由连续线材直接编织的三维网格轻质结构及其制造方法技术

本文公开了由连续线材组形成的三维网格轻质结构。在该网格轻质结构中，六个定向线材组在三维空间中以６０或１２０度角相互交叉，由此构造与标准Ｏｃｔｅｔ或Ｋａｇｏｍｅ桁架相似的具有例如强度、刚度等的良好机械性能的结构。还公开了以成本低廉的方式大规模生产该结构的方法。该三维网格轻质结构具有与标准Ｏｃｔｅｔ或Ｋａｇｏｍｅ桁架相似的形态。当需要时，线材的交叉点通过焊接、硬钎焊、软钎焊、或液体－或－喷雾型粘合剂的方式结合，以便提供具有轻重量和良好机械强度和刚度的结构材料，通过填充该结构的部分或整个内部空间可以将其制成纤维加强复合材料。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】本专利技术涉及由连续线材形成的三维线材编织的网格轻质结构及其制造方法。尤其是，本专利技术涉及这样一种网格轻质结构，其中六个定向线材组在三维空间中以60度或120度角相互交叉，由此构造与标准Octet和Kagome桁架相似并且具有例如强度、刚度等的良好机械性能的结构。本专利技术还涉及以成本低廉的方式大规模生产上述三维网格轻质结构的方法。
技术介绍
通常，金属泡沫已知为典型的网格轻质结构。该金属泡沫是通过在液态或半固态金属的内部产生气泡(闭孔)或通过将金属浇铸到由发泡树脂制成的模具中(开孔)来制造的。然而，这些金属泡沫具有相对差的机械性能，例如强度和刚度。另外，由于其制造成本高，除了特殊目的例如空间工业或航空工业之外，其不能广泛地用在实践中。作为上述金属泡沫的替代材料，具有周期桁架网格的开孔式轻质结构已被开发出来。通过精确的数学和机械分析对该开孔式轻质结构进行设计以便使其具有最佳的强度和刚度，并因此使其具有良好的机械性能。用Octet桁架例示典型的桁架结构，其中正四面体和正八面体相结合(参见R.Buckminster Fuller，1961，美国专利2,986,241)。该桁架的每个单元均形成等边三角形，因此在强度和刚度上具有优势。近来，作为Octet桁架的改型，Kagome桁架已被报道(参见S.Hyun，A.M.Karlsson，S.Torquato，A.G. Evans，2003.Int.J.of Solids andStructures，Vol.40，pp.6989-6998)。参考图1，比较二维Octet桁架101和二维Kagome桁架102，也就是说，与Octet桁架101的单位网格101a不同，Kagome桁架102的单位网格102a在每个表面上具有混和的等边三角形和正六边形。图2和3分别显示了三维Octet桁架201和三维Kagome桁架202的单层。比较三维Octet桁架201的单位网格201a和三维Kagome桁架202的单位网格202a，三维Kagome桁架202的一个重要特征是其具有各向同性的机械性能。因此，不管其取向如何，基于Kagome桁架的结构材料或其它材料具有均匀的机械和电性能。另一方面，几种方法已经用于制造桁架式网格轻质结构。首先，由树脂形成桁架结构，然后使用桁架结构作为铸模浇铸金属(见S.Chiras，D.R.Mumm，N.Wicks，A.G. Evans，J.W. Hutchinson，K.Dharmasena，H.N.G.Wadley，S.Fichter，2002，International Journal ofSolids and Structures，Vol.39，pp.4093-4115)。其次，通过在薄金属板中形成周期孔(periodic hole)来形成金属网，通过卷曲该金属网形成桁架芯，然后将面板弯曲到其上部和下部(见D.J.Sypeck and H.N.G. Wadley，2002，Advanced EngineeringMaterials，Vol.4，pp.759-764)。此时，在制造具有多于一层的多层结构的情况下，另一个卷曲的桁架芯被置于上面板的上面而且另一个上面板再被安置在第二个芯的上面。