НИЗКОПОРИСТЫЙ АУКСЕТИЧЕСКИЙ ЛИСТОВОЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2018 года по МПК F02C7/00 B32B3/12 B32B3/24 F23R3/06 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Настоящее изобретение относится в целом к твердым телам, имеющим искусственные пористые структуры.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Существует много примеров твердых тел, имеющих искусственные пористые структуры; такие искусственные пористые структуры обеспечивают широкое разнообразие механических, акустических и термических характеристик, определенных для данного материала и применения.

[0003] В патенте США 5,233,828 описан пример искусственной пористой структуры для жаровой трубы камеры сгорания газовой турбины. Рабочая температура камеры сгорания газовой турбины составляет около 3000°F (1650°С) или выше. Следовательно, внутреннюю часть камеры сгорания оснащают жаровой трубой камеры сгорания для изоляции прилегающего пространства двигателя и предотвращения термического повреждения других компонентов газовой турбины. Для минимизации перепадов температуры и давления по жаропрочным трубам камеры сгорания стандартно были обеспечены охлаждающие щелевые отверстия, как показано в патенте США 5,233,828, в форме охлаждающих отверстий, расположенных на расстоянии друг от друга, в соответствии с непрерывным порядком расположения.

[0004] В WO 2008/137201 описан еще один пример искусственной пористой структуры для жаровой трубы камеры сгорания газовой турбины. В WO 2008/137201 жаровая труба содержит множество близко расположенных отверстий пленочного охлаждения малого размера для обеспечения охлаждающей пленки по горячей стороне жаровой трубы (т.е. стороне, обращенной к горячим газообразным продуктам сгорания) с холодной стороны жаровой трубы (т.е. стороны, контактирующей с относительно более холодным воздухом в смежном канале). Описано, что эти охлаждающие отверстия имеют неодинаковый диаметр по толщине жаровой трубы, при этом отверстия на холодной стороне имеют первый диаметр, меньший, чем второй диаметр на горячей стороне, таким образом обеспечивают соотношение размеров более 1,0 (например, отношение второго диаметра к первому диаметру может быть от 3,0 до 5,0).

[0005] В патенте США 8,066,482 показан другой пример жаровой трубы камеры сгорания, имеющей определенную искусственную пористую структуру, в которой поры содержат охлаждающие отверстия эллиптической формы, имеющие первый размер на холодной стороне и второй - больший - размер на горячей стороне, таким образом обеспечивают соотношение размеров более единицы. В патенте США 8,066,482 также описано, что охлаждающие отверстия эллиптической формы ориентированы параллельно полю напряжений так, что радиус кривизны "растягивает" поле напряжений и уменьшает концентрации напряжений.

[0006] В ЕР 0971172 А1 аналогично показан другой пример жаровой трубы с отверстиями, используемой в зоне камеры сгорания газовой турбины.

[0007] В настоящее время жаровые трубы камер сгорания, такие как упомянутые выше, разрабатывают со специальной пористой структурой или пористостью, определяемой различными способами как отношение площади отверстий к площади структуры или как отношение объема отверстий к объему структуры, в зависимости от конкретного случая. Существующие эллиптические поры имеют соотношение сторон до 50 для получения заданного режима охлаждения, но эти существующие эллиптические поры приводят к очень высокому напряжению около вершины эллипса.

[0008] Фиг. 1 (а) является кривой зависимости коэффициента Пуассона и по оси Y от деформации по оси X, иллюстрирующей поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона для обоих результатов экспериментальных испытаний, проведенных для резинового исследуемого образца (отмечены круглыми экспериментальными точками), и результаты численного исследования (моделирование методом конечных элементов) (отмечены сплошной линией, ограниченной верхней и нижней пунктирными линиями). Вертикальная пунктирная линия обозначает номинальную деформацию ε_c- точку, в которой достигается критическая истинная пластическая деформация, которая, как указано, была равна -0,05. Дальнейшие уровни деформации, как показано в последовательности фиг. 1(b)-1(d), вызывали все более и более низкие значения для коэффициента Пуассона, пока оно в конечном счете не пересекло ноль и не стало отрицательным. В этих исследованиях было установлено, что, если пористый исследуемый образец был деформирован достаточно сильно, то состояние с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR) могло быть продемонстрировано раз за разом. Таким образом, хотя резина обычно демонстрирует положительный коэффициент Пуассона, как и большинство обычных материалов, было установлено, что благодаря специальному расположению эллиптических отверстий положительный коэффициент Пуассона демонстрирует псевдо-ауксетические свойства.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0009] Аспекты настоящего изобретения посвящены твердому телу, такому как твердотельный листовой материал, имеющий искусственную пористую структуру, благодаря которой твердое тело, имеющее положительный коэффициент Пуассона демонстрирует псевдо-ауксетические свойства при приложении напряжения к твердому телу. Соответственно, материал, имеющий положительный коэффициент Пуассона, может быть структурно модифицирован так, чтобы на микроскопическом уровне вести себя как материал, имеющий отрицательный коэффициент Пуассона (например, материал расширяется в поперечном направлении, если находится под действием растягивающей нагрузки, или сжимается, если находится под действием сжимающей нагрузки) в соответствии с настоящими положениями.

