组装和应用中的预加应力正弦构件制造技术

正弦形构件单元和支撑构件单元是形成具有挠曲特性的预加应力组件的零件。正弦形构件是已经弹性变形的松弛材料构件。支撑构件维持所述正弦形构件的弹性变形状态。所述正弦形构件和所述支撑构件被组织成包含储存的弹性势能的预加应力曲线组件，所述弹性势能等于使它们的预加应力结构变形的力所做的功。所述组件的正弦形构件和支撑构件适于使用具有优异机械特性和挠曲强度的材料。这包括纳米复合材料。所述组件的预加应力状态增强其机械、电气和结构性能。组件/结构内的所述正弦形构件单元和所述支撑构件单元的大小、数量、密度和可能的几何构型是巨大的。这种正弦构建系统的产品具有机械和结构应用，并且可使用自动化过程制造。制造。制造。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】组装和应用中的预加应力正弦构件

技术介绍


[0001]本专利技术涉及具有储存的弹性势能的复合材料构件，其用于形成用于结构和机械应用的预加应力高性能材料组件。
[0002]现有技术简述
[0003]具有超出或等同于自然界中发现的那些的物理和行为特性的新材料激发了本专利技术。
[0004]当前的构建系统和方法可能无法有效地应用从自然界配制和调整并且超出材料科学的新材料的特性。为了得到最佳性能，构建系统及其部件材料的特性应当是互补的，并且可能是共同改造的。
[0005]材料科学的进步将导致对新颖系统和方法的改造，该新型系统和方法以最佳方式使用新材料的物理、工程和机械特性。根据本专利技术的系统和方法通过将高性能材料独特地预加应力到基本正弦形构件中以形成组件来有效地使用高性能材料。
[0006]互连预加应力正弦件的这种基本系统/方法提供了新型组装平台，该新颖组装平台能够储存弹性势能，以形成用于机械和结构应用的优异结构和机构。
[0007]预加应力
[0008]对材料构件和组件预加应力以增强其性能的方法已经应用了数千年。早在开发出结构工程的数学工具之前，材料预加应力的方法就已经以试错的方式使用。预加应力已被视为工程设计项目期间遇到的问题的非常规解决方案。新材料的开发可能会改变这种观念。
[0009]材料预加应力是指在材料或结构内引入内应力以提高其性能。预加应力已经并且被认为可用于大型基础设施，诸如桥梁、管道、飞机机身等。预加应力在包括微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的微米级和纳米级装置、结构和组件的开发中发挥着越来越大的作用。
[0010]目前的预加应力技术主要应用于钢结构和/或混凝土结构。混凝土在性质上是通用的并且成本低廉，但由于其强度特征和沉重重量，不能用于所有应用。出于该原因，预加应力结构钢在重量减轻是使结构正常工作的关键问题的应用中是有利的。
[0011]预加应力钢的理念已被证明在经济性和强度方面具有相当大的益处。然而，钢的预加应力从未像其混凝土对应物一样蓬勃发展。钢的预加应力尚未被充分利用，也很少被研究。发生这种情况的原因不明，但可能是因为钢构件不具有在预加应力配重组件内有效地起作用所必需的弹性特性。预加应力钢的缺点还可能在于必须保护和维护钢结构构件以防止腐蚀。
[0012]虽然预加应力钢是有用的，但由于预加应力高性能复合材料的轻重量、相对强度、挠曲特性和弹性变形能力，使用该复合材料要优越得多。
[0013]本专利技术的部件被设计成使用新复合材料。与钢不同，新的高性能碳基复合材料固
有地耐腐蚀，具有高强度和轻重量。包括本专利技术产品的复合材料结构可用于钢筋混凝土或用于独立的机械或结构应用。将碳基复合材料结构用于钢筋混凝土，每年可节省数十亿美元因钢筋混凝土腐蚀引起的修复和更换成本。
[0014]许多行业正在转向使用复合材料，因为它们对任何应用都显示出单个最重要的考虑因素：与强度相比的低重量。复合材料技术的进步正在迅速发生；它们通过将碳纳米结构引入非导电聚合物来耦合材料的电气和机械特性的潜力将变得越来越重要。
[0015]关于预加应力对复合材料的机械和电气性能的影响，进行了很少的研究。已知复合材料结构中的缺陷的范围可以从微观脱粘到制造异常，这些制造异常造成应力局部集中，并且可导致变形期间的材料失效。
[0016]当复合材料如碳纤维增强聚合物(CFRP)弯曲时，极端(外部)的纤维经受最大的应力。如果这些纤维没有缺陷，则挠曲强度将由这些完整纤维的强度控制。鉴于此，本专利技术将重点放在材料表面和材料剖面结构的特性上。
[0017]尽管常规复合材料如CFRP在预加应力时可能由于材料缺陷而失效，但纳米复合材料显示出改善的挠曲强度、挠曲模量、以及因此越来越稳定的预加应力特征。
[0018]直到最近才开始研究预加应力对复合材料的微观组分如碳纳米管(CNT)的影响，以及在微观水平评估对该预加应力的响应的宏观变化。
