具有面内材料性质变化的微桁架材料 |
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| 申请号 | CN201380074649.1 | 申请日 | 2013-04-17 | 公开(公告)号 | CN105073630A | 公开(公告)日 | 2015-11-18 |
| 申请人 | HRL实验室有限责任公司; | 发明人 | S·S·杨; A·J·雅各布森; | ||||
| 摘要 | 一种具有材料性质变化的微桁架薄板。所述薄板可包含多个交叉于 节点 的桁架元件。所述薄板内某一点处的桁架元件直径可与薄板内另一点处的桁架元件直径不同。在一个实施方案中，所述薄板某一部分的相邻桁架元件之间的距离可与薄板另一部分的相邻桁架元件之间的距离不同。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微桁架薄板，包括： |
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| 说明书全文 | 具有面内材料性质变化的微桁架材料[0002] 本申请以引用方式将发明名称为“功能梯度三维有序开孔微观结构及其制造方法”的美国专利No.8195023(“023专利”)和发明名称为“光性定向三维聚合物微观结构”的美国专利No.7382959(“959专利”)全文纳入本文，如同以全文进行阐述。 技术领域[0003] 本发明涉及微桁架材料，更特别地涉及以薄片形式存在的具有沿薄板内的材料性质变化的微桁架材料。 背景技术[0005] 在这些应用中，理想的是一块材料的性质并非整块均匀，而是变化的。例如，在流动控制材料中，优选的是通过该块材料的某一部分的流动速率比另一部分大，或者，在一块用作缓冲垫的材料中，优选的是所述缓冲垫的某一部分比另一部分更加坚固。 [0006] 因此，需要一种具有非均匀性质的微桁架材料。 [0007] 发明概述 [0008] 本发明涉及一种具有沿薄板内的材料性质变化的微桁架薄板。例如，所述桁架元件的直径或它们的间距沿薄板内可以变化，便于提供一种适于以非均匀薄板为优选的应用的新型材料。 [0009] 根据本发明的实施方案，提供一种微桁架薄板，包括：由多个第一自动传输的聚合物波导管限定并沿第一方向延伸的多个第一桁架元件；由多个第二自动传输的聚合物波导管限定并沿第二方向延伸的多个第二桁架元件；以及由多个第三自动传输的聚合物波导管限定并沿第三方向延伸的多个第三桁架元件；所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件作为一个连续体被整体提供；所述薄板的长基本上大于其厚度，并且所述薄板具有沿薄板的长分离的第一点和第二点。本文中处于所述第一点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的所述直径比处于所述第二点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的所述直径大至少10％。 [0010] 在一个实施方案中，沿所述薄板长的处于所述第一点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的所述桁架元件的所述直径比处于沿所述薄板长的所述第二点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的所述桁架元件的所述直径大至少二的因数(a factor of two)。 [0011] 在一个实施方案中，所述第一桁架元件、所述第二桁架元件和所述第三桁架元件形成周期性结构，其中所述周期性结构的单位单元大小沿所述薄板的长基本上是恒定。 [0012] 在一个实施方案中，所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的每一个的直径都小于10毫米。 [0013] 在一个实施方案中，所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的每一个的直径都大于10微米。 [0014] 在一个实施方案中，所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件交叉于节点，其中，所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中每一个的直径都小于节点间最小距离的1/3。 [0015] 在一个实施方案中，所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件交叉于节点，其中在所述微桁架薄板中某一点处，所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中每一个的直径都大于节点间最小距离的1/20。 [0016] 在一个实施方案中，所述薄板的宽度基本上大于其厚度，其中沿所述薄板的宽处于第三点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的直径比处于沿薄板的宽的第四点处的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的直径大至少10％。 [0017] 在一个实施方案中，所述薄板的宽度基本上大于其厚度，其中沿薄板的宽处于第三点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的直径比沿所述薄板的宽处于第四点处的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的直径大至少二的因数。 [0018] 在一个实施方案中，所述第一桁架元件、所述第二桁架元件和所述第三桁架元件形成周期性结构，其中沿所述薄板的长处于所述第一点处的所述周期性结构的单位单元大小不同于沿所述薄板的长处于所述第二点处的单位单元大小(unit cell size)。 [0019] 在一个实施方案中，所述沿薄板的长处于第一点处的所述周期性结构的单位单元大小是所述沿所述薄板的长处于第二点处的单位单元大小的正整数倍。 [0020] 在一个实施方案中，所述处于所述第一点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的所述桁架元件的直径与处于所述第一点的节点之间的最小距离之比基本上与所述处于所述第二点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的所述桁架元件的直径与处于所述第二点的节点之间的最小距离之比基本上相同。 [0021] 在一个实施方案中，所述沿所述薄板厚度处于第三点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的直径比所述沿所述薄板厚度的处于第四点的所述多个第一桁架元件、所述多个第二桁架元件和所述多个第三桁架元件中的桁架元件的直径大至少10％。 [0022] 根据本发明的实施方案，提供一种三维有序开孔薄板，具具有基本上大于其厚度的长，并且包括：在所述薄板的第一区域内由多个第一自动传输的聚合物波导管限定的第一三维互连模式的桁架元件；在所述薄板的第二区域内由多个第二自动传输的聚合物波导管限定的第二三维互连模式的桁架元件，所述第二区域与所述第一区域沿所述薄板的长互相分离，所述第一三维互连模式与所述第二三维互连模式不同；以及与所述第一三维互连模式的桁架元件和所述第一三维互连模式的桁架元件连接为一个连续体的过渡体。 [0023] 在一个实施方案中，所述过渡体是由多个第三自动传输的聚合物波导管限定的第三三维互连模式的桁架元件，所述第三三维互连模式与所述第一三维互连模式以及所述第二三维互连模式都不相同。 [0024] 在一个实施方案中，所述第一和第二三维互连模式三维有序。 [0025] 在一个实施方案中，所述第三三维互连模式的所述桁架元件分别沿不同方向延伸；并且所述第三三维互连模式的所述桁架元件在多个节点处彼此贯穿以形成自支撑结构。 [0026] 在一个实施方案中，所述第三三维互连模式的所述桁架元件中至少两个在多个节点的某个节点处以非垂直的角度彼此交叉。 [0027] 在一个实施方案中，所述第三三维互连模式的桁架元件中至少三个在多个节点的某个节点处以非垂直的角度彼此交叉。 [0028] 在一个实施方案中，所述第三三维互连模式的桁架元件中至少四个在多个节点的某个节点处以非垂直的角度彼此交叉。 [0031] 图1A为根据本发明的实施方案的形成部分微桁架薄板的微桁架结构的透视图； [0032] 图1B为根据本发明的实施方案的微桁架薄板的单位单元的透视图； [0033] 图2A为根据本发明的实施方案的沿薄板内具有不均匀性质的微桁架薄板的俯视图照片； [0034] 图2B为图2A薄板的一部分的特写照片； [0035] 图2C为图2A薄板的另一部分的特写照片； [0036] 图2D为图2A薄板的另一部分的特写照片； [0037] 图3为根据本发明的实施方案的沿薄板内具有不均匀性质的非矩形薄板的俯视图照片； [0038] 图4为说明形成根据本发明的实施方案的沿薄板内具有不均匀性质的微桁架薄板的过程的流程图； [0039] 图5为根据本发明另一个实施方案的沿薄板内具有不均匀性质的微桁架薄板的侧面示意图。 [0040] 发明详述 [0041] 以下结合附图进行的详细描述意在作为根据本发明提供的面内材料性质变化的微桁架材料的示例性实施方案的描述，而并不意在表示本发明可以被构建或使用的仅有形式。本说明书结合图示性实施方案阐述了本发明的特征。然而应该理解，相同或等同的功能和结构可以通过不同的实施方案来实现，其也意图包含在本发明的精神和范围内。如本文其他地方所示的，相同的元素编号意在表明相同的元素或特征。 [0042] 参考图1A，根据本发明的实施方案，沿薄板内性质变化的微桁架薄板的一部分可以包括相交于节点120的多个桁架元件110。在形成这样一种微桁架薄板的示例性过程中，可以将合适的可光聚合树脂倒入托盘，并用具有一系列孔的罩子覆盖。托盘可以用平行光穿过罩子来照射。从给定方向进入罩子穿过该罩子上给定孔的平行光在树脂中呈现一束光的形式，并在光束范围内在树脂中引起一种或多种化学变化。这些化学变化可影响折射率，因此，所述光束可导致树脂中形成波导管，波导管再反过来引导光束沿着波导管已形成的路线，从而作为自动传输波导管来的作用。特别地，在本发明的一个实施方案中，平行光可引起树脂聚合，且通过暴露在不同方向的光束下形成的聚合物波导管可相互交叉(如贯穿)，导致由相交于节点120的自动传输的波导管限定的桁架元件110组成的三维互连模式或三维微桁架。在一个实施方案中，使用来自至少三个不同方向的平行光(collimated light)，而且该方向可以是倾斜的，即相互非垂直的。如果需要，罩子可以替换成不同的罩子，且该操作可以重复，以形成附加的聚合物波导管。未反应的树脂然后可被洗掉，留下足够强健以形成自支撑结构的微桁架。如图1A所图示的交叉于节点120处的桁架元件110的组装可以是薄板的一部分，其长和宽基本上大于其厚度。参考图1B，所述结构可以三维有序，特别地，其可以是周期性的，并且在薄板内的任何点处都可能确定单位单元，即所述结构的一部分，其在该结构中该点附近重复，并且是最小的这样的部分。选自微桁架薄板中某点附近的该组节点的任意两个节点120之间相隔一定的距离；在附近的任意两个节点间最小的这样的距离可被称为微桁架薄板中那点处节点之间的最小距离。 [0043] 参考图2A、2B、2C和2D，在一个实施方案中，沿薄板具有基本上恒定的单位单元大小并相应地具有基本上恒定的相邻桁架元件110间距以及相邻节点120间距的微桁架薄板的桁架元件110的直径沿薄板内会变化，即所述桁架元件110在薄板中的某一点处(第一点)可以比其在另一点处(第二点)更厚。如本文所用，沿薄板内的变化表示面内方向的变化，即沿所述薄板的长或者沿薄板的宽或沿二者之间的方向的变化。在一个实施方案中，直径的差别可以为10％或更多，或者2的因数或更多，直径可以在50微米到10毫米的范围内。直径也可以大于相邻节点间最小距离的1/20并小于其1/3。桁架元件的直径的这种变化可以导致所述薄板在桁架元件110较厚(直径较大)的区域的刚性更大，并且导致在桁架元件110较厚处液体流动穿过薄板的阻力或者液体在薄板平面上流动的阻力或者液体在垂直于薄板的平面上流动的阻力较大，以及导致相邻桁架元件110之间的缺口相应减小。 [0044] 沿薄板性质不同的微桁架薄板可等同地被认为由多种三维互连模式组成，例如具有较小直径的桁架元件110的第一三维互连模式和具有较大直径的桁架元件110的第二三维互连模式，以及设置于所述第一三维互连模式与所述第二三维互连模式之间的过渡体。所述过渡体可以是突然的(abrupt)，或者其可以是薄板的某一区域，其中薄板的性质连续变化。 [0045] 参考图3，在一个实施方案中，在操作中承受骑车人重量的大部分的车座后部的自行车坐垫由较厚的桁架元件110制备。