[0010] При сжатии материалов вдоль конкретной оси чаще всего наблюдают их расширение в направлениях, перпендикулярных приложенной нагрузке. Показателем, характеризующим данное поведение, является коэффициент Пуассона, который определяют как отношение отрицательной поперечной деформации к продольной деформации. Большинство материалов характеризуются положительным коэффициентом Пуассона, который приблизительно составляет 0,5 для резины и 0,3 для стекла и стали. Материалы с отрицательным коэффициентом Пуассона будут испытывать сжатие (или расширение) в поперечном направлении при сжатии (или растяжении), и, хотя они и могут существовать в принципе, демонстрация примеров практического осуществления является относительно редким явлением. О выявлении и создании материалов с отрицательным коэффициентом Пуассона, также называемых ауксетиками, впервые сообщил Lakes в 1987 г. Исследования подтверждают, что ауксетическое поведение вызвано взаимосвязью между микроструктурой материала и его деформацией. Примеры этого приведены на основании выявления того, что металлы с кубической решеткой, натуральная многослойная керамика, ферроэлектрическая поликристаллическая керамика и цеолиты - все они могут демонстрировать поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона. Кроме того, было предложено несколько вариантов геометрических характеристик и механизмов для достижения отрицательных значений коэффициента Пуассона, в т.ч. пеноматериалы с повторяющимися структурами, многоуровневые слоистые материалы, полимерные и металлические пеноматериалы.

[0011] Эффекты отрицательного коэффициента Пуассона были также продемонстрированы в масштабе микрометра с использованием композиционных материалов, которые были изготовлены с применением легкой литографии и - в масштабе нанометра - с использованием комплектов листов из углеродных нанотрубок. Значительной проблемой при изготовлении материалов с ауксетическими свойствами является то, что для этого обычно необходимо размещение структур со сложными геометрическими характеристиками в матрице основного материала. В связи с этим процесс производства являлся функциональным ограничением при практическом осуществлении в отношении прикладных задач. Структура, которая формирует основу многих ауксетичных материалов, является такой же, как и у твердого тела с ячеистой структурой, и исследование деформации этих материалов представляет собой достаточно развитую область с основным упором на явление поперечного выпучивания, нагрузочную способность и поглощение энергии при сжимающем нагружении. Совсем недавно результаты комплексного экспериментального и численного исследования продемонстрировали, что механические нестабильности в двухмерных периодических пористых структурах могут вызвать существенные изменения исходных геометрических характеристик. В частности, обнаружено, что одноосное нагружение квадратной матрицы круглых отверстий в упругой матрице приводит к порядку расположения чередующихся взаимно перпендикулярных эллипсов, пока матрица находится под нагрузкой. Это возникает вследствие потери устойчивости при упругих деформациях при превышении критического значения приложенной деформации. Реорганизация геометрии, наблюдаемая в состоянии потери устойчивости, является обратимой и воспроизводимой и происходит в узком диапазоне приложенной нагрузки. Таким образом, это поведение обеспечивает возможности для преобразующихся материалов со свойствами, которые могут быть обратимо изменены. Кроме того, было показано, что изменение порядка расположения приводит к поведению с отрицательным коэффициентом Пуассона в одном направлении для двухмерной структуры, т.е. это происходит только при сжатии. Несложный способ производства образцов вместе с устойчивостью наблюдаемого явления подтверждают, что это может лечь в основу практического способа создания двухмерный ауксетических материалов в широком диапазоне масштабов длин.

[0012] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения низкопористый листовой материал, содержащий конструкцию из структур с продолговатыми порами, каждая из которых включает в себя одну или более субструктур, первое множество первых структур с продолговатыми порами и второе множество вторых структур с продолговатыми порами, причем каждая из первых и вторых структур с продолговатыми порами имеет большую ось и малую ось, большие оси первых структур с продолговатыми порами перпендикулярны главным осям вторых структур с продолговатыми порами, первые и вторые множества структур с продолговатыми порами расположены в матрице рядов и столбцов, при этом каждый из рядов и каждый из столбцов между первыми и вторыми структурами с продолговатыми порами, а пористость структур с продолговатыми порами ниже значения около 10%.

[0013] В соответствии еще с одним аспектом настоящего изобретения способ создания псевдо-ауксетического материала включает в себя действия по обеспечению тела, которое является по меньшей мере полужестким, и создание в теле первых структур с продолговатыми порами и вторых структур с продолговатыми порами. Каждая из структур с продолговатыми порами имеет большую ось и малую ось, большие оси первых структур с продолговатыми порами по меньшей мере по существу перпендикулярны большим осям вторых структур с продолговатыми порами, структуры с продолговатыми порами расположены в матрице рядов и столбцов, при этом каждый из рядов и каждый из столбцов выполнен чередующимся между первыми и вторыми структурами с продолговатыми порами, причем структуры с продолговатыми порами подобраны по размеру для демонстрации поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона при воздействии напряжения.

