微晶格阻尼材料和可重复吸收能量的方法 |
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| 申请号 | CN201480014452.3 | 申请日 | 2014-01-15 | 公开(公告)号 | CN105008759A | 公开(公告)日 | 2015-10-28 |
| 申请人 | 赫尔实验室有限公司; | 发明人 | T·A·舍德勒; A·J·雅克布森; W·卡特尔; C·P·亨利; C-M·"G"·张; G·P·麦克奈特; A·P·诺瓦克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 描述了一种微晶格阻尼材料和可重复吸收 能量 的方法。所述微晶格阻尼材料是由中空管的三维互联网络形成的多孔材料。该材料通过利用中空管屈曲的能量吸收机制而能够工作以提供高阻尼，特别是声、振动或震动阻尼，这通过微晶格架构可重复进行。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种阻尼材料，其包括： |
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| 说明书全文 | 微晶格阻尼材料和可重复吸收能量的方法[0001] 政府权利 [0002] 本发明是在来自美国军队战备司令部的美国政府合约W91CRB-10-0305号下通过政府支持完成的。政府在本发明中享有一定权利。 [0003] 相关申请的交叉引用 [0004] 这是2013年1月17日提交的标题为“Micro-Lattice Damping Material and Method for Repeatable Energy Absorption”的美国临时申请61/753,848号的非临时发明专利申请。 [0005] 发明背景(1)技术领域 [0006] 本发明涉及微晶格，更具体地涉及微晶格阻尼材料和可重复吸收能量的方法。(2)背景技术 [0007] 本发明涉及可以用于阻尼(例如，声阻尼和震动阻尼)的材料。声阻尼或净噪是通过吸音来更安静地制造诸如机械等部件从而将这些部件的声影响最小化的过程。吸音传统上使用多孔材料来完成，比如开孔泡沫、纤维材料、毛毯和布料。这些多孔材料通过在互联孔中的空气分子的振荡(空气阻力)来吸收声能。此机制从根本上不同于本发明所用的屈曲机制，并且使阻尼成为频率(在低频率下吸收弱)和材料厚度的强函数。另外，关闭所述孔(例如，通过油漆)会降低这些常规吸音材料的效力。 [0008] 作为备选，振动阻尼经常使用粘弹性聚合物来完成。这些材料通过在应力下的聚合物链滑动吸收能量，这是粘性流的原因。粘弹性聚合物的效力非常依赖于温度，因此，粘弹性聚合物仅在较小温度范围(见下图)内呈现高阻尼系数。这样的后果是在极端温度下性能差，或者使用在较宽温度窗内提供较差性能的聚合物混合物。 [0009] 因此，对于提供高阻尼系数并有能力重复吸收大量能量的阻尼材料存在着持续的需求。 发明内容[0010] 本发明涉及一种微晶格，更具体地涉及一种微晶格阻尼材料和可重复吸收能量的方法。本发明通过利用中空管屈曲的能量吸收机制(如通过微晶格提供)而能够工作以提供高阻尼，特别是声、振动或震动阻尼。 [0011] 所述阻尼材料是由中空管的三维互联网络形成的微晶格。 [0012] 在一个方面，所述中空管由材料形成，并具有壁厚度和直径，所述壁厚度与直径的比例小于3εy，其中εy表示形成中空管的材料的屈服应变材料特性。 [0013] 在另一个方面，所述中空管直径为10μm10cm。 [0014] 在另一个方面，所述中空管由选自由金属、陶瓷和聚合物组成的组中的材料形成。 [0015] 在另一个方面，约束层与所述微晶格贴附，所述微晶格可与被阻尼的物体连接。 [0016] 在另一个方面，所述微晶格的阻尼系数(tanδ)大于0.05。 [0017] 在另一个方面，所述微晶格的密度小于0.1g/cm3。 [0018] 在另一个方面，所述微晶格被部分压缩在两种材料之间使得所述微晶格预载有应变。作为非限制性实例，所述微晶格预载至3％50％的应变。 [0019] 在另一个方面，所述微晶格的密度为10mg/cm3以下。 [0020] 在另一个方面，所述微晶格适应在大于300℃的温度、低于-100℃的温度或在超过200℃跨度的温度范围提供阻尼。 [0021] 在另一个方面，所述微晶格贴附至一个或多个面板。 [0022] 在另一个方面，本发明涉及一种通过可重复的能量吸收进行阻尼的方法，其包括如下步骤：在具有互联中空管的网络的微晶格中接收负载(所述负载导致中空管和/或所述管交叉处的节点的弹性屈曲)；和移除负载，其导致微晶格减压，从而在移除负载后，所述微晶格恢复其原始形状。 [0023] 在另一个方面，本发明涉及约束层阻尼器，其包括由中空管的三维互联网络形成的微晶格，所述微晶格与被阻尼的物体贴附；以及约束层，其与所述微晶格贴附，使得所述微晶格包夹在所述被阻尼的物体和所述约束层之间。 [0024] 在另一个方面，本发明涉及一种振幅选择性阻尼材料，其包括需要阈值应力来引发屈曲和相伴的能量吸收的微晶格。 [0026] 在另一个方面，所述阻尼材料包括由中空管的三维互联网络形成的微晶格和两个材料层，所述微晶格被部分压缩在这两层之间使得所述微晶格预载有应变。 [0028] 通过下面参照以下附图的本发明各方面的详细说明，本发明的目的、特征和优点将显而易见，其中： [0029] 图1A是根据本发明的原理的阻尼机制的示意图，其描述可逆并吸收能量的中空管屈曲； [0030] 图1B是显示由中空管阵列组成的微晶格材料的压缩和释放期间的应力和应变的图表，其说明中空管在其屈曲时的能量吸收； [0031] 图2A是微晶格阻尼材料的图示； [0032] 图2B是微晶格阻尼材料的图示； [0033] 图3是描述微晶格材料的形成方法的图示； [0034] 图4A是压缩前的微晶格样品的图示； [0035] 图4B是微晶格样品的图示，其描述压缩10％的样品； [0036] 图4C是微晶格样品的图示，其描述压缩50％的样品； [0037] 图4D是描述压缩负载移除后的微晶格样品的示意图，其说明该微晶格恢复其大约98.6％的初始高度并且恢复其原始形状； [0038] 图4E是微晶格的晶胞在未负载或未压缩状态时的光学图像； [0039] 图4F是晶胞的光学图像，其描述通过在其节点上的屈曲而适应压缩应变的晶胞； [0041] 图4H是在六个50％应变的压缩循环之后的节点的SEM图像； [0042] 图5A是示出在10μm/秒的规定位移速率于微晶格压缩中测量的应力应变曲线的图表； [0043] 图5B是示出刚度和强度如何随着循环数开始减少而后稳定的图表； [0044] 图5C是示出具有1mg/cc的密度和较大晶胞(L：4mm，D：500μm，t：120nm)的样品的前两个压缩循环的应力应变曲线的图表； [0045] 图5D是示出43mg/cc(L；1050μm，D：150μm，t：1400nm)的样品的压缩的应力应变曲线的图表； [0046] 图5E是示出壁厚度(t)与直径(D)的长径比t/D对Ni-7％P微晶格压缩行为的影响的图表； [0047] 