在第三种方法中，首先使用彼此垂直的两组定向线材编织线材网，然后层压和结合该线材网(见D.J.Sypeckand H.G.N.Wadley，2001，J.Mater.Res.，Vol.16，pp.890-897)。在第一个方法中，其制造过程复杂，导致制造成本增加。只有具有良好可铸性的金属可以应用，因此应用受到限制。得到的材料往往具有铸造缺陷和欠缺的机械性能。在第二个方法中，在薄金属板中制造周期孔的过程导致了材料的损耗。此外，即使在具有单层桁架的夹层板材的制造中没有出现特别的问题，但必须重复层压和结合桁架芯和面板以便制造多层结构，由此产生许多结合点，这在结合成本和强度方面产生了不利的情况。从另一方面来说，在第三个方法中，形成的桁架基本上不具有标准正四面体或棱锥形状，因此具有较差的机械强度。与第二个方法相似，为了制造多层结构必须包括层压和结合，因此对于结合成本和强度是不利的。图4显示了由第三个方法制造的轻质结构，其通过层压线材网而形成。已知该方法能够降低制造成本，但是两个方向的线材象织物一样编织，因此不能提供具有如同上述三维Octet桁架201或三维Kagome桁架202那样的具有最佳机械和电性能的理想桁架结构。因此，由于许多部分被结合，其在成本和强度上是不利的。顺便说一下，以薄二维层的形式制造普通的纤维加强复合材料，当需要厚材料时对其进行层压。然而，由于多层之间的脱层现象，其强度往往会降低。因此，首先将纤维编织成三维结构，然后使例如树脂、金属等的基体与该结构相结合。图5是三维纤维加强复合材料中的编织纤维的透视图。如图5所示，可以将代替纤维的材料(例如具有高硬度的金属丝)编织成三维网格轻质结构。然而，其也不具有上述的标准Octet或Kagome桁架结构，因此其具有降低的机械强度和各向异性的材料性质。因此，使用三维编织纤维的复合材料会具有较差的机械性能。
技术实现思路
本专利技术用于解决现有技术中出现的上述问题，而且本专利技术的目的是提供三维网格轻质结构，其中六个定向线材组在三维空间中以60度或120度角相互交叉，由此构造与标准Octet和Kagome桁架相似的并且具有例如强度、刚度等的良好机械性能的结构。本专利技术的另一个目的是提供以成本低廉的方式大规模生产该三维网格轻质结构的方法。以将连续线材直接编织成三维结构的方式来构造本专利技术的三维网格轻质结构，而不是简单地层压和结合平面线材网。因此，本专利技术的网格轻质结构与标准Octet和Kagome桁架非常相似，因此表现出良好的机械和电性能。为了达到上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供由在三维空间中以60度或120度角相互交叉的六组定向连续线材形成的三维线材编织的网格轻质结构。本专利技术的网格轻质结构的单位网格包含由第一到第六线材形成的第一正四面体单元，该第一正四面体单元通过以下方式构造第一线材、第二线材和第三线材在平面中交叉形成等边三角形，第四线材与第二线材和第三线材的交叉点交叉，第五线材与第一线材和第二线材的交叉点交叉，第六线材与第三线材和第一线材、第四线材、第五线材的交叉点交叉，第六线材在单个的基准交叉点上相互交叉；在基准交叉点上与第一正四面体单元接触并且具有与第一正四面体相似的形状的第二正四面体单元，该第二正四面体通过以下方式构造第四线材、第五线材和第六线材经过基准交叉点并进一步延伸，一组线材中的每一根与选自延伸的第四、第五和第六线材中的两根线材交叉，该线材组分别与第一线材、第二线材和第三线材平行；其中所述线材以60度或120度相互交叉，而且以三维模式重复该单位网格，由此形成桁架式结构。在六组定向线材中，当从顶点的前面观察时，形成第一或第二正四面体单元顶点的三组定向线材可以顺时针或逆时针交叉。优选第一和第二正四面体单元可以具有1∶1的相似比。另外，第一和第二正四面体单元可以具有1∶1到1∶10的相似比。线材可以选自金属、陶瓷、合成树脂和纤维加强合成树脂。线材的交叉点优选可以通过任何一种选自液体粘合剂或喷雾型粘合基、硬钎焊、软钎焊和焊接的方法结本文档来自技高网...

