于单个单位晶胞200的力进行表示，其中，Fe表示施加的外部力，F1,2表示从左侧相邻的晶胞(如阵列位置Fx,y所示)施加的力，F2,3表示从下方相邻的晶胞施加的力，并且F1,4表示从右侧相邻的晶胞施加的力。如图6所示，各单位晶胞200以与其直接相邻的单位晶胞相反的方向旋转。这种旋转导致水平相邻的晶胞之间在X方向上的距离减小。换句话说，在Y方向上压缩该结构(例如图6中示出的以Y方向的箭头指向的方式)，引起由单位晶胞200组成的材料在X方向上收缩，从而表现出“伪拉胀”或NPR行为。相反，在+Y方向上的拉力导致在X方向上的伸展，再次表现出“伪拉胀”或NPR行为。尽管形成单位晶胞200的材料由常规正泊松比材料构成，但在完整结构的规模下，这模拟了拉胀材料的行为。
[0030]再看图2，示出了图1(a)-图1(d)的研究中使用的工程化孔隙结构10，强调了固体材料中的负载路径的代表。在该实例中，工程化孔隙结构包含限定了40%孔隙率的椭圆形孔12。这些椭圆形孔12具有强的曲率，并因此具有高的应力和可塑性以及具有相应的缩短的寿命。箭头指示出了椭圆的最大曲率的点，并因此是最大应力的点。
[0031]尽管展示出了本文公开的构思的证据，但如图2中所示的具有40%孔隙率的样品材料并不适合于所有应用。以示例的方式，一般前述的燃气轮机燃烧室衬里打算利用孔隙率为约1%-3%的材料(例如，材料的环形片材)，而实际的孔隙率则取决于用于给定应用的具体设计目标(例如，热转印、声学、寿命等)。
[0032]图3是本构思的至少一些方面所述的具有工程化孔隙结构10的另一固体的代表，该工程化孔隙结构10包含槽20和停止孔15(设置在槽20的每一端)的排列。相比于图1的椭圆12，槽20和停止孔15的这种排列显示出小的曲率，因此表现出低的应力和低的可塑性、具有相应的延长的寿命。示出了负载路径，并且箭头指示出椭圆的最大曲率的点(因此，也是最大应力的点)。将停止孔15用于停止裂纹扩展，并放置在直槽20的端部以降低该位置处的应力。对槽20的长度进行调整，以便产生预期的行为。
[0033]与图2的椭圆12相比之下，图3的槽20和停止孔15的排列显示出仅约3%_4%的孔隙率，这使得该结构适用于涉及燃气轮机燃烧室的特定应用。当然，对于此类应用，该结构在适用于此类应用的材料内部体现出来，所述材料包括但不限于(无任何限制):多晶或单晶的镍基、铁镍基和钴基的超级合金，或者其它的耐高温、耐腐蚀合金。此类合金的实例包括但不限于，11^0仙1合金(如1湘00、1湘17、預625、1阶18、預X-750等)、Waspaloy合金、Rene合金(例如Rene 41、Rene 80、Rene 95、Rene N5)、Haynes合金(例如，Hastelloy X)、Incoloy、MP98T、TMS 合金和 CMSX(例如 CMSX-4)单晶合金。
[0034]再次强调的是，本文中通过举例的方式公开的工程化孔隙结构10使普通的正泊松比材料(例如上文提及的超级合金)能够表现出“伪拉胀”或NPR行为。以举例的方式，燃烧室衬里由包含用于预期应用的特定孔隙结构的材料制成。相比于利用已知的具有高达50的纵横比的椭圆形孔隙的图案以获得预期行为(并在末端产生非常高的应力)的常规材料，本文所公开的工程化孔隙结构10、例如具有应力消减特征35的槽30(如下文所讨论的)能够提供更小的孔隙率，并因此使较少的空气通过。
[0035]图4是具有工程化孔隙结构10的固体中的负载路径的代表，该工程化孔隙结构10包含本公开的多个方面所述的槽30的排列。在所示出的实例中，槽30是在各槽30的每个端部均具有应力减低结构35的双T槽。在所描绘的应变减低结构35中，“T”的水平部分弯曲为在与垂直部分的交界处具有大的曲率的椭圆形状(以降低该位置处的应力)。槽30( “T”的垂直部分)是在长度上进行了调整以产生预期行为的直槽。如同图3的排列，槽30的这种排列相比于图2的椭圆表现出小的曲率，并因此表现出低的应力和低的可塑性以及相应的延长的寿命。箭头指示出椭圆的最大曲率的点，因此也是最大应力的点。与图2的椭圆12相比，图4的槽30表现出仅约I % -2 %的孔隙率。
[0036]至于双T槽结构30、35，降低应力减低结构35的曲率反过来降低了应力。在槽30和应力减低结构35的交界处，曲率通常是平缓的，它使应力分散于产生显著的局部应力降低的长度的更大部分。