图6是示出在频率＝1Hz且振幅＝5μm的压缩DMA试验中密度＝14mg/cm3的“原生”Ni-7％P微晶格的阻尼系数(tanδ)和应变对正交力(预载)的图表； [0048] 图7是示出在频率＝1Hz和三个不同振幅的压缩DMA试验中密度＝12mg/cm3的预压缩Ni-7％P微晶格的阻尼系数对应变的图表； [0050] 图9是示出在两个不同振幅和两个不同预压缩应变的剪切DMA试验中的密度～3 20mg/cm的Ni-7％P微晶格的阻尼系数对频率的图表； [0051] 图10是示出微晶格相比于吸音泡沫的吸音的图表； [0052] 图11是描述通过微晶格材料可能实现振幅选择性阻尼的图示，这是因为阈值应力对于引发屈曲和相伴的能量吸收是必要的； [0053] 图12A是根据本发明原理的约束层阻尼设置的图示，其描述了静止时的阻尼设置； 具体实施方式[0055] 本发明涉及一种微晶格，更具体地涉及一种微晶格阻尼材料和可重复吸收能量的方法。以下提供的描述可使本领域普通技术人员完成和使用本发明，并将其结合在具体应用环境中。各种改型以及不同应用中的种种用途对于本领域技术人员来说是显而易见的，本文定义的一般原理可应用于广泛的实施方式。因此，本发明不是意图限制于提出的实施方式，而是要符合与本文公开的原理和新特征一致的最宽范围。 [0056] 在以下详述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的更彻底的了解。然而，本领域技术人员将明白本发明可以实施而不必限于这些具体细节。在其他情况下，为了防止模糊本发明，公知的结构和设备以框图形式示出，而非详细示出。 [0057] 读者应注意与本说明书同时提交并且与本说明书一起对公众开放的所有论文和文献，并且所有这些论文和文献的内容皆通过引用并入本文。在本说明书中公开的所有特征(包括任何随附的权利要求、摘要和附图)可以被提供相同、等同或相似目的的备选特征所替代，除非另有明确说明。因此，除非另有明确说明，每个公开的特征仅是一大系列等同或相似特征的一个实例。 [0058] 此外，如35U.S.C.Section 112,Paragraph 6中规定的，权利要求中没有明确表明执行规定功能的“手段”或执行具体功能的“步骤”的任何要素不应被理解为“手段”或“步骤”条款。具体而言，在本文的权利要求中使用“步骤”和“行动”不意图启动35 U.S.C.112,Paragraph 6的规定。 [0059] 请注意，若使用，标签左、右、前、后、顶部、底部、正向、反向、顺时针和逆时针仅出于方便的目的使用，并非意图暗示任何具体的固定方向。相反，它们是用于反映物体的不同部分之间的相对位置和/或方向。 [0060] 在详细描述本发明之前，简介首先给读者提供对本发明的大致了解。然后，提供本发明的具体细节以给出对具体方面的理解。 [0061] (1)简介 [0062] 本发明涉及微晶格，更具体地涉及微晶格阻尼材料和可重复吸收能量(通过可逆变形)的方法。可用作依照本发明的阻尼材料的适当微晶格的实例描述在2012年8月13日提交的名称为“Ultra-light Micro-Lattices and a Method for Forming the Same”的美国非临时发明申请13/584,108号中，其通过引用在此并入，如同在此完全阐述。使用这种微晶格结构，本发明通过利用中空管屈曲的能量吸收机制(如通过微晶格提供的)而能够工作以提供高阻尼，特别是声、振动或震动阻尼。 [0063] 以下描述的是示例微晶格阻尼材料的结构和这些材料在循环负载中吸收能量的方法。