[0014] Вышеприведенное раскрытие изобретения не предназначено для представления каждого варианта реализации или каждого аспекта настоящего изобретения. В значительной степени раскрытие изобретения единственно обеспечивает пояснение на примерах некоторых новых признаков, представленных в данном документе. Вышеуказанные признаки и преимущества и другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из дальнейшего подробного описания иллюстративных вариантов реализации и способов реализации настоящего изобретения при их рассмотрении совместно с прилагаемыми чертежами и прилагаемыми пунктами формулы изобретения.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0015] Фиг. 1(a)-1(d) представляют собой соответственно график зависимости коэффициента Пуассона от деформации для экспериментальных данных и данных компьютерного моделирования для твердого тела, содержащего эллиптические сквозные отверстия, и изображения структуры, соответствующее отдельным точкам измерения на графике.

[0016] Фиг. 2 представляет собой изображение пути передачи нагрузки в твердом теле, имеющем искусственную пористую структуру, содержащую эллиптические отверстия, обеспечивающие пористость 40%.

[0017] Фиг. 3 представляет собой изображение пути передачи нагрузки в твердом теле, имеющем искусственную пористую структуру, содержащую конструкцию щелевых отверстий и ограничительных отверстий в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

[0018] Фиг. 4 представляет собой изображение пути передачи нагрузки в твердом теле, имеющем искусственную пористую структуру, содержащую конструкцию щелевых отверстий в соответствии с аспектами настоящего изобретения.

[0019] Фиг. 5(а)-5(b) изображает примеры искусственной пористой структуры, которая содержит конструкцию сквозных отверстий в соответствии с аспектами настоящих положений, содержащую соответственно эллипсы с большим соотношением сторон и щелевые отверстия двутавровой (I) формы.

[0020] Фиг. 6 показывает изображение материала в соответствии с аспектами настоящих положений, включающих в себя конструкцию искусственных пористых структур, позволяющих материалу демонстрировать поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR).

[0021] Фиг. 6 показывает изображение элементарной ячейки в материале, содержащем искусственные пористые структуры согласно фиг. 6 в соответствии с аспектами настоящих положений.

[0022] Фиг. 8(а)-8(с) изображают примеры твердого тела, имеющего искусственную пористую структуру, содержащую конструкцию сквозных отверстий в соответствии с аспектами настоящего изобретения, показывающие перераспределение напряжения между областями размещения соседних элементов, реагирующими на приложенное локальное термическое напряжение (см. фиг. 8(b)).

[0023] Фиг. 9-30 изображают различные аспекты и примеры положений, описанных в настоящем документе.

[0024] Так как аспекты этого изобретения допускают различные изменения и различные варианты, специальные варианты реализации были показаны на примере на чертежах и будут подробно описаны в данном документе. Тем не менее, следует понимать, что изобретение, как предполагается, не ограничено описанными отдельными вариантами. В значительной степени предполагают, что изобретение охватывает все модификации, эквиваленты и варианты, соответствующие существу и объему изобретения, как указано в прилагаемых пунктах формулы изобретения.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Данное изобретение допускает много различных вариантов реализации. Характерные варианты реализации изобретения показаны на чертежах и будут подробно описаны в данном документе; необходимо понимать, что настоящее описание изобретения следует рассматривать как пояснение на примерах принципов изобретения, и оно, как предполагается, не ограничивает широкие аспекты изобретения проиллюстрированными вариантами реализации.

[0026] Для целей настоящего подробного описания, если не указано иное: единственное включает в себя множественное и наоборот; слова "и" и "или" являются соединительными и разделительными; слово "все" означает "любой и все"; слово "любой" значит "любой и все"; и слова "включающий в себя" и "содержащий" означают "включающий в себя без ограничений". Кроме того, слова, выражающие приближенное значение, такие как "около", "почти", "по существу", "приблизительно" и подобные им могут быть использованы в данном документе в смысле "около, почти или без малого", или "в пределах 3-5% от", или "в пределах допустимых допусков производства", или любой логической комбинации из них, например.

[0027] Фиг. 6 показывает изображение материала в соответствии с аспектами настоящих положений, включающих в себя конструкцию искусственных пористых структур 10 (содержащую одну или более субструктур, таких как продолговатая структура 104 и структуры 102, снижающие напряжения около каждого конца продолговатой структуры), позволяющих материалу демонстрировать поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона (NPR). Как еще изображено на фиг. 6, когда структура или, в частности, указанная элементарная ячейка 200 испытывает воздействие сжимающей нагрузки, как изображено с помощью стрелки-указателя в направлении Y, сжимающая нагрузка приводит к возникновению момента 210 вокруг центра каждой элементарной ячейки 200, что приводит к вращению ячеек 200. Каждая ячейка 200 в свою очередь влияет на соседние элементарные ячейки 200, такой эффект имеет место за счет способа расположения соседних пор или отверстий (которые могут содержать одну или более субструктур 102, 104) в соответствии с аспектами настоящих положений.