[0037]通常，所公开的工程化孔隙结构可被施用至任何固体材料(例如，混凝土、金属等)，并且不限于，例如燃气轮机或燃气轮机燃烧室。然而，在示例的燃烧室应用中，所公开的工程化孔隙结构10有利地产生具有显著降低的孔隙率的宏观的伪拉胀行为(负泊松比)，因此将空气用于冷却和阻尼(damping)。即使该结构从适合于此类应用的“传统的”合金制成，但当将该结构放置于轴向压缩负载下时，它将在横向方向上收缩，而不是制备它的金属具有负泊松比。如所指出的，该行为通过特定工程化孔隙结构本身而触发。
[0038]图5(a)_5(b)描绘了本构思的多个方面所述的工程化孔隙结构10的实例，该工程化孔隙结构10分别包含大纵横比的椭圆60和双T形槽30。本构思所述的工程化孔隙结构10的图案包含水平结构和垂直结构(例如，处于双T形的槽、具有停止孔的槽、大纵横比椭圆等)，该水平结构和垂直结构以水平线和垂直线在两个维度相等地间隔开的方式(而且A X= Ay)排列在水平线和垂直线上。槽的中心位于所述线的交叉点，并且垂直槽和水平槽在垂直线和水平线上更替。垂直槽被水平槽沿着线包围(反之亦然)，并在两个对角线上均发现下一个垂直槽。在圆柱形部件外侧的槽图案等同于片材上的图案(垂直=轴向，水平=周向)。然而，在此类构造中，由于表面的不同半径，内侧的槽形状不同。轴向槽比起在外侧的槽具有更短的短轴，但具有更长的长轴。周向槽比起在外侧的槽具有更长的短轴，但具有更短的长轴。
[0039]本构思所述的工程化孔隙结构10的排列的几何形状的操控可控制所显示的泊松比。通过增加这些创新特征的长度，可根据期望对泊松比进行调整。例如，图5(a)中的椭圆60的长轴可增加或减小，以有效地控制泊松比。椭圆本身的短轴提供了有效泊松比的可变性，但是仅对负泊松比可达到的值具有次要影响。同样地，对于本构思所述的工程化孔隙结构10的其它排列、如双T槽，该细长槽结构(例如104;图6)对负泊松比具有主要影响，并且应力减低特征或较短的横向结构具有次要影响(至少单独地)，单位晶胞200的启用的旋转(enabled rotat1n)使得产生伪拉胀行为(参见，例如图6)。
[0040]在本构思的至少一些方面中，可使上文提到的关于图1(a)-图1(d)的前述试验样本接受负载，以随着试验样本在负载下变形而确定泊松比的变化。在一定的变形水平，可针对表示变形水平的一些参数确定并绘制“瞬时”的泊松比。在判定出何种泊松比适用于特定的应用之后，系统或部件的设计者可随后确定(例如，使用查找表等)对应于目标泊松比 的相应变形水平，并随后确定孔在该条件下的几何形状。然后，可在未受应力的部分对该孔的几何形状进行加工(制造)，以得到具有期望泊松比的部件。
[0041]图8(a)-图8(c)描绘了具有工程化孔隙结构10的固体的实例，该工程化孔隙结构10包含本公开的多个方面所述的通孔的排列，示出了实质上的稳态条件(图8(a))、所施加的局部热应力75(图8(b))、以及响应于所施加的局部热应力的相邻的单元位置之间的应力流(箭头85)(图8(c))。根据本构思，包含本文所公开的工程化孔隙结构10的材料，响应于一个方向上的热点压缩应力，使正泊松比材料表现出NPR性质并以其它方向收缩，降低了该方向上的热应力。该机制反之也适用，从而使由热点引起的热应力在所有方向上强烈降低。该作用比起仅降低刚度的影响更强烈。在热点处的应力降低50%，从而引起应力疲劳寿命增加多个数量级。
[0042]作为本文公开的工程化孔隙结构10的另一益处，具有停止孔的槽(例如，图3)或双T槽(例如，图4)从形成它们的片材中移除较少的材料，因此加速了制造。此外，如此前所提到的，具有停止孔的槽(例如，图3)或双T槽(例如，图4)具有显著更少的孔隙部分(较低的孔隙率)，使空气使用大幅降低(例如，如同燃气轮机应用中所使用的)。
[0043]本文公开的孔隙结构10可有利地形成与应用有关的不同尺寸和/或几何形状。以举例的方式，在燃气轮机的热截面部件中的冷却孔或阻尼孔的直径通常为约0.5mm至3mm。在此类应用中，将本发明当前方面所述的孔隙结构10配置成具有大约相同的横截面面积，以便于相同程度的空气流。当提供具有停止孔的槽(例如，图3)时，该停止孔可仅采取常规的孔构型。因此，孔可覆盖约0.5mm至3mm的相同的直径范围，并被间隔开2mm至20_。槽将桥接两个相邻孔之间的距离。类似地，对于槽以及双T槽中的横向应力减低器的尺寸调整(参见，例如图4)，双T槽的纵向长度具有与前述形状相同的尺寸，所以介于2mm至20mm之间。应力降低的横向延伸可能介于纵向长度的10%至50%之间。对于大纵横比的椭圆，预计长轴尺寸(末端到末端)介于2mm至20mm之间，并且纵横比介于5至50之间。