其他实例应用包括具有优选的流动方向的面板、在单一方向具有不同流速的分离器材料、热管理结构(热导管、冷却板等)、交叉流质量输运、休闲或专业自行车、摩托车、踏板车、全地形车辆(ATV)、手推车等的座椅、座椅靠背以及靠垫、头盔(包括足球、剑术、骑车、攀岩和皮艇运动的头盔)、运动填料、运动服、鞋垫、眼镜框和眼镜垫、内衣、床上用品、床垫、床架、头带和发带、办公椅、防爆炸以及热夏区域的户外座椅。 [0046] 参考图4，在一个实施方案中，沿薄板性质变化的微桁架薄板可以按照以下步骤制造。在第一操作410中，可以存放大量的可光聚合树脂，即将其倒入托盘或由输送机支撑等。在接下来的操作420中，用一个或多个平行光源穿过罩子照射可光聚合树脂。在一个实施方案中，用若干平行光源穿过罩子同步或同时照射可光聚合树脂；在另一个实施方案中，每次用一个平行光源穿过罩子照射可光聚合树脂。如图4的虚线所示，操作420可以重复。重复操作420时可以使用不同的罩子。在一个实施方案中，用在罩子第一区域具有小孔的第一罩子进行第一次暴露。然后用在罩子不同区域具有更大孔的第二罩子代替第一罩子，所述第二罩子中的孔间距与所述第一罩子中的孔间距相同，记录第一次暴露形成的波导管，以便第二次暴露形成的一些波导管会与第一次暴露形成的波导管交叉。可以用在不同的合适区域具有多种合适直径的不同罩子多次重复该过程。任何一次暴露形成的波导管都可以与其紧邻的前一次暴露形成的波导管相交叉，或者与其他次暴露形成的波导管相交叉，或者不与波导管相交叉。如果暴露形成的一组波导管未与其他波导管交叉，那么该组波导管无论如何最终会通过随后暴露形成与该组波导管或其他已经产生的波导管交叉的波导管而形成薄板的一部分。最后，在操作430中，未反应的树脂可以被洗去。在另一个实施方案中，制造沿薄板性质不同的微桁架薄板的方法包括使用具有定制模式的不同孔径的单个罩子。 [0047] 在一个实施方案中，图5中沿微桁架薄板的单位单元大小和相邻桁架元件110之间的距离不同，而沿薄板的桁架元件的直径基本恒定。参考图5，在另一个实施方案中，除单位单元大小外，沿微桁架薄板的单位单元大小和桁架元件的直径不相同，或代替仅单位单元大小不同的情况。在图5中，所示Z方向是薄板厚度的方向，所示X方向是沿薄板的方向，例如，X可以是薄板的长的方向或者可以是薄板的宽的方向。可以通过重复实施图4中的操作420，使用一个罩子与下一个罩子之间具有不同间隔的孔的罩子来制造这样的微桁架薄板，该间隔对应于形成的不同的单位单元大小。在一个实施方案中，这些参数呈相反的变化，即沿微桁架薄板方向单位单元大小与桁架单元直径之比基本上是恒定的，其中所述单位单元大小与单位单元的线性维度测量，例如图1B中的量L。在这个实施方案中，微桁架薄板的密度和其他机械性质沿薄板方向保持相对恒定，而液体流动阻力在小的单位尺寸区域明显更大。在一个实施方案中，所述单位单元大小可以沿薄板方向以特定增量改变，以便不妨碍桁架元件110在每个节点120处的交叉。例如，在微桁架薄板某个区域的单位单元大小可以为0.5L，而在其他区域可以为2L、4L等。所述单位单元大小可以以正整数因数在不同单位单元大小的区域之间的边界处改变。 [0048] 根据本发明的实施方案制造的微桁架薄板可以是一种连续体，例如，所述微桁架薄板沿薄板长和宽的桁架单元内可以具有基本上均匀的材料组合物。特别地，这样的结构可以缺少诸如墙、隔离物或粘结接头的介入结构。 [0049] 在一个实施方案中，桁架元件直径的变化沿微桁架薄板方向相对逐渐出现，以便在所有桁架元110的单位单元内具有基本上相同的直径。微桁架的其他性质沿微桁架薄板方向可以不同，例如桁架元件110之间的角。可以通过例如“023专利”所述来制造具有面外功能梯度的微桁架薄板，其同时具有面内材料性质变化。本文所述的微桁架薄板可用作在制造其他材料的最初操作中形成的模板，例如，通过以不同于形成桁架元件110的材料的另一材料涂覆桁架元件110和微桁架薄板的节点120。 [0050] 尽管本文已经特别描述和说明了具有面内材料性质变化的微桁架材料的示例性实施方案，但对本领域的技术人员而言，许多修改和改变都将是显而易见的。因此，应该理解，除了本文具体描述以外，可以包括根据本发明的原则构建的具有面内材料性质变化的微桁架材料。以下权利要求及其等价方案也对本发明进行限定。 |
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