[0028] Хотя искусственные пористые структуры 10, показанные на фиг. 6, изображены в виде двутавровых (I) щелевых отверстий в качестве примера, могут быть использованы другие искусственные пористые структуры (например, эллипсы с большим соотношением осей, другие формы щелевых отверстий, и т.д.), приводящие к аналогичному поведению с отрицательным коэффициентом Пуассона NPR.

[0029] Силы, действующие на отдельную элементарную ячейку 200, представлены в качестве примера на фиг. 7, где FE представляет собой приложенную внешнюю силу, F1,2 представляет собой силу, действующую слева со стороны расположенной рядом соседней ячейки (как показано, расположение в матрице Fx,y), F2,3 представляет собой силу, действующую снизу со стороны расположенной рядом соседней ячейки, и F1,4 представляет собой силу, действующую справа со стороны расположенной рядом соседней ячейки. Каждая элементарная ячейка 200 вращается в направлении, противоположном направлению вращения ее ближайших соседних ячеек, как показано на фиг. 6. Это вращение приводит к уменьшению расстояния по оси X между горизонтальными соседними ячейками. Другими словами, сжатие структуры в направлении оси Y, таким образом, как указано на фиг. 6 стрелкой-указателем в направлении Y, приводит к тому, что материал, из которого состоят элементарные ячейки 200, испытывает сжатие в направлении X, и таким образом демонстрирует "псевдо-ауксетическое" подведение с отрицательным коэффициентом Пуассона NPR. И наоборот, растяжение в положительном направлении оси Y, приводит к растяжению в направлении оси X, что также демонстрирует "псевдо-ауксетическое" поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона NPR. В масштабе всей структуры это имитирует поведение акуксетического материала, несмотря на то что материалы, из которых состоят элементарные ячейки 200, состоят из обычных материалов с положительным коэффициентом Пуассона.

[0030] Вновь обратимся к фиг. 2: на ней изображена искусственная пористая структура 10, использованная в исследованиях на фиг. 1(a)-1(d), с акцентированием внимания на изображении пути передачи нагрузки в твердом материале. В этом примере искусственная пористая структура содержит эллиптические отверстия 12, определяющие пористость 40%. Эти эллиптические отверстия 12 имеют большую кривизну и, следовательно, высокое напряжение и пластичность вместе с соответственно более низкой долговечностью. Стрелки указывают точки максимальной кривизны эллипса и, таким образом, точки максимальных напряжений.

[0031] Несмотря на то что образец материала, имеющий пористость 40%, демонстрирует подтверждение положений, описанных в настоящем документе, как изображено на фиг. 2, этот материал не будет подходить для всех применений. В качестве примера для вышеупомянутых жаровых труб камер сгорания газовых турбин обычно в большинстве случаев используют материалы (например, кольцевые листы материала), имеющие пористость от 1 до 3%, при этом фактическая пористость зависит от индивидуальных конструктивных целей для данного применения (например, теплопередача, акустика, долговечность и т.д.).

[0032] Фиг. 3 представляет собой изображение еще одного твердого тела, которое имеет искусственные пористые структуры 10 в соответствии по меньшей мере с некоторыми аспектами настоящих положений, содержащие конструкцию щелевых отверстий 20 и ограничительных отверстий 15 (расположенных на каждом конце щелевых отверстий 20). Эта конструкция щелевых отверстий 20 и ограничительных отверстий 15 демонстрирует малую кривизну по сравнению с эллипсами 12 на фиг. 1 и, следовательно, демонстрирует малое напряжение и низкую пластичность с соответственно более высокой долговечностью. Показан путь передачи нагрузки, и стрелки указывают точки максимальной кривизны эллипса и, таким образом, точки максимальных напряжений. Ограничительные отверстия 15 используют для остановки распространения трещин, они расположены на концах прямого щелевого отверстия 20 для уменьшения напряжения в этой области. Длина щелевого отверстия 20 подобрана по размеру так, чтобы обеспечивать необходимое поведение.