[0044]孔隙的大小受到部件的厚度以及制造方法的影响。上述示例性的非限制性尺寸主要与温和的尘土环境(诸如燃气轮机发动机)中的激光制造和操作有关。例如，在清洁空气条件下，该特征的尺寸可减小，然后孔隙能够以高于或低于给定尺寸的大约1/10通过电子束切割而制造。
[0045]尽管在上文中已对实施本发明的众多实施方式和模式进行了详细描述，熟悉本发明所涉及的领域的技术人员将认识到的是，用于实践本发明的各种可替代的设计和实施方式均在所附的权利要求书的范围内。例如，本文公开的各工程化孔隙结构10可包含单一结构(例如，大纵横比的椭圆)或多个结构(例如，在每一端具有应力减低器的槽)。这些结构可在现有材料中形成和/或在使用任何加工方法的材料的形成过程中形成，所述加工方法例如但不限于，激光切割、电子束切割、水射流切割、光刻法(光学光刻术、UV光刻术等)或微加工。
[0046]应当理解的是，尽管本文所述的各实施方式一致地使用了相同的结构，但本构思包含组合利用本文所公开的不同结构。例如，根据本构思，单一结构中的孔隙结构10的排列可包含如下组合:任意的大纵横比椭圆和/或具有应力减低器的槽和/或在两端具有停止孔的槽和/或双T形槽。
[0047]此外，本文公开的孔隙的形状是非限制性的。只要实现图6中示出的NPR行为，并且单位晶胞以所述的各个方向旋转，则可根据本构思使用不同的形状。根据应用的要求，可选择性地改变孔隙的形状。
[0048]此外，本文追加的是对应于将本构思应用至金属形成的结构的滑动装置(slides)，与具有圆形通孔的规则排列的常规结构形成对比，表明了本构思在金属以及测试橡胶中能够起作用。
【主权项】
1.一种低孔隙率片材材料，所述片材材料包含: 细长孔隙结构的排列，所述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，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔隙结构的长轴垂直于所述第二细长孔隙结构的长轴，所述第一类多元的细长孔隙结构和所述第二类多元的细长孔隙结构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隙结构和所述第二细长孔隙结构之间更替，其中，所述细长孔隙结构的孔隙率低于约10%。2.如权利要求1所述的低孔隙率片材材料，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含大纵横比的椭圆。3.如权利要求1所述的低孔隙率片材材料，其中，所述细长孔隙结构的孔隙率低于约4.如权利要求3所述的低孔隙率片材材料，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含双T槽。5.如权利要求3所述的低孔隙率片材材料，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含在该槽的两端均具有停止孔的槽。6.如权利要求1-5中任一项所述的低孔隙率片材材料，其中，所述片材材料包含至少一种多晶或单晶合金。7.如权利要求6所述的低孔隙率片材材料，其中，所述片材材料包含镍基超级合金、铁镍基超级合金或钴基超级合金。8.如权利要求1-5中任一项所述的低孔隙率片材材料，其中，所述细长孔隙结构的排列限定了:响应于单轴应力，单位晶胞引起所述片材材料表现出负泊松比特性。9.如权利要求8所述的低孔隙率片材材料，其中，在所述排列中，所述行彼此相等地间隔开，并且所述列彼此相等地间隔开。10.如权利要求9所述的低孔隙率片材材料，其中，所述细长孔隙结构各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔隙结构的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。11.