简要来说，本发明需要具有高阻尼或损失系数的互联中空管的三维晶格结构。一个独特的方面是通过中空管和/或管相交处的节点的弹性屈曲的能量吸收，其从根本上不同于常规的阻尼机制，且可用于声、振动和震动阻尼。重要的是，微晶格在其他材料重量的一小部分的情况下也实现了阻尼效力。例如，声学测量已经证明了微晶格与泡沫相似的吸音性能，但其重量是泡沫的五分之一。因此，在一个方面，本发明使得能够设计具有与粘弹性聚合物相似的阻尼特性的金属或陶瓷微晶格材料，同时保持金属或陶瓷的优点，例如温度不敏感性(相比于粘弹性材料的仅20℃30℃范围)、环境稳定性、高比刚度和强度。 [0064] 所述材料可用作吸音器，其比常规吸音器显著更薄更轻。另外，例如，其可作为减震器用于汽车中以便抑制声音并提供冲击保护。在另一个方面，特别是通过较低的重量、较低的温度依赖性和多功能特性(例如，同时减振和加热/冷却)，其可用作约束层阻尼器来抑制飞机或旋翼机机身的震动。在另一个方面，其可用作高温阻尼器，其能实现靠近通常作为源头的内燃机和涡轮发动机的声学和振动阻尼。在太空应用上，其可利用晶格的可恢复的变形能力而用作可部署的振动或震动阻尼器。在另一个方面，微晶格可用作航天器发射过程中的易碎的有效载荷的缓冲垫，或者，在另一个方面，其可用作用于水下应用(如船舶和潜艇)的吸音器。因此，可理解的是，微晶格的独特特性使其可用于各种阻尼应用中。 [0065] (2)具体细节 [0066] 如上所述，本发明涉及微晶格阻尼材料和相关的阻尼机制。如图1A和图1B所示，所述阻尼机制是基于通过中空管的弹性屈曲的能量吸收。特别地，图1A描述了中空管100的阻尼机制，图示了施加至中空管100的力102，并且显示了可逆且吸收能量的中空管屈曲。为了进一步理解，图1B为图示中空管100在其屈曲时的能量吸收的图表。 [0067] 虽然图1A示出单个中空管100，但如图2A和2B所示，应理解本发明包括形成微晶格阻尼材料200的互联中空管的三维晶格结构。特别地，图2A和图2B示出微晶格阻尼材料200的两个实例。图2A和图2B中示出的微晶格阻尼材料可使用任何适当的技术形成，所述技术的非限制性实例描述在美国申请13/584,108号中。如上所述，该微晶格200具有高阻尼或损失系数，并且可用于声、振动和震动阻尼。 [0068] 所述阻尼材料可由金属或陶瓷微晶格材料(或任何其他合适的材料)形成，该金属或陶瓷微晶格材料具有与粘弹性聚合物相似的阻尼特性，同时保持金属或陶瓷的优点，如温度不敏感性、环境稳定性、高比刚度和强度。例如，金属Ni-7％P微晶格阻尼材料已示出损耗系数tanδ＝0.2，其比常规泡沫镍高10倍。此种材料通过将Ni-7％P薄涂层化学镀覆到聚合物微晶格模板上而形成(如在美国申请13/584,108号中所述的和在图3中描述的)。 [0069] 如图3所示，微晶格阻尼材料200的实例是用自蔓延光聚合物波导技术制造的，由此使合适的液体光反应单体300暴露于穿过图案化掩模304的平行UV光302，产生互联的三维光聚合物晶格306。合适的液体光反应单体300的非限制性实例是硫醇-烯树脂。 [0070] 以此方法，可通过改变掩膜304图案和入射光的角度制得具有0.1>10mm范围内的晶胞的大范围的不同架构。作为非限制性实例，所述架构可生成有1mm4mm的晶格成员长度L、100μm500μm的晶格成员直径D、100nm500nm的壁厚度t和60°的倾斜角θ，类似于在图2A和图2B描述的微晶格。 [0071] 应当注意聚合物晶格306是开放式多孔模板。在生成聚合物晶格306后，在聚合物晶格306上沉积膜(例如，共形的镍-磷薄膜)。 [0072] 在用材料膜涂覆(即，沉积)晶格306(即，模板)时，可使用任何合适的沉积技术来涂覆该模板，沉积技术的非限制性实例包括无电镀覆308、电泳沉积、化学气相沉积、物理气相沉积、原子层沉积、溶液沉积或溶胶-凝胶沉积。对于镍涂层，无电镀覆的效果好，而电泳沉积对于多成分合金(例如，钢)的效果好。化学气相沉积和物理气相沉积分别对于金刚石和氮化钛的效果好，而原子层沉积对于二氧化硅的效果好。上述的沉积技术也可根据需要与陶瓷材料一起使用。 [0073] 其后，随后对所述聚合物随后进行蚀刻310(通过化学蚀刻或足够温和而不破坏微晶格的任何其他合适的蚀刻技术)。蚀刻剂相对于模板和涂覆材料必须为选择性的，即，模板蚀刻速率需要大幅快于涂层的蚀刻速率。对于硫醇-烯模板上的镍涂层，氢氧化钠溶液是一种期望的蚀刻剂。有机溶液、等离子体蚀刻、热裂解或其他蚀刻剂对于其他材料组合是有利的。冷冻干燥用于在从溶液中移除时被毛细力变形的易碎微晶格。 [0074] 在一个实例中，自催化无电镍镀覆反应能够在复杂的外形和内孔上沉积具有受控厚度的薄膜，而没有明显的传质限制。通过控制反应时间，可获得100nm的壁厚度，同时保持均匀的共形涂层。所得的微晶格材料200基本上将三维的沉积纳米级薄膜转化为形成基础结构元素为中空管的宏观材料(如图1所示)。应当注意，可在聚合物晶格306上沉积任何合适的材料，其非限制性实例包括镍、锌、铬、锡、铜、金银、铂、铑、铝、陶瓷(包括金刚石、类金刚石碳、氧化铝、氧化锆、氧化锡、氧化锌、碳化硅、氮化硅、氮化钛、氮化钽、氮化钨)、聚合物(包括聚对二甲苯)或它们的组合或合金，包括多层不同材料。 [0075] 在一个非限制性实例中，透射电子显微镜(TEM)揭示了沉积原样的无电镀镍薄膜是具有～7nm晶粒大小的纳米晶。能量色散X射线光谱证实沉积物的组成是以重量计为7％的磷和93％的镍。由于膜沉积后没有退火，其保持为磷在结晶面心立方(fcc)镍晶格中的过饱和固溶体，其中不存在Ni3P沉淀。7nm晶粒大小使得无电镀镍薄膜相比常规的纳米或微米晶体镍更硬且更脆。通过纳米压痕和中空管压缩测量出6GPa的硬度和210GPa的模量。 [0076] 具有这些极低密度的微晶格呈现出独特的力学行为。针对微晶格的压缩试验显示了从超过50％的应变恢复。 [0077] 图4A至图4D提供了压缩测试期间14mg/cc的微晶格样品400(L：1050μm，D：150μm，t：500nm)的图像，同时图5A揭示了在10μm/秒的规定位移速率下测得的相应应力-应变曲线。在这些试验中，样品没有在底部或顶部贴附到面板或压缩压板。图4A描述了压缩前的微晶格样品400。如图4B所示，在第一次压缩后，该微晶格展现出529kPa的压缩模量，与起始于10kPa应力的线性弹性行为有偏差。应力在与屈曲和节点断裂事件相关的峰值之后略有下降，随后随着屈曲和局域化的节点断裂事件经过晶格扩散，在应力-应变曲线中形成宽平台。图4C显示出在50％压缩下的微晶格。在卸除负载后，应力迅速下降，但不接近0，直到压板接近其原来的位置。除去负载后，微晶格恢复到其原始高度的98.6％，并恢复其原始形状(如图4D所示)。为了进一步说明，图4E至图4H提供了微晶格样品从其压缩到恢复的图像。更具体地，图4E是微晶格的晶胞在无负载或未压缩状态下的光学图像。图4F是晶胞的光学图像，其描述了晶胞如何通过节点处的屈曲而适应压缩应变。图4G是测试之前的节点的扫描电子显微镜(SEM)图像，而图4H是在六个50％应变的压缩循环之后的节点的SEM图像。 [0078] 有趣的是，对应于第1循环的应力-应变行为在随后的测试中从未重复。