[0033] В отличие от эллипсов 12 на фиг. 2 конструкция щелевых отверстий 20 и ограничительных отверстий 15 на фиг. 3 демонстрирует пористость всего около 3-4%, за счет чего эта структура является пригодной для отдельных применений, включающих в себя камеры сгорания газовых турбин. Конечно, для таких применений структура будет реализована с использованием материалов, пригодных для такого применения, включающих в себя без ограничения поликристаллические или монокристаллические суперсплавы на основе никеля, железа и никеля и на основе кобальта или другие высокотемпературные коррозионностойкие сплавы без ограничения. Примеры таких сплавов включают в себя без ограничения инконель (например, IN600, IN617, IN625, IN718, IN Х-750 и т.п.), васпалой, сплавы Рене (например, Rene 41, Rene 80, Rene 95, Rene N5), сплавы Хэйнс (например, Хастеллой X), инколой, МР98Т, сплавы TMS и монокристаллические сплавы CMSX (например, CMSX-4).

[0034] Кроме того, следует подчеркнуть, что искусственные пористые структуры 10, описанные в качестве примера в настоящем документе, позволяют материалам, обычно имеющим положительный коэффициент Пуассона, таким как суперсплавы, упомянутые выше, демонстрировать "псевдо-ауксетическое" поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона NPR. Жаровая труба камеры сгорания, например, изготовлена из материала, содержащего специальную пористую структуру для необходимого применения. В отличие от обычных материалов, в которых используют существующие порядки расположения эллиптических пор, которые имеют соотношение сторон до 50 для достижения необходимого поведения (и приводят к очень высокому напряжению около вершины эллипса), искусственные пористые структуры 10, как описано в настоящем документе, такие как щелевые отверстия 30 с элементами 35 для уменьшения напряжений (как описано ниже) способны обеспечить малую пористость и, таким образом, пропускают меньше воздуха.

[0035] Фиг. 4 представляет собой изображение пути передачи нагрузки в твердом теле, имеющем искусственную пористую структуру 10, содержащую конструкцию щелевых отверстий 30 в соответствии с аспектами настоящего изобретения. В показанном примере щелевые отверстия 30 являются двутавровыми (I) щелевыми отверстиями, имеющими структуры 35 для уменьшения напряжений на каждом конце каждого щелевого отверстия 30. В изображенных структурах 35 для уменьшения напряжений горизонтальная часть "тавра" изгибается назад в форме эллипса с большой кривизной в области соединения с вертикальной частью для уменьшения напряжения в этой области. Щелевое отверстие 30, вертикальная часть "тавра", является прямым щелевым отверстием, подобранным по длине так, чтобы обеспечивать необходимое поведение. Что касается конструкции на фиг. 3, эта конструкция щелевых отверстий 30 демонстрирует малую кривизну по сравнению с эллипсами на фиг. 2 и, следовательно, демонстрирует малое напряжение и низкую пластичность с соответственно более высокой долговечностью. Стрелки указывают точки максимальной кривизны эллипса и, таким образом, точки максимальных напряжений. В отличие от эллипсов 12 на фиг. 2, щелевые отверстия 30 на фиг. 4 демонстрируют пористость всего около 1-2%.

[0036] Что касается структур 30, 35 тавровых щелевых отверстий, понижение степени кривизны структур 35 для уменьшения напряжений в свою очередь понижает напряжение. В области соединения щелевых отверстий 30 и структур 35 для уменьшения напряжений кривизна в основном плоская, распределяющая напряжения по большей части этой длины, что вызывает значительное уменьшение локального напряжения.

[0037] В общем, описанные искусственные пористые структуры могут быть применены для любого твердого материала (например, цемент, металл и т.п.) без ограничения, например, газовыми турбинами или камерами сгорания газовых турбин. Тем не менее, в приведенном в качестве примера применении в камерах сгорания для повышения эффективности описанные искусственные пористые структуры 10 вызывают макроскопическое псевдо-ауксетическое поведение (отрицательный коэффициент Пуассона), причем пористость значительно уменьшена, следовательно, уменьшено использование воздуха для охлаждения и демпфирования. Даже если эта структура будет изготовлена из "обычного" металла, пригодного для такого применения, будет происходить ее сжатие в поперечном направлении при приложении к ней осевой сжимающей нагрузки, без того, чтобы материал, из которого она изготовлена, имел отрицательный коэффициент Пуассона. Поведение, как уже было отмечено, обусловлено собственно специальной искусственной пористой структурой.

[0038] Фиг. 5(а)-5(b) изображают примеры искусственных пористых структур 10 в соответствии с аспектами настоящих положений, содержащих соответственно эллипсы 60 с большим соотношением сторон и щелевые отверстия 30 двутавровой (I) формы. Порядок расположения искусственной пористой структуры 10 в соответствии с настоящими положениями содержит горизонтальные и вертикальные структуры (например, щелевые отверстия двутавровой (I) формы, щелевые отверстия с ограничительным отверстиями, эллипсы с большим соотношением осей и т.д.), расположенные по горизонтальным и вертикальным линиям таким образом, что линии расположены на одинаковом расстоянии друг от друга в обоих измерениях (также Δx=Δy). Центры щелевых отверстия расположены в точке пересечения двух данных линий, и вертикальные и горизонтальные щелевые отверстия перемежаются по вертикальным и горизонтальным линиям. Вертикальные щелевые отверстия окружены горизонтальными щелевыми отверстиями вдоль линий (и наоборот), и следующие вертикальные щелевые отверстия находятся по обеим диагоналям. Порядок расположения щелевых отверстий на наружной стороне цилиндрического компонента эквивалентен порядку расположения на листе (вертикальное направление = аксиальное направление, горизонтальное направление = направление вдоль окружности). Тем не менее, в таком исполнении форма щелевых отверстий на внутренней стороне отличается из-за отличия радиуса этой поверхности. Аксиальные щелевые отверстия имеют меньшую малую ось, чем те, что расположены на наружной поверхности, но имеют более длинную большую ось. Щелевые отверстия, расположенные вдоль окружности, имеют более длинную малую ось, чем те, что расположены на наружной поверхности, но имеют меньшую большую ось.