如权利要求9所述的低孔隙率片材材料，其中，当将所述材料置于应力下时，所述材料中的所述细长孔隙结构的间隔不发生变化。12.如权利要求9所述的低孔隙率片材材料，其中，当将所述材料置于应力下时，所述材料中的所述细长孔隙结构的形状不发生变化。13.一种用于形成伪拉胀材料的方法，所述方法包括: 提供至少半刚性的本体；以及 在所述本体中形成第一细长孔隙结构和第二细长孔隙结构，其中，所述细长孔隙结构各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔隙结构的长轴至少大体上垂直于所述第二细长孔隙结构的长轴，将所述细长孔隙结构以行和列的阵列排列，所述各行和各列中在所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构之间更替，其中，调整所述细长孔隙结构的尺寸以在应力下表现出负泊松比行为。14.如权利要求13所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含大纵横比的椭圆。15.如权利要求13所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述细长孔隙结构的孔隙率低于约4%。16.如权利要求15所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含双T槽。17.如权利要求15所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含在该槽的两端均具有停止孔的槽。18.如权利要求13-17中任一项所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，在所述排列中，所述行彼此相等地间隔开，所述列彼此相等地间隔开。19.如权利要求13-17中任一项所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述细长孔隙结构各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔隙结构的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。20.如权利要求19所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述细长孔隙结构各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔隙结构的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。
【专利摘要】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(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细长孔隙结构和第二细长孔隙结构之间更替，其中，细长孔隙结构的孔隙率低于约10％。
【IPC分类】B32B3/10, B32B3/12, B32B3/24
【公开号】CN105555517
【申请号】CN201480022494
【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12日
【公告号】CA2907048A1, EP2969525A1, US20160025344, WO2014151045A1
【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 的所有修改、等价物和替代物。
【具体实施方式】
[0025]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的实施方式进行说明，可以理解的是，应当将本公开视为本发明的原理的示例，并不旨在将本发明的广泛方面限制于所示出的实施方式。
[0026]除非明确排除在外，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。
