用于抑制外部載荷的復合層材料、其獲得方法和用途與流程
本公開的主題涉及定制用于在沖擊或振動下吸收或耗散機械能以最大化安全性和/或舒適性的復合層材料?；趶椥怨腆w材料的機械性能、復雜流體的流變性能和微流體網(wǎng)絡(luò)的幾何構(gòu)型來定制復合層材料。
本公開特別涉及能量吸收或耗散結(jié)構(gòu)，其包括鐫刻/雕刻/沖壓/切刻(engraved/carved/stamped/incised)有微通道的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的固體材料片材，其中上述微通道填充有有意選擇的復雜流體并用另一種固體材料片材來緊密封閉它。
背景技術(shù)：
在我們的社會中防止沖擊或振動(震動，vibration)造成的損傷或不適是普遍存在的問題并且越來越需要先進的能量吸收材料。蜂窩狀材料，例如，膨脹型聚苯乙烯(eps)通常用于這些目的，其取決于應(yīng)用本身的選擇。大多數(shù)這些材料因壓壞而變形，發(fā)展出永久變形，因而將它們的使用僅限于一種。
在過去的十年中，剪切增稠流體(stf)，其是特定類型的復雜流體，由于它們的粘度隨著施加的剪切應(yīng)力超過臨界值而增加，已引起了業(yè)界的關(guān)注用于制造被動耗能裝置(passivedissipativedevice)，如減振器(減震器)和防彈抗刺織物復合材料。另外，這些液體不需要如磁流變或電流變流體所需要的外部激活機制，因為它們只是在應(yīng)力下激活。此外，通過適當選擇stf的組分，可以針對具體應(yīng)用定制粘度的增加。所有這一切都導致了對將stf加入其他材料以獲得能量吸收性復合材料的相當大的興趣，該能量吸收性復合材料具有它們的最佳性能/特性的組合。在一些先前的方法中，將stf封裝在密封袋中，并借助于用于減輕重量的復合玻璃珠(us2005/0266748al)，或加入固相彈性體(us2006/0234572al)。
由于stf的流變響應(yīng)受到它所經(jīng)歷的變形率的極大影響，變形率直接取決于局部的幾何形狀和所施加的力，其他發(fā)明提出基于在流體和限制它的幾何形狀之間的相互作用的具有stf的能量吸收復合材料。由形成孔(巢室，cell)的邊和面的固體材料的多孔互連網(wǎng)絡(luò)組成的流體浸漬材料、優(yōu)選開孔網(wǎng)狀或部分閉孔泡沫，或形成自纖維或其他蜂窩狀固體(us8091692b2)，其中通道的曲率使stf經(jīng)受在限制下的復雜流動。因此，將stf加入多孔介質(zhì)增加它們的能量吸收能力，這是由于通過使流體從泡沫單元內(nèi)排出所進行的粘性功(viscouswork)的貢獻，其被加入耗散的能量，這是由于在支架材料的壓縮期間發(fā)生的彈性、塑性和屈曲模式。替代浸漬泡沫，另一種途徑由以下組成：兩個外層，含有由剪切層分開的stf的儲池或腔室，其中上述剪切層包括點陣結(jié)構(gòu)，其限定在第一和第二外層之間的直剪切路徑(us2014/0259326al)。最后，另一發(fā)明包含兩片以疊加關(guān)系設(shè)置的固體材料，配置其以限定其間的多個腔室以及多個流體流動通道，其與兩個腔室流體連通；以這種方式，當施加的沖擊超過預定密封水平時，密封件從流體通道關(guān)閉腔室，從而將材料轉(zhuǎn)換到閉孔結(jié)構(gòu)(wo98/23179al)。
最近報道當在受限條件下(即當流過微小通道時)被剪切時，stf增強它們的剪切增稠行為。微流體學是關(guān)于這樣的裝置和方法的科學和技術(shù)：上述裝置和方法通過使用具有小于毫米的特征長度尺度的通道來處理、控制或操縱非常少量的流體。由于眾多優(yōu)點，微流體學已刺激了顯著的興趣并揭開了廣泛的應(yīng)用：從生物技術(shù)到提高的原油采收率。
公開了這些事實以說明通過本發(fā)明解決的技術(shù)問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本公開涉及能量吸收復合材料，其包含彈性固體材料、數(shù)字優(yōu)化的閉合微流體網(wǎng)絡(luò)和復雜流體vef或stf。本公開能夠吸收或耗散由沖擊或振動產(chǎn)生的能量而不需要依賴于磁流變或電流變流體。
能量吸收復合材料由不同的組分、元件或部件組成，并且結(jié)合它們的基本的或典型的性能，目的是以比它們單獨個體更大的量吸收或耗散外部動能。在本公開的特定情況下，一種組分由彈性固體材料組成而另一種組分由復雜流體組成，借助于優(yōu)化的微流體網(wǎng)絡(luò)后者被植入(嵌入，embeddedinto)前者組分中。
彈性固體材料可以是，例如，微附聚的軟木、膨脹型聚苯乙烯(eps)、膨脹型聚丙烯(epp)、乙烯-乙酸乙烯酯(eva)等。