[0039] Преобразование геометрических характеристик конструкций искусственных пористых структур 10 в соответствии с настоящими положениями может управлять проявляемым коэффициентом Пуассона. При увеличении длины (длин) этих инновационных элементов коэффициент Пуассона может быть подобран необходимым образом. Например, большая ось эллипсов 60 на фиг. 5(a) может быть фактически увеличена или уменьшена для управления коэффициентом Пуассона. Собственно малая ось эллипсов обеспечивает возможность изменения эффективного коэффициента Пуассона, но это лишь второстепенное влияние на достигаемое значение отрицательного коэффициента Пуассона. Подобным образом, для других конструкций искусственных пористых структур 10 в соответствии с настоящими положениями, такими как двутавровое (I) щелевое отверстие, структура продолговатого щелевого отверстия (например, 104; фиг. 6) оказывает первостепенное влияние на отрицательный коэффициент Пуассона, и элементы для уменьшения напряжений или более короткие поперечные структуры оказывают второстепенное влияние (по крайней мере отдельно), причем доступное вращение элементарных ячеек 200 позволяет (см., например, фиг. 6) обеспечивать псевдо-ауксетическое поведение.

[0040] По меньшей мере в некоторых аспектах настоящих положений вышеупомянутый исследуемый образец, приведенный выше применительно к фиг. 1(a)-1(d) может быть подвергнут нагружению для определения изменения коэффициента Пуассона, так как исследуемый образец испытывает деформацию при приложении нагрузки. На определенном уровне деформации "мгновенный" коэффициент Пуассона может быть определен и изображен на графике в зависимости от какого-либо параметра, представляющего уровень деформации. Разработчик конструкции или компонента после принятия решения о том, какой коэффициент Пуассона будет пригоден для конкретного применения, может далее определить (например, с помощью справочной таблицы, и т.д.) уровень деформации, соответствующий заданному коэффициенту Пуассона, далее будут определены геометрические характеристики отверстий для того условия. Эти геометрические характеристики отверстий могут далее быть получены механической обработкой (изготовлены) на ненапряженной части для получения компонента с требуемым коэффициентом Пуассона.

[0041] Фиг. 8(а)-8(с) изображают примеры твердого тела, имеющего искусственную пористую структуру 10, содержащую конструкцию сквозных отверстий в соответствии с аспектами настоящего изобретения, демонстрирующую по существу стационарный режим (см. фиг. 8(a)), приложенное локальное термическое напряжение 75 (фиг. 8(b)) и перераспределение напряжения (стрелки 85) между областями размещения соседних элементов, реагирующими на приложенное локальное термическое напряжение (фиг. 8(c)). В соответствии с настоящими положениями материал, содержащий искусственную пористую структуру 10, как описано в настоящем документе, реагирующий на напряжение сжатия в одном направлении в области горячего пятна, заставляет материал с положительным коэффициентом Пуассона демонстрировать свойства с отрицательным коэффициентом Пуассона NPR и испытывать сжатие в другом направлении, что уменьшает термическое напряжение в этом направлении. Механизм также работает наоборот, так что термическое напряжение, вызванное горячим пятном, оказывается значительно уменьшено во всех направлениях. Этот эффект является более сильным, чем просто влияние уменьшенной жесткости. Напряжение в зоне горячего пятна уменьшено на 50%, что приводит к увеличению усталостной долговечности на несколько порядков.

[0042] Еще одним преимуществом искусственных пористых структур 10, описанных в настоящем документе, является то, что для щелевых отверстий с ограничительными отверстиями (например, фиг. 3) или двутавровых (I) щелевых отверстий (например, фиг. 4) необходимо удалять меньше материала из листа, в котором их создают, что, следовательно, упрощает производство. Кроме того, как было отмечено ранее, щелевые отверстия с ограничительными отверстиями (например, фиг. 3) или двутавровые (I) щелевые отверстия (например, фиг. 4) имеют значительно меньший коэффициент пористости (более низкую пористость), что обеспечивает сильное уменьшение потребления воздуха (например, при использовании применительно к газовым турбинам).

