用于自定义NPR特性和改善的冷却性能的以工程化图案具有成角度的狭槽的拉胀结构制造技术

公开了拉胀结构、泻流冷却拉胀片、具有拉胀结构的系统和装置，以及使用拉胀结构的方法和制备拉胀结构的方法。公开了包括具有相对的顶表面和底表面的弹性刚体的拉胀结构。第一多个细长孔和第二多个细长孔从所述顶表面至所述底表面延伸穿过所述弹性刚体。所述第一多个细长孔相对于所述第二多个细长孔横向延伸。所述第一多个细长孔和/或所述第二多个细长孔与所述弹性刚体的顶表面倾斜成角度。所述细长孔协同配置以提供期望的冷却性能，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力减小。例如，所述拉胀结构可以表现出约30至50Eta的泻流冷却效果和约‑0.2％至‑0.9％的泊松比。

An expansion structure with an angled slot in engineered pattern for customizing NPR characteristics and improving cooling performance.

An open expansion structure, a purge cooling stretch sheet, a system and a device with a expansion structure, a method of using a expansion structure and a method for preparing the expansion structure are disclosed. An expansion structure including an elastic rigid body having a relative top surface and a bottom surface is disclosed. The first plurality of elongated holes and the top surface of the more than 2 elongated Kong Cong extend to the bottom surface through the elastic rigid body. The first plurality of elongated Kong Xiang extends horizontally to the more than 2 elongated holes. The first plurality of elongated holes and / or the more than 2 elongated holes are angled to the top surface of the elastic rigid body. The slender holes are coordinated to provide desired cooling performance, while the stress decreases through negative Poisson's ratio (NPR) characteristics under macroscopic plane load conditions. For example, the expansion structure can exhibit a cooling effect of about 30 to 50Eta and a Poisson's ratio of about 0.2% to 0.9%.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于自定义NPR特性和改善的冷却性能的以工程化图案具有成角度的狭槽的拉胀结构相关申请的交叉引用本申请要求2015年2月20日提交的第62/118,826号美国临时专利申请和2015年1月9日提交的第62/101,840号美国临时专利申请的优先权，所述两篇临时专利申请通过引用各自以整体并入本文。
本公开通常涉及具有调整的各向同性和各向异性泊松比的多孔材料和蜂窝(cellular)固体。更具体地，本公开的方面涉及表现出负泊松比(NPR)特性的具有工程化图案的拉胀结构、以及使用该结构的系统、方法和装置。背景当沿特定轴压缩材料时，最常观察到该材料在与所施加轴向载荷成横向的方向上延展。相反地，当沿着与收缩轴成横向的轴施加拉伸载荷时，大部分材料沿着特定的轴收缩。表征这种特性的材料性质称为泊松比，其可以定义为在轴向载荷条件下横向/侧向应变与轴向/纵向应变的负的比例。多数材料的特征在于正泊松比，其对于橡胶而言约为0.5，对于铝、黄铜和钢而言约为0.3，并且对于玻璃而言约为0.2。在另一方面，当在轴向压缩(或拉伸)时，具有负泊松比的材料会在横向收缩(或延展)。表现出负泊松比特性的材料通常被称为“拉胀”材料。许多调查结果表明，拉胀特性涉及材料的微观结构与其形变之间的相互作用。通过以下发现提供了这种实例：具有立方晶格的金属、天然层状陶瓷、铁电多晶陶瓷和沸石均可以表现出负泊松比特性。