【技术保护点】
三维线材编织的网格轻质结构，其由在三维空间中以６０度或１２０度角相互交叉的六组定向连续线材形成，该网格轻质结构的单位网格包括：ａ）由第一到第六线材形成的第一正四面体单元，该第一正四面体单元由以下方式构造：第一线材４、第二线材５和第三 线材６在平面中交叉形成等边三角形，第四线材７与第二线材５和第三线材６的交叉点交叉，第五线材８与第一线材４和第二线材５的交叉点交叉，并且第六线材９与第三线材６和第一线材４、第四线材７、第五线材８的交叉点交叉，第六线材９在单个的基准交叉点上相互交叉；和ｂ）在基准交叉点上与第一正四面体单元接触并且具有与第一正四面体单元相似的形状的第二正四面体单元，该第二正四面体单元通过以下方式构造：第四线材７、第五线材８和第六线材９经过基准交叉点并进一步延伸，线材组４′、５′和６′中的每一 根均与选自延伸的第四、第五和第六线材的两根线材交叉，所述线材组４′、５′和６′分别与第一线材４、第二线材５和第三线材６平行；ｃ）其中所述线材以６０度或１２０度相互交叉，而且该单位网格以三维模式重复，由此形成桁架式结构。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】KR 2003-11-7 10-2003-00785071.三维线材编织的网格轻质结构，其由在三维空间中以60度或120度角相互交叉的六组定向连续线材形成，该网格轻质结构的单位网格包括a)由第一到第六线材形成的第一正四面体单元，该第一正四面体单元由以下方式构造第一线材4、第二线材5和第三线材6在平面中交叉形成等边三角形，第四线材7与第二线材5和第三线材6的交叉点交叉，第五线材8与第一线材4和第二线材5的交叉点交叉，并且第六线材9与第三线材6和第一线材4、第四线材7、第五线材8的交叉点交叉，第六线材9在单个的基准交叉点上相互交叉；和b)在基准交叉点上与第一正四面体单元接触并且具有与第一正四面体单元相似的形状的第二正四面体单元，该第二正四面体单元通过以下方式构造第四线材7、第五线材8和第六线材9经过基准交叉点并进一步延伸，线材组4′、5′和6′中的每一根均与选自延伸的第四、第五和第六线材的两根线材交叉，所述线材组4′、5′和6′分别与第一线材4、第二线材5和第三线材6平行；c)其中所述线材以60度或120度相互交叉，而且该单位网格以三维模式重复，由此形成桁架式结构。2.如权利要求1所述的网格轻质结构，其中，在所述六组定向线材中，当从顶点的前方观察时，形成所述第一或所述第二正四面体单元顶点的三组定向线材顺时针或逆时针交叉。3.如权利要求1所述的网格轻质结构，其中所述第一和第二正四面体单元具有1∶1的相似比。4.如权利要求1所述的网格轻质结构，其中所述第一和第二正四面体单元具有1∶1到1∶10的相似比。5.如权利要求1所述的网格轻质结构，其中所述线材是选自金属、陶瓷、合成树脂和纤维加强合成树脂中的任意一种。6.如权利要求1所述的网格轻质结构，其中所述线材的交叉点通过选自液体或喷雾型粘合剂、硬钎焊、软钎焊和焊接的任意一种方法结合。7.加强复合材料，其通过用树脂、陶瓷或金属填充根据权利要求1-6中任意一项所述的三维线材编织的网格轻质结构的空间来制备。8.加强复合材料，其通过用树脂、陶瓷或金属...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜基洲，李庸贤，
申请(专利权)人：姜基洲，李庸贤，
类型：发明
国别省市：KR[韩国]