[0043] Для повышения эффективности пористые структуры 10, описанные в настоящем документе, могут быть созданы с различными размерами и/или геометрическими характеристиками в зависимости от применения. В качестве примера, охлаждающая или демпфирующая полость в компоненте горячей секции газовой турбины обычно имеет диаметр в диапазоне около 0,5-3 мм. В таком применении пористые структуры 10 в соответствии с настоящими аспектами изобретения будут сконфигурированы с приблизительно одинаковой площадью поперечного сечения для обеспечения такого же уровня потока воздуха. В случаях, когда обеспечены щелевые отверстия с ограничительными отверстиями (например, фиг. 3), ограничительные отверстия могут просто занять место обычной конфигурации отверстий. Таким образом, отверстие может охватывать тот же диапазон диаметров около 0,5-3 мм, и расстояние между отверстиями может быть между 2 и 20 мм. Щелевое отверстие будет соединять два соседних отверстия. Аналогично, что касается изменения размеров щелевых отверстий и элементов уменьшения поперечных напряжений в двутавровом (I) щелевом отверстии (см., например, фиг. 4), длина в продольном направлении двутаврового (I) щелевого отверстия имеет такой же размер, как и для предыдущей формы, между 2 мм и 20 мм. Поперечное растяжение для уменьшения напряжений должно быть между 10% и 50% длины в продольном направлении. Что касается эллипса с большим соотношением осей, ожидают, что размер большой оси (между вершинами) будет между 2 мм и 20 мм, и эллипс будет иметь соотношение сторон между 5 и 50.

[0044] На размер пор влияет толщина компонента и способ изготовления. Например, приведенные выше размеры без ограничения в основном относятся к лазерному изготовлению и эксплуатации в условиях слабой запыленности, таких как в двигателе газовой турбины. В условиях чистого воздуха, например, размер элемента может быть уменьшен, и в таком случае поры могут быть изготовлены электроннолучевой резкой с размером, приблизительно равным 1/10 приведенного выше размера или меньше.

[0045] При том, что многие варианты реализации и способы реализации настоящего изобретения были подробно описаны выше, лица, знакомые с уровнем техники, к которому относится это изобретение, узнают различные варианты конструкции и варианты реализации для практического использования изобретения, в объеме, изложенном в прилагаемых пунктах формулы изобретения. Например, каждая из искусственных пористых структур 10, описанных в настоящем документе, может содержать единую структуру (например, эллипсы с большим соотношением осей) или множественные структуры (например, щелевое отверстие с элементами для уменьшения напряжений на каждом конце). Эти структуры могут быть изготовлены из существующего материала и/или изготовлены в процессе производства материала с использованием любого метода обработки, включающего в себя без ограничений лазерную резку, электронно-лучевую резку, водоструйную резку, фотолитографию (оптическая литография, УФ-литография и т.п.) или микрообработку.

[0046] Следует понимать, что, хотя в каждом варианте реализации, описанном в настоящем документе, были использованы одинаковые структуры, настоящие положения включают в себя использование различных структур, описанных в настоящем документе, в сочетании. Например, конструкция пористых структур 10 в единой структуре в соответствии с настоящими положениями может включать в себя сочетание любых эллипсов с большим соотношением осей, и/или щелевое отверстие с элементами для уменьшения напряжений, и/или щелевое отверстие с ограничительными отверстиями на обоих концах и/или щелевые отверстия двутавровой (I) формы.

[0047] Кроме того, формы пор, описанные в настоящем документе, не являются ограничивающими. В соответствии с настоящими положениями могут быть использованы различные формы при условии, что достигнуто поведение с отрицательным коэффициентом Пуассона NPR, как показано на фиг. 6, и элементарные ячейки вращаются в соответствующих направлениях, как описано. Формы пор могут быть выборочно изменены на основании требований применения.

[0048] Кроме того, к настоящему документу приложены слайды, соответствующие применению настоящих положений к структуре, изготовленной из металла, в отличии от обычной структуры, имеющей обычную матрицу круглых сквозных отверстий, которые демонстрируют то, что настоящие положения работают для металла также, как и для исследуемой резины.

Изобретение относится к твердым телам, имеющим искусственные пористые структуры, и касается низкопористого ауксетического листового материала. Конструкционный материал содержит конструкцию из структур с продолговатыми порами, причем каждая из структур с продолговатыми порами включает в себя одну или более субструктур, первое множество первых структур с продолговатыми порами и второе множество вторых структур с продолговатыми порами, причем каждая из первых и вторых структур с продолговатыми порами имеет большую ось и малую ось, большие оси первых структур с продолговатыми порами перпендикулярны большим осям вторых структур с продолговатыми порами, первые и вторые множества структур с продолговатыми порами расположены в матрице рядов и столбцов, при этом каждый из рядов и каждый из столбцов выполнен чередующимся между первыми и вторыми структурами с продолговатыми порами, первые и вторые структуры с продолговатыми порами выполнены в форме двутавровых щелевых отверстий, так что пористость структур с продолговатыми порами ниже значения около 10%, и конструкция из структур с продолговатыми порами определяет элементарные ячейки, которые в качестве реакции на одноосное напряжение обеспечивают демонстрацию листовым материалом поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона. Изобретение обеспечивает создание материала, имеющего искусственную пористую структуру, благодаря которой твердое тело, имеющее положительный коэффициент Пуассона, демонстрирует псевдо-акустические свойства при приложении напряжения к твердому телу. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 30 ил.