相反，在第二压缩期间，不存在峰值应力，并且“伪硬化”行为改变，但在50％应变时达到的应力水平仅比第一循环后低10％。连续的压缩循环显示了和第二压缩几乎相同的应力-应变曲线。 [0079] 如图5B所示，刚度和强度随着循环数降低，但在第三循环之后几乎不变(如图5B所示)。在压缩试验中，微晶格显示出显著的滞后，允许测量能量吸收，其对于第一循环被估算为2.2mJ。在三个循环后，通过将吸收的能量除以压缩所需的总能量计算出几乎恒定的能量损失系数为～0.4。 [0080] 图5C显示了具有1mg/cc的密度和较大晶胞(L：4mm，D：500μm，t：120nm)的样品的前两个压缩循环的应力-应变曲线，其示出在超低密度机制中的不同的微晶格的类似行为。增加密度和壁厚度会最终导致对于金属多孔材料更典型的压缩行为。图5D显示了43mg/cc的样品(L：1050μm，D：150μm，t：1400nm)的样品的压缩：注意从50％应变卸除负载后的应变恢复基本上不存在。 [0081] 在变形期间的超轻微晶格的光学检查表明了变形通过节点处的Brazier屈曲引起(如图4E和4F所示)。通过SEM对微晶格的进一步检查显示出在50％压缩时裂纹和褶皱主要在节点处被引入。这种损伤是第一压缩循环后观察到的1％2％残余应变以及随后压缩循环中屈服强度和弹性模量降低的原因。一旦在节点处形成稳定的缓解裂缝，则块体微晶格材料可经受较大的压缩应变而不会承受固体镍-磷材料中的进一步断裂或塑性变形，从而展现出在图4A至图5D中示出的可逆的压缩行为。很明显，中空管壁厚度与管直径的极小长径比，通过使桁架构件围绕剩余节点韧带进行较大旋转而没有积累显著的塑性，在几乎全部的变形可恢复性中起到关键作用。增加此长径比导致过度断裂和可恢复的变形行为的损失(如图5D所示)。准静态压缩试验显示了从超过50％应变的可恢复的变形以及由应力-应变曲线中的滞后体现的较大能量吸收。 [0082] 长径比t/D(中空管壁厚度/直径)的影响在图5E中进一步说明，其导致了以下革新：近似或小于材料屈服应变的长径比t/D是实现与中空管的弹性屈曲相连的伪超弹性行为所希望的。作为非限制性实例，中空管具有以下壁厚度和直径，使得壁厚度与直径的比例小于3εy(即，3乘以εy)，其中εy表示形成中空管的材料的屈服应变材料特性。针对Ni-7％P微晶格，例如，对于可逆变形(屈曲)和高阻尼，t/D必须近似或小于0.01，并且通过测量屈服强度为2500MPa和杨氏模量为210GPa，已确定了Ni-7％P的屈服应变为0.012。对于不同材料(例如铜)，屈服应变是不同的。在铜的情况中，屈服应变是0.0034，因此中空管长径比t/D必须近似或小于0.0034以便实现可逆变形和高阻尼。可逆屈曲的机制以及不同材料如何进行更详细地记载于Kevin J.Maloney,Christopher S.Roper,Alan J.Jacobsen,William B.Carter,Lorenzo Valdevit et al.,in“Microlattices as architected thin films:Analysis of mechanical properties and high strain elastic recovery,”APL Mater,1,022106(2013)；doi:10.1063/1.4818168，其通过引用在此并入，如同在此完全阐述。 [0084] 然而，所述微晶格展现出完全不同的块体特性：多孔架构，通过实现足够的变形自由和对局部应变的耐受(比如形成在重复的压缩循环期间稳定的缓解裂缝)，同时仍使结构维持于保持一致，将易碎的薄膜特性转化为延性和超弹性的晶格行为。