[0027]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10(包含一种或多种亚结构，例如细长结构104以及在该细长结构任一端的应力减低结构102)的排列，该工程化孔隙结构使该材料表现出负泊松比(NPR)行为。如图6中进一步表示的，当使该结构、更具体而言当使所指出的单位晶胞200接受由-Y方向上的箭头指向所表示的压缩力时，该压缩力会围绕各单位晶胞200的中心引起力矩210，使得晶胞200旋转。各晶胞200依次作用于相邻的单位晶胞200，此类作用归因于相邻的孔隙或开口 100(可包含一种或多种亚结构102、104)根据本构思的多个方面进行排列的方式。
[0028]尽管图6中示出的工程化孔隙结构10以示例的方式显示为双T槽，但是可使用其它的工程化孔隙结构(例如，大纵横比的椭圆、其它的槽形状等)，并将产生类似的NPR行为。
[0029]在图7中，以示例的方式对作用于单个单位晶胞200的力进行表示，其中，Fe表示施加的外部力，F1,2表示从左侧相邻的晶胞(如阵列位置Fx,y所示)施加的力，F2,3表示从下方相邻的晶胞施加的力，并且F1,4表示从右侧相邻的晶胞施加的力。如图6所示，各单位晶胞200以与其直接相邻的单位晶胞相反的方向旋转。这种旋转导致水平相邻的晶胞之间在X方向上的距离减小。换句话说，在Y方向上压缩该结构(例如图6中示出的以Y方向的箭头指向的方式)，引起由单位晶胞200组成的材料在X方向上收缩，从而表现出“伪拉胀”或NPR行为。相反，在+Y方向上的拉力导致在X方向上的伸展，再次表现出“伪拉胀”或NPR行为。尽管形成单位晶胞200的材料由常规正泊松比材料构成，但在完整结构的规模下，这模拟了拉胀材料的行为。
[0030]再看图2，示出了图1(a)-图1(d)的研究中使用的工程化孔隙结构10，强调了固体材料中的负载路径的代表。在该实例中，工程化孔隙结构包含限定了40%孔隙率的椭圆形孔12。这些椭圆形孔12具有强的曲率，并因此具有高的应力和可塑性以及具有相应的缩短的寿命。箭头指示出了椭圆的最大曲率的点，并因此是最大应力的点。
[0031]尽管展示出了本文公开的构思的证据，但如图2中所示的具有40%孔隙率的样品材料并不适合于所有应用。以示例的方式，一般前述的燃气轮机燃烧室衬里打算利用孔隙率为约1%-3%的材料(例如，材料的环形片材)，而实际的孔隙率则取决于用于给定应用的具体设计目标(例如，热转印、声学、寿命等)。
[0032]图3是本构思的至少一些方面所述的具有工程化孔隙结构10的另一固体的代表，该工程化孔隙结构10包含槽20和停止孔15(设置在槽20的每一端)的排列。相比于图1的椭圆12，槽20和停止孔15的这种排列显示出小的曲率，因此表现出低的应力和低的可塑性、具有相应的延长的寿命。示出了负载路径，并且箭头指示出椭圆的最大曲率的点(因此，也是最大应力的点)。将停止孔15用于停止裂纹扩展，并放置在直槽20的端部以降低该位置处的应力。对槽20的长度进行调整，以便产生预期的行为。
[0033]与图2的椭圆12相比之下，图3的槽20和停止孔15的排列显示出仅约3%_4%的孔隙率，这使得该结构适用于涉及燃气轮机燃烧室的特定应用。当然，对于此类应用，该结构在适用于此类应用的材料内部体现出来，所述材料包括但不限于(无任何限制):多晶或单晶的镍基、铁镍基和钴基的超级合金，或者其它的耐高温、耐腐蚀合金。此类合金的实例包括但不限于，11^0仙1合金(如1湘00、1湘17、預625、1阶18、預X-750等)、Waspaloy合金、Rene合金(例如Rene 41、Rene 80、Rene 95、Rene N5)、Haynes合金(例如，Hastelloy X)、Incoloy、MP98T、TMS 合金和 CMSX(例如 CMSX-4)单晶合金。
[0034]再次强调的是，本文中通过举例的方式公开的工程化孔隙结构10使普通的正泊松比材料(例如上文提及的超级合金)能够表现出“伪拉胀”或NPR行为。以举例的方式，燃烧室衬里由包含用于预期应用的特定孔隙结构的材料制成。相比于利用已知的具有高达50的纵横比的椭圆形孔隙的图案以获得预期行为(并在末端产生非常高的应力)的常规材料，本文所公开的工程化孔隙结构10、例如具有应力消减特征35的槽30(如下文所讨论的)能够提供更小的孔隙率，并因此使较少的空气通过。