1. Конструкционный низкопористый листовой материал, содержащий:

конструкцию из структур с продолговатыми порами, каждая из которых содержит одну или более субструктур,

первое множество первых структур с продолговатыми порами и второе множество вторых структур с продолговатыми порами, причем

каждая из первых и вторых структур с продолговатыми порами имеет большую ось и малую ось,

большие оси первых структур с продолговатыми порами перпендикулярны большим осям вторых структур с продолговатыми порами,

первые и вторые множества структур с продолговатыми порами расположены в матрице рядов и столбцов, при этом каждый из рядов и каждый из столбцов выполнен чередующимся между первыми и вторыми структурами с продолговатыми порами,

первые и вторые структуры с продолговатыми порами выполнены в форме двутавровых щелевых отверстий, так что пористость структур с продолговатыми порами ниже значения около 10%, и

конструкция из структур с продолговатыми порами определяет элементарные ячейки, которые в качестве реакции на одноосное напряжение обеспечивают демонстрацию листовым материалом поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона.

2. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 1, в котором пористость структур с продолговатыми порами ниже около 4%.

3. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 2, в котором по меньшей мере некоторые из первых и вторых структур с продолговатыми порами содержат щелевые отверстия с ограничительными отверстиями на обоих концах щелевых отверстий.

4. Конструкционный низкопористый листовой материал по любому из пп. 1-3, в котором листовой материал содержит по меньшей мере один поликристаллический или монокристаллический сплав.

5. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 4, в котором листовой материал содержит суперсплав на основе никеля, никеля и железа или на основе кобальта.

6. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 1, в котором в конструкции ряды расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и столбцы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

7. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 6, в котором каждая из структур с продолговатыми порами включает в себя центр на пересечении больших и малых осей,

причем центр каждой из структур с продолговатыми порами расположен в соответствующей точке пересечения одного из рядов и одного из столбцов матрицы.

8. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 6, в котором размещение структур с продолговатыми порами в материале не меняется при воздействии на материал напряжений.

9. Конструкционный низкопористый листовой материал по п. 6, в котором форма структур с продолговатыми порами в материале не меняется при воздействии на материал напряжений.

10. Способ изготовления конструкционного псевдо-ауксетического материала, согласно которому:

обеспечивают тело, которое является по меньшей мере полужестким; и

создают в теле первые структуры с продолговатыми порами и вторые структуры с продолговатыми порами, причем

каждая из структур с продолговатыми порами имеет большую ось и малую ось,

большие оси первых структур с продолговатыми порами по меньшей мере по существу перпендикулярны большим осям вторых структур с продолговатыми порами,

структуры с продолговатыми порами расположены в матрице рядов и столбцов, при этом каждый из рядов и каждый из столбцов выполнен чередующимся между первыми и вторыми структурами с продолговатыми порами,

первые и вторые структуры с продолговатыми порами выполнены в форме двутавровых щелевых отверстий, и

структуры с продолговатыми порами подобраны по размеру для демонстрации поведения с отрицательным коэффициентом Пуассона при воздействии напряжения.

11. Способ изготовления конструкционного псевдо-ауксетического материала по п. 10, в котором пористость структур с продолговатыми порами ниже около 4%.

12. Способ изготовления конструкционного псевдо-ауксетического материала по п. 11, в котором первые и вторые структуры с продолговатыми порами содержат щелевые отверстия с ограничительными отверстиями на обоих концах щелевых отверстий.

13. Способ изготовления конструкционного псевдо-ауксетического материала по любому из пп. 10-12, в котором в конструкции ряды расположены на одинаковом расстоянии друг от друга и столбцы расположены на одинаковом расстоянии друг от друга.

14. Способ изготовления конструкционного псевдо-ауксетического материала по любому из пп. 10-12, в котором каждая из структур с продолговатыми порами включает в себя центр на пересечении больших и малых осей, причем центр каждой из структур с продолговатыми порами расположен в соответствующей точке пересечения одного из рядов и одного из столбцов матрицы.

15. Способ изготовления конструкционного псевдо-ауксетического материала по п. 14, в котором каждая из структур с продолговатыми порами включает в себя центр на пересечении больших и малых осей,

причем центр каждой из структур с продолговатыми порами расположен в соответствующей точке пересечения одного из рядов и одного из столбцов матрицы.