因此，多孔材料架构可以根本上改变材料特性并生成块体尺度上的功能延展性和功能超弹性。 [0085] 为了进一步说明，图6至图9图示了对样品微晶格(如图2所示)的动态力学分析(DMA)结果。更具体地，图6是示出在频率＝1Hz且振幅＝5μm的压缩DMA试验中密度3 ＝14mg/cm的“原生”Ni-7％P微晶格的阻尼系数(tanδ)和应变对正交力(预载)的图 3 表。作为另选，图7是示出在频率＝1Hz和三个不同振幅的压缩DMA试验中密度＝12mg/cm的预压缩Ni-7％P微晶格的阻尼系数对应变的图表。此外，图8是示出在频率＝1Hz和两 3 个不同预压缩应变的剪切DMA试验中的密度～20mg/cm的Ni-7％P微晶格的阻尼系数和剪切模量对振幅的图表。最后，图9是示出在两个不同振幅和两个不同预压缩应变的剪切 3 DMA试验中的密度～20mg/cm的Ni-7％P微晶格的阻尼系数对频率的图表。 [0086] DMA测得在压缩和剪切中，镍微晶格(例如，节点至节点间距：1mm，直径～150μm，桁架角＝60°，壁厚度＝0.3μm0.5μm)的阻尼系数(tanδ)为至多0.22。作为参比，相对密度在3％4％之间(0.240.32g/cc的密度)的典型泡沫镍的损失系数为～0.01-0.02。 [0087] 如上所述，所述微晶格还实现了声阻尼。为了证实微晶格的声学能力，在Brüel& 声学测试管中进行吸音测量，其结果显示在图10中。虽然微晶格材料由于其较大且周期性的孔隙度而对声波相当通透，但当将其连接到具有面板的结构中时，其可以很好的吸收声音。如在DMA试验中观察到的，通过将微晶格结构压缩至3％5％的应变而预载微晶格使得吸收系数升高，这是由于阻尼性能提高。 [0088] 如图10所示，在测定的频率范围内，密度为8mg/cc的微晶格1000(具有面板并且预载(例如，被部分压缩在两个其他材料或层之间))的吸音性能与具有相同厚度的密度为38mg/cc的吸音泡沫1002相当。例如，阻尼材料可以包括微晶格和两个其他材料或层(例如，被阻尼的物体和约束层(如图12所示)，或将微晶格夹在中间的两个约束层)。 [0089] 图11显示了基于需要阈值应力来引发屈曲和能量吸收的微晶格的振幅敏感性阻尼器的构思。例如，所述微晶格阻尼材料可用于构造仅对较大振动或震动/冲击有反应同时在正常工作条件下提供高刚度和强度的声学开关或限制器或振动阻尼器。在这方面，使用微晶格的非线性弹性行为。在低激发压力下，材料线性地起作用并且传递大多数声(或振动)能。在更高的振幅，材料开始更显著地阻尼并且显示了更大的吸收。因此，由于需要阈值应力才发生的潜在的屈曲机制，所述微晶格阻尼材料能实现振幅特异性阻尼。另外，常规阻尼材料对于任何振幅都有反应。 [0091] 如前所述，所述微晶格结构可被优化以最大化能量吸收。也可根据应用和负载条件调节多孔架构以设计适当的屈曲强度。例如，压缩和剪切特性(模量和强度)高度依赖于晶格成员角。因此，对于同样的材料(Ni-P)和密度，可改变晶格成员角以提高或降低屈曲强度。对晶格成员角的改变可以在最初的形成过程中完成，例如通过改变图3中所示的平行UV光线的角度。 [0092] 图12A和12B显示了根据本发明原理的约束层阻尼器，其可应用于汽车、飞机或可受益于阻尼的其他结构上。常规的约束层阻尼是一种用于抑制振动的机械工程技术，并且通常包括夹在两片刚性材料(其自身缺乏足够的阻尼)之间的粘弹性材料。作为粘弹性层的替代，并如图12A和图12B所述，用微晶格阻尼材料1200替换所述粘弹性层。