此外，已提出几种几何结构和机制以实现负的泊松比值，包括具有内凹(reentrant)结构的泡沫、分级层压制品、聚合物泡沫和金属泡沫。还使用由软光刻装配的复合材料在微米级证实了负泊松比效果，并且使用碳纳米管的片组件在纳米级证实了负泊松比效果。在装配拉胀材料中的显著挑战是该材料通常涉及在主体基质内具有缠结几何结构的嵌入结构。因此，制造方法在朝向应用的实际开发中遇到了瓶颈。许多拉胀材料的基础结构是蜂窝固体结构。关于这些材料的形变的研究是相对成熟的领域，主要强调了在压缩载荷下屈曲现象对载荷承载力和能量吸收的作用。最近，实验和数值研究的综合结果证实，2D周期性多孔结构中的机械不稳定性可以引起原始几何结构的急剧转变。具体地，发现弹性基质中圆形孔洞的方形阵列的单轴载荷导致在该阵列处于载荷时产生交替相互正交的椭圆形图案。这是由于高于所施加应变的临界值的弹性不稳定性引起的。在不稳定性下观测到的几何重组是可逆和可重复的，并且这在窄范围的施加载荷中发生。此外，示出了图案转变引起2D结构的单向负泊松比特性，即，这仅在压缩下发生。第5,233,828号美国专利(“‘828专利”)示出了工程化空隙结构的实例，即用于高温应用的燃烧器衬套或“隔热屏”。燃烧器衬套通常用于燃气轮机的燃烧部分。燃烧器衬套也可以用于燃气轮机的排气部分或者其他部分或组件，例如涡轮叶片。在运行中，燃烧器在极高的温度下(例如约3,000°F或更高)燃烧气体。为了防止这种剧热在排至涡轮之前损坏燃烧器，将燃烧器衬套提供在燃烧器的内部以隔离周围的发动机。为了使横跨燃烧器衬套的温度差和压力差最小化，通常提供冷却特征，如‘828专利中所示，以连续图案布置的间隔冷却孔洞的形式。作为另一实例，第8,066,482B2号美国专利示出了具有椭圆形冷却孔洞的工程化结构构件以加强燃气轮机的期望区域的冷却，同时降低冷却孔洞内和周围的应力水平。第EP0971172A1号欧洲专利也示出了用于燃气轮机的燃烧区的穿孔衬套的另一实例。然而，所有上述专利文件均未提供公开作为表现出拉胀特性或设计成提供NPR效果的实例。第2010/0009120A1号美国专利申请出版物公开了多种变化的周期性结构，其包括在施加临界宏观应力或应变时经历结构构型转变的弹性或弹塑性周期性固体。所述转变改变几何图案，改变了变化周期性结构中的特征的间隔和形状。一旦去除临界宏观应力或应变，这些弹性周期性固体恢复它们的原始形式。相比较而言，第2011/0059291A1号美国专利申请出版物公开了结构化多孔材料，其中该多孔结构提供了调整的泊松比特性。这些多孔结构由弹性片中椭圆形或类椭圆形空隙的图案构成，所述弹性片经由空隙的变形力学和材料的变形力学进行调整，以提供负泊松比或零泊松比。所有上述专利文件各自以整体并出于所有目的通过引用并入本文。专利技术概述本公开的方面涉及具有重复的细长孔(在本文中也被称为“空隙”或“狭槽”)图案的拉胀结构，所述细长孔被设计成提供期望的负泊松比(NPR)特性和改善的冷却性能。不同于现有技术的NPR空隙形状，即其延伸穿过结构材料的平面，以垂直于所述材料的平面的方向穿过所述材料的厚度，而本文公开的NPR空隙以与所述材料的平面倾斜的角度穿过所述材料的厚度。这些成角度的空隙配置增强了结构的冷却性能，同时保留低孔隙率并提供期望的NPR特性。本公开的其他方面涉及多功能NPR结构，其在燃气轮机的热部分具有成角度的空气通道。其他方面涉及燃气轮机燃烧器，其由提供特定的热、阻尼和/或声学功能的具有设计为成角度的空隙特征的材料制成壁。此类功能包括，例如，声衰减(或噪声阻尼)、应力减小(或载荷阻尼)以及热冷却(或热阻尼)。根据本公开的方面，公开了具有成角度的NPR狭槽的拉胀结构。在实例中，拉胀结构包括具有相对的顶表面和底表面的弹性刚体，例如金属片或其他足够弹性的固体材料。第一多个细长孔和第二多个细长孔从顶表面至底表面延伸穿过弹性刚体。第一多个细长孔相对于第二多个细长孔横向(例如，正交地)延伸。第一多个细长孔和/或第二多个细长孔与弹性刚体的顶表面和/或底表面倾斜成角度。在实例中，各个狭槽以与材料的平面成倾斜角度(例如，约40至70度)穿过片材的厚度。将细长孔协同配置以提供期望的或最小的冷却性能，同时在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出应力减小。例如，将细长孔设计成具有预定孔隙率、预定图案和/或预定纵横比以实现期望的NPR特性。拉胀结构可以表现出约30％至50％的泻流冷却效果、约0.3％至约9％的孔隙率以及约-0.2％至-0.9％的泊松比。可以将冷却效果(Eta)定义为在冷却装置存在下热气温度与壁温度的差值除以热气温度与供应的冷却气体的温度的差值：Eta＝(T_热气-T_壁)/(T_热气-T_冷却剂)。根据本公开的其他方面，泻流冷却拉胀片结构是其特征。在实例中，提出了泻流冷却拉胀片结构，其包括具有相对的顶表面和底表面的金属片。第一多个细长孔和第二多个细长孔从顶表面至底表面延伸穿过金属片。第一多个细长孔具有第一组几何特性并以第一图案进行排布。同样地，第二多个细长孔具有第二组几何特性并以第二图案进行排布。第一多个细长孔相对于第二多个细长孔正交定向。各个细长孔相对于弹性刚体的顶表面倾斜成角度。第一多个细长孔的几何特性和图案与第二多个细长孔的几何特性和图案协同配置以提供期望的或最小的冷却性能，同时在宏观平面载荷条件下表现出负泊松比(NPR)特性。