[0019]将碳纳米管(CNT)和其他碳同素异形体组装成稳固的宏观结构仍然是利用其非常好的机电和结构特性的挑战。由于组装好的CNT之间的相互作用较差，基于CNT的纳米结构仍然遭受蠕变和应力松弛，但纳米复合材料的断裂韧性和整体性能的增强正在稳步进行。例如，在2017年，石墨烯纳米片(f
‑
GNP)和氮化硼纳米管(BNNT)被用作杂化纳米填料，从而使纯环氧树脂的断裂韧性提高了92％。
[0020]控制含有碳同素异形体的纳米复合材料的三维微架构将导致具有非常好的特性的多功能超材料。通过有限元分析(FEA)预测的CNT的弹性特性与增强聚合物样本测试数据相对应。FEA结果表明，CNT体积分数对CNT增强聚合物复合材料的弹性模量具有显著影响。
[0021]本专利技术所使用的示例性材料是稳固的、纯弹性和非耗散性的纳米复合材料。有可能将会开发出具有这些物理工程特性的此类材料。常规CFRP将在本专利技术的上下文中起作用，但限制了可能的工程设计项目的范围。
[0022]预加应力复合材料的物理和工程特性优于类似预加应力钢材料。本文描述的预加应力的方法/系统可以是材料预加应力技术的进步，并且允许材料预加应力作为实用结构和机械工程工具出现。
[0023]本专利技术是使用预加应力三维构件来形成组件的构建系统。这些构件在组件内预加应力并保持在弹性变形状态。如果移除预加应力，则这些预加应力构件应经受完全可恢复(无永久变形)的弹性变形。
[0024]随着构件的预加应力/变形发生，产生与施加的预加应力相反的内力和分子间力。如果施加的力不太大，则这些分子内和分子间力足以完全抵抗施加的力，并且允许构件呈现新的平衡状态(预加应力状态)。如果或当施加的力被移除时，预加应力构件可返回到其原始状态(松弛状态)。
[0025]这些预加应力三维构件将弹性应变能储存在它们的弹性变形材料中。储存在构件材料和结构中的弹性应变能是势能，并且该能量理想地等于使结构变形的施加的力所做的
功。
[0026]如果预加应力构件从其变形状态释放，则其储存的势能也可以完全释放。从热力学的角度来看，如果材料不能耗散能量，即主体不能将功转化为热量并且所有机械功都可恢复，则该材料是弹性的。该系统可使用接近完美弹性体的理想材料的新种类材料。也可使用具有线性或非线性应力
‑
应变关系的材料。
[0027]被设计成储存弹性势能的构件通常将具有较高的弹性极限；然而，所有弹性构件对它们可承受的负载都有限制。当变形超过弹性极限时，构件将不再返回到其原始形状。钢的弹性变形能力次于许多复合材料。钢合金将不会预加应力和/或弹性变形到包括纳米复合材料的高性能复合材料(HPC)将预加应力和/或弹性变形的程度。因此，HPC更能够弹性变形成一系列形状，包括正弦。
[0028]通过弹性变形对复合材料进行的预加应力以及这样对材料和结构韧性、拉伸强度、弹性模量和挠曲特性的影响是本专利技术主要关注的。
[0029]对复合材料预加应力的方法也可本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种挠曲件，包括由弹性材料形成的至少两个正弦构件，所述弹性材料允许可逆变形而不损害所述正弦构件的强度，所述正弦构件中的每一者在波腹处由支撑构件支撑并且在相邻波腹处通过锁定机构纵向连接到所述正弦构件中的另一者。2.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述弹性材料是高性能复合材料。3.如权利要求2所述的挠曲件，其中所述高性能复合材料是碳纤维增强聚合物或纳米复合材料。4.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述正弦构件中的每一者由被预加应力成正弦形式的离散的、直的、松弛的线性构件形成。5.如权利要求4所述的挠曲件，其中所述线性构件具有棱柱状或非棱柱状几何形状。6.如权利要求5所述的挠曲件，其中所述线性构件的几何形状或材料特性沿着所述线性构件的长度、宽度或深度变化。7.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述支撑构件处于压缩力下或者所述支撑构件处于张力下。8.如权利要求1所述的挠曲件，其中所述支撑构件处于压缩力下并且所述支撑构件以对应于所述正弦构件的波长的空间频率间隔开。9.如权利要求7所述的挠曲件，其中处于压缩力下的所述支撑构件是环、n边形、线性支柱或可膨胀构件。10.如权利要求7所述的挠曲件，其中处于张力下的所述支撑构件是在张力下的轴向构件。11.如权利要求10所述的挠曲件，其中所述正弦构件中的每一者在所述正弦构件的端部处固定到所述轴向构件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：W，
申请(专利权)人：W，
类型：发明
国别省市：