[0035]图4是具有工程化孔隙结构10的固体中的负载路径的代表，该工程化孔隙结构10包含本公开的多个方面所述的槽30的排列。在所示出的实例中，槽30是在各槽30的每个端部均具有应力减低结构35的双T槽。在所描绘的应变减低结构35中，“T”的水平部分弯曲为在与垂直部分的交界处具有大的曲率的椭圆形状(以降低该位置处的应力)。槽30( “T”的垂直部分)是在长度上进行了调整以产生预期行为的直槽。如同图3的排列，槽30的这种排列相比于图2的椭圆表现出小的曲率，并因此表现出低的应力和低的可塑性以及相应的延长的寿命。箭头指示出椭圆的最大曲率的点，因此也是最大应力的点。与图2的椭圆12相比，图4的槽30表现出仅约I % -2 %的孔隙率。
[0036]至于双T槽结构30、35，降低应力减低结构35的曲率反过来降低了应力。在槽30和应力减低结构35的交界处，曲率通常是平缓的，它使应力分散于产生显著的局部应力降低的长度的更大部分。
[0037]通常，所公开的工程化孔隙结构可被施用至任何固体材料(例如，混凝土、金属等)，并且不限于，例如燃气轮机或燃气轮机燃烧室。然而，在示例的燃烧室应用中，所公开的工程化孔隙结构10有利地产生具有显著降低的孔隙率的宏观的伪拉胀行为(负泊松比)，因此将空气用于冷却和阻尼(damping)。即使该结构从适合于此类应用的“传统的”合金制成，但当将该结构放置于轴向压缩负载下时，它将在横向方向上收缩，而不是制备它的金属具有负泊松比。如所指出的，该行为通过特定工程化孔隙结构本身而触发。
[0038]图5(a)_5(b)描绘了本构思的多个方面所述的工程化孔隙结构10的实例，该工程化孔隙结构10分别包含大纵横比的椭圆60和双T形槽30。本构思所述的工程化孔隙结构10的图案包含水平结构和垂直结构(例如，处于双T形的槽、具有停止孔的槽、大纵横比椭圆等)，该水平结构和垂直结构以水平线和垂直线在两个维度相等地间隔开的方式(而且A X= Ay)排列在水平线和垂直线上。槽的中心位于所述线的交叉点，并且垂直槽和水平槽在垂直线和水平线上更替。垂直槽被水平槽沿着线包围(反之亦然)，并在两个对角线上均发现下一个垂直槽。在圆柱形部件外侧的槽图案等同于片材上的图案(垂直=轴向，水平=周向)。然而，在此类构造中，由于表面的不同半径，内侧的槽形状不同。轴向槽比起在外侧的槽具有更短的短轴，但具有更长的长轴。周向槽比起在外侧的槽具有更长的短轴，但具有更短的长轴。
[0039]本构思所述的工程化孔隙结构10的排列的几何形状的操控可控制所显示的泊松比。通过增加这些创新特征的长度，可根据期望对泊松比进行调整。例如，图5(a)中的椭圆60的长轴可增加或减小，以有效地控制泊松比。椭圆本身的短轴提供了有效泊松比的可变性，但是仅对负泊松比可达到的值具有次要影响。同样地，对于本构思所述的工程化孔隙结构10的其它排列、如双T槽，该细长槽结构(例如104;图6)对负泊松比具有主要影响，并且应力减低特征或较短的横向结构具有次要影响(至少单独地)，单位晶胞200的启用的旋转(enabled rotat1n)使得产生伪拉胀行为(参见，例如图6)。
[0040]在本构思的至少一些方面中，可使上文提到的关于图1(a)-图1(d)的前述试验样本接受负载，以随着试验样本在负载下变形而确定泊松比的变化。在一定的变形水平，可针对表示变形水平的一些参数确定并绘制“瞬时”的泊松比。在判定出何种泊松比适用于特定的应用之后，系统或部件的设计者可随后确定(例如，使用查找表等)对应于目标泊松比 的相应变形水平，并随后确定孔在该条件下的几何形状。然后，可在未受应力的部分对该孔的几何形状进行加工(制造)，以得到具有期望泊松比的部件。
[0041]图8(a)-图8(c)描绘了具有工程化孔隙结构10的固体的实例，该工程化孔隙结构10包含本公开的多个方面所述的通孔的排列，示出了实质上的稳态条件(图8(a))、所施加的局部热应力75(图8(b))、以及响应于所施加的局部热应力的相邻的单元位置之间的应力流(箭头85)(图8(c))。根据本构思，包含本文所公开的工程化孔隙结构10的材料，响应于一个方向上的热点压缩应力，使正泊松比材料表现出NPR性质并以其它方向收缩，降低了该方向上的热应力。该机制反之也适用，从而使由热点引起的热应力在所有方向上强烈降低。该作用比起仅降低刚度的影响更强烈。在热点处的应力降低50%，从而引起应力疲劳寿命增加多个数量级。