本公开的其他方面涉及制造拉胀结构的方法和使用拉胀结构的方法。在实例中，提出了用于制造拉胀结构的方法。所述方法包括：提供具有相对的顶表面和底表面的弹性刚体；向所述弹性刚体添加从顶表面至底表面延伸穿过弹性刚体的第一多个孔，将所述第一多个孔排布成行和列；以及向弹性刚体添加从顶表面至底表面延伸穿过弹性刚体的第二多个孔，将所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.拉胀结构，包含：弹性刚体，其具有相对的顶表面和底表面以及从所述顶表面至所述底表面延伸穿过所述弹性刚体的第一多个细长孔和第二多个细长孔，所述第一多个细长孔相对于所述第二多个细长孔横向延伸，至少所述第一多个细长孔与所述弹性刚体的顶表面倾斜成角度，其中所述第一多个细长孔和所述第二多个细长孔协同配置以提供期望的冷却性能并且在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出期望的应力性能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.09 US 62/101,840;2015.02.20 US 62/118,8261.拉胀结构，包含：弹性刚体，其具有相对的顶表面和底表面以及从所述顶表面至所述底表面延伸穿过所述弹性刚体的第一多个细长孔和第二多个细长孔，所述第一多个细长孔相对于所述第二多个细长孔横向延伸，至少所述第一多个细长孔与所述弹性刚体的顶表面倾斜成角度，其中所述第一多个细长孔和所述第二多个细长孔协同配置以提供期望的冷却性能并且在宏观平面载荷条件下通过负泊松比(NPR)特性表现出期望的应力性能。2.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔和第二多个细长孔与所述弹性刚体的顶表面倾斜成角度。3.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔中的各个孔与所述弹性刚体的顶表面成约40至70度的角度。4.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述冷却性能包括约30％至50％的泻流冷却效果。5.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述NPR特性包括约-0.2％至约-0.9％的泊松比。6.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述细长孔被设计成具有预定孔隙率、预定图案或预定纵横比或者它们的任意组合，以实现所述NPR特性。7.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述细长孔具有约0.3％至约9％的预定孔隙率。8.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述细长孔的每一个具有约5至40的纵横比。9.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔或所述第二多个细长孔或两者各自具有S形平面图轮廓。10.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔或所述第二多个细长孔或两者各自具有椭圆形平面图轮廓。11.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔或所述第二多个细长孔或两者各自具有Z形平面图轮廓。12.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔或所述第二多个细长孔或两者各自具有杠铃形平面图轮廓，所述杠铃形平面图轮廓包括通过细长狭槽连接的一对隔开的钻孔。13.如权利要求1所述的空隙结构，所述第一多个细长孔或所述第二多个细长孔或两者各自具有I形平面图轮廓，所述I形平面图轮廓包括通过细长狭槽连接的一对隔开的半圆形狭槽。14.如权利要求1所述的空隙结构，其中所述第一多个细长孔和所述第二多个细长孔被排布成行和列的阵列。15.如权利要求14所述的空隙结构，其中所述行彼此等间隔开并且所述列彼此等间隔开。16.如权利要求1所述的空隙结构，其中各个所述细长孔具有垂直于短轴的长轴，所述第一多个细长孔的长轴基本上垂直于所述第二多个细长孔的长轴。17.泻流冷却拉胀片结构，包含：金属片，其具有相对的顶表面和底表面以及从所述顶表面至所述底表面延伸穿过所述金属片的第一多个细长孔和第二多个细长孔，所述第一多个细长孔具有第一组几何特性和第一图...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗·布斯莫里森，迈赫兰·法翰吉，马修·克里斯托弗·英尼斯，梅根·斯查恩泽，阿里·莎尼恩，法拉德·加玮德，卡蒂亚·伯托蒂，
申请(专利权)人：哈佛大学校董委员会，西门子加拿大有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US