微晶格阻尼材料1200的高刚度(与粘弹性材料相比)导致更高的能量吸收。在此实例中，微晶格层1200被包夹在被阻尼的物体1202和约束层1204之间。如上所述，被阻尼的物体1202可以是可受益于阻尼的任意物体，例如，机动车外表面、飞机的外壳结构等。另外，约束层1204是保持微晶格层1200靠在被阻尼的物体1202上的任意材料或层(例如，面板)。作为非限制性实例，所述约束层1204是坚硬且牢固的材料(例如，塑料、金属等)的薄片，以迫使微晶格1200变形(即，切变)。应理解的是，虽然使用术语微晶格“层”，但由于微晶格可以任意适合的形状(如，块、层、杆等)形成，本发明并不意欲限于“层”。此外，所述微晶格可与一个或多个面板(例如，约束层)贴附或位于所述一个或多个面板之间。 [0093] 和DMA实验中测定的不同的架构对于约束层阻尼器可能是希望的，特别是在剪切中进行屈曲的结构。所述微晶格材料可对现有的基于粘弹性聚合物的处理提供若干潜在优点。首先，阻尼可在很宽泛的温度范围实现，包括当前局限于表面区域摩擦技术(比如粒子阻尼)的太空和低温环境(例如，低于100℃等)。 [0094] 其次，具有高损耗系数的粘弹性材料一般非常柔软。为了增加这些材料在面板阻尼应用中的能量吸收，在面板和粘弹性材料之间放置机械杠杆部件，比如间隔块。此间隔块对于阻尼处理增加了显著的体积和质量。通过增加使用前述架构参数的微晶格的模量，可减少或消除此杠杆部件，从而降低处理的质量和体积。 [0095] 综上，微晶格阻尼材料的使用提供了若干超过现有阻尼材料的优点。以下提供几个优点。 [0096] 微晶格阻尼材料可由金属材料制造，并展现高阻尼同时保留金属特性，包括电导性和热导性、环境稳定性、高温能力(例如，大于300℃)、高刚度。例如，镍微晶格已显示出损失系数(tanδ)＝0.2。作为参比，密度在3％4％之间的典型泡沫镍的损失系数为～0.01-0.02。 [0097] 作为超过现有技术的另一个优点，微晶格阻尼材料可由陶瓷材料(例如，氧化物、Si3N4、SiC、金刚石)制造，并可被设计为展现高阻尼，同时也显示出成分陶瓷的特性，包括耐氧化性、耐蚀性、超高温能力和压电性。 [0098] 此外，与局限于在其玻璃化转变温度附近的小温度范围的常规粘弹性聚合物阻尼器相比，金属或陶瓷微晶格阻尼材料可在大温度范围内(例如，对于Ni-7％P为-100℃500℃或在超过200℃跨度的范围等)工作。 [0099] 微晶格阻尼材料由于其开放式的多孔结构而提供多功能的机会，例如，同时阻尼和主动冷却或加热、阻尼和能量储存、阻尼和冲击/爆炸能量吸收等。 [0100] 此外，微晶格阻尼材料可被设计为提供各向异性阻尼特性。选择非立方体的晶胞(布拉维晶格理论意义上)一般导致各向异性力学特性。例如，一个桁架角为60度(如在一个方面中)的四方晶胞在较长方向(90度)上产生比两个较短方向(0度)上更高的刚度和强度。这种各向异性也影响阻尼特性，使得在90度方向上比0度方向上的阻尼效率更高。可通过相应地改变架构参数可增加各向异性，例如，更陡的角度(70度)增加各向异性。在一个方向上具有高阻尼而在另外一个方向上具有低阻尼的材料在某些应用中是有用的。 这对于常规固体阻尼材料(其是各向同性的)是不可能的。 [0101] 最后，微晶格阻尼材料是超轻质的。例如，密度为0.01g/cm3的金属Ni-7％P微晶格示出了损失系数tanδ＝0.2，而粘弹性聚合物可达到接近1的损失系数，但密度为1g/3 cm，这比微晶格高100倍。 |
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