[0042]作为本文公开的工程化孔隙结构10的另一益处，具有停止孔的槽(例如，图3)或双T槽(例如，图4)从形成它们的片材中移除较少的材料，因此加速了制造。此外，如此前所提到的，具有停止孔的槽(例如，图3)或双T槽(例如，图4)具有显著更少的孔隙部分(较低的孔隙率)，使空气使用大幅降低(例如，如同燃气轮机应用中所使用的)。
[0043]本文公开的孔隙结构10可有利地形成与应用有关的不同尺寸和/或几何形状。以举例的方式，在燃气轮机的热截面部件中的冷却孔或阻尼孔的直径通常为约0.5mm至3mm。在此类应用中，将本发明当前方面所述的孔隙结构10配置成具有大约相同的横截面面积，以便于相同程度的空气流。当提供具有停止孔的槽(例如，图3)时，该停止孔可仅采取常规的孔构型。因此，孔可覆盖约0.5mm至3mm的相同的直径范围，并被间隔开2mm至20_。槽将桥接两个相邻孔之间的距离。类似地，对于槽以及双T槽中的横向应力减低器的尺寸调整(参见，例如图4)，双T槽的纵向长度具有与前述形状相同的尺寸，所以介于2mm至20mm之间。应力降低的横向延伸可能介于纵向长度的10%至50%之间。对于大纵横比的椭圆，预计长轴尺寸(末端到末端)介于2mm至20mm之间，并且纵横比介于5至50之间。
[0044]孔隙的大小受到部件的厚度以及制造方法的影响。上述示例性的非限制性尺寸主要与温和的尘土环境(诸如燃气轮机发动机)中的激光制造和操作有关。例如，在清洁空气条件下，该特征的尺寸可减小，然后孔隙能够以高于或低于给定尺寸的大约1/10通过电子束切割而制造。
[0045]尽管在上文中已对实施本发明的众多实施方式和模式进行了详细描述，熟悉本发明所涉及的领域的技术人员将认识到的是，用于实践本发明的各种可替代的设计和实施方式均在所附的权利要求书的范围内。例如，本文公开的各工程化孔隙结构10可包含单一结构(例如，大纵横比的椭圆)或多个结构(例如，在每一端具有应力减低器的槽)。这些结构可在现有材料中形成和/或在使用任何加工方法的材料的形成过程中形成，所述加工方法例如但不限于，激光切割、电子束切割、水射流切割、光刻法(光学光刻术、UV光刻术等)或微加工。
[0046]应当理解的是，尽管本文所述的各实施方式一致地使用了相同的结构，但本构思包含组合利用本文所公开的不同结构。例如，根据本构思，单一结构中的孔隙结构10的排列可包含如下组合:任意的大纵横比椭圆和/或具有应力减低器的槽和/或在两端具有停止孔的槽和/或双T形槽。
[0047]此外，本文公开的孔隙的形状是非限制性的。只要实现图6中示出的NPR行为，并且单位晶胞以所述的各个方向旋转，则可根据本构思使用不同的形状。根据应用的要求，可选择性地改变孔隙的形状。
[0048]此外，本文追加的是对应于将本构思应用至金属形成的结构的滑动装置(slides)，与具有圆形通孔的规则排列的常规结构形成对比，表明了本构思在金属以及测试橡胶中能够起作用。
【主权项】
1.一种低孔隙率片材材料，所述片材材料包含: 细长孔隙结构的排列，所述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，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔隙结构的长轴垂直于所述第二细长孔隙结构的长轴，所述第一类多元的细长孔隙结构和所述第二类多元的细长孔隙结构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隙结构和所述第二细长孔隙结构之间更替，其中，所述细长孔隙结构的孔隙率低于约10%。2.如权利要求1所述的低孔隙率片材材料，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含大纵横比的椭圆。3.如权利要求1所述的低孔隙率片材材料，其中，所述细长孔隙结构的孔隙率低于约4.如权利要求3所述的低孔隙率片材材料，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含双T槽。5.如权利要求3所述的低孔隙率片材材料，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含在该槽的两端均具有停止孔的槽。6.如权利要求1-5中任一项所述的低孔隙率片材材料，其中，所述片材材料包含至少一种多晶或单晶合金。7.如权利要求6所述的低孔隙率片材材料，其中，所述片材材料包含镍基超级合金、铁镍基超级合金或钴基超级合金。8.如权利要求1-5中任一项所述的低孔隙率片材材料，其中，所述细长孔隙结构的排列限定了:响应于单轴应力，单位晶胞引起所述片材材料表现出负泊松比特性。9.如权利要求8所述的低孔隙率片材材料，其中，在所述排列中，所述行彼此相等地间隔开，并且所述列彼此相等地间隔开。10.如权利要求9所述的低孔隙率片材材料，其中，所述细长孔隙结构各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔隙结构的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。11.如权利要求9所述的低孔隙率片材材料，其中，当将所述材料置于应力下时，所述材料中的所述细长孔隙结构的间隔不发生变化。12.如权利要求9所述的低孔隙率片材材料，其中，当将所述材料置于应力下时，所述材料中的所述细长孔隙结构的形状不发生变化。13.一种用于形成伪拉胀材料的方法，所述方法包括: 提供至少半刚性的本体；以及 在所述本体中形成第一细长孔隙结构和第二细长孔隙结构，其中，所述细长孔隙结构各自具有长轴和短轴，所述第一细长孔隙结构的长轴至少大体上垂直于所述第二细长孔隙结构的长轴，将所述细长孔隙结构以行和列的阵列排列，所述各行和各列中在所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构之间更替，其中，调整所述细长孔隙结构的尺寸以在应力下表现出负泊松比行为。14.如权利要求13所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含大纵横比的椭圆。15.如权利要求13所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述细长孔隙结构的孔隙率低于约4%。16.如权利要求15所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含双T槽。17.如权利要求15所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述第一细长孔隙结构和所述第二细长孔隙结构包含在该槽的两端均具有停止孔的槽。18.如权利要求13-17中任一项所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，在所述排列中，所述行彼此相等地间隔开，所述列彼此相等地间隔开。19.如权利要求13-17中任一项所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述细长孔隙结构各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔隙结构的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。20.如权利要求19所述的用于形成伪拉胀材料的方法，其中，所述细长孔隙结构各自包含位于所述长轴和所述短轴的交叉处的中心，将所述细长孔隙结构的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。
【专利摘要】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(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细长孔隙结构和第二细长孔隙结构之间更替，其中，细长孔隙结构的孔隙率低于约10％。
【IPC分类】B32B3/10, B32B3/12, B32B3/24
【公开号】CN105555517
【申请号】CN201480022494
【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12日
【公告号】CA2907048A1, EP2969525A1, US20160025344, WO2014151045A1
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