軟木是天然多孔材料，由于軟木能夠吸收大量的能量，并且?guī)缀跬耆赡娴赜糜跊_擊能量的反復吸收，其最近被考慮用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)和能量吸收的應(yīng)用。微附聚的軟木產(chǎn)生自來自塞子的生產(chǎn)的廢軟木。通過激活它們的天然樹脂(純附聚的軟木)或通過用另外的粘合劑的薄層來涂布顆粒(復合附聚的軟木)，將粒徑小于1mm的軟木顆粒彼此粘合。因而，微附聚的軟木比其自然形式呈現(xiàn)更均勻的性能和更多種類的幾何形狀。
膨脹型聚苯乙烯(eps)是剛性和韌性的閉孔泡沫。它通常是白色的并且由預膨脹型聚苯乙烯珠制成。eps用于許多應(yīng)用例如托盤、盤、碗和魚箱。其他用途包括用于建筑保溫的模壓片和用于緩沖箱內(nèi)的脆弱物品的包裝材料("花生")。
膨脹型聚丙烯(epp)是由聚丙烯制成的高度通用的閉孔珠泡沫。由于其低剛度，epp具有非常好的沖擊特性，這允許epp在沖擊以后恢復其形狀。
乙烯-乙酸乙烯酯(eva)，還稱為聚(乙烯-乙酸乙烯酯)(peva)，是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。乙烯-乙酸乙烯酯(eva)是乙烯和乙酸乙烯酯的共聚物。它是一種極具彈性的材料，其可以被燒結(jié)以形成類似于橡膠且具有優(yōu)異韌性的多孔材料。
復雜流體(還稱為非牛頓流體)是這樣的流體，其呈現(xiàn)并不遵循粘度的線性牛頓定律的應(yīng)力-應(yīng)變率關(guān)系。復雜流體也不遵循彈性的胡克定律、用于彈性材料的應(yīng)力與形變之間的關(guān)系。
粘彈性流體(vef)是一種特定類型的復雜流體vef，在剪切下其粘度通常會減小(剪切稀化行為)，但當施加的載荷被去除時，在vef內(nèi)的應(yīng)力不會立即消失并且流體的內(nèi)部分子構(gòu)型可以承受應(yīng)力一段時間(弛豫時間)。
剪切增稠流體(stf)是特定類型的復雜流體，當經(jīng)受剪切應(yīng)力超過臨界值時，其具有增加的粘度和法向力。此臨界值取決于流體的特定配方。如果stf由膠體顆粒制成，那么剪切增稠流體的起始將取決于粒徑、顆粒形狀和體積濃度。
微流體網(wǎng)絡(luò)是指具有小于一毫米的特征長度尺度的通道的網(wǎng)絡(luò)。
相對于在本領(lǐng)域中實施的策略，用于將復雜流體嵌入彈性固體材料的微流體網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用引入幾個主要優(yōu)點：
·減少流體的量，其對于其中輕量化是關(guān)鍵的應(yīng)用是至關(guān)重要的，例如運動器材如頭盔、頭盔襯里、防彈裝備、服裝、緩沖體；
·stf和vef的增強的流變響應(yīng)；
·流體通道的優(yōu)化的幾何形狀，特別是微通道；
·允許獲得優(yōu)化的能量吸收復合材料，對于任何特定的應(yīng)用，其具有所需要的能量吸收性能，從而相對于其他當前的技術(shù)方案，以這種方式來節(jié)省重量和體積。
能量吸收復合材料的幾何形狀可以是2d或3d，其取決于優(yōu)選的制造技術(shù)和支架材料。因此，最簡單的實施方式包括彈性固體材料的層狀片材，其鐫刻/雕刻/沖壓/切刻有微通道的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，填充有復雜流體并用另一固體材料片材緊密封閉，如在圖1中公開的。因此，能量吸收復合材料的機械性能來自固體材料的機械性能和流過微通道的網(wǎng)絡(luò)的復雜流體的增強的響應(yīng)以及流體-結(jié)構(gòu)相互作用的組合。
微流體學對于本公開是特別有趣的，因為需要減少量的流體樣品并且產(chǎn)生能夠模仿多孔介質(zhì)的高度集成的裝置的可能性。此外，幾何特征微通道可以被數(shù)字優(yōu)化以獲得預期的流動特性。另外，一般的非牛頓流體以及特別是粘彈性流體(vef)，當流過微通道時，顯著增加流體彈性的相關(guān)性，因此，在低雷諾數(shù)下，流動阻力可以顯著不同于它們的牛頓對應(yīng)物的流動阻力，特別是如果特別為此目的而設(shè)計微通道，就像微流體整流器一樣。后者的特點開啟了應(yīng)用vef來開發(fā)能量吸收復合材料的大門，其是本領(lǐng)域的進步。
當與本公開相比時，現(xiàn)有技術(shù)存在一些缺點：
·在現(xiàn)有技術(shù)中實施的用于制作stf-復合材料的策略均沒有利用以下事實：約束增強stf的響應(yīng)；
·已經(jīng)公開的現(xiàn)有技術(shù)均沒有考慮利用vef來開發(fā)能量吸收復合材料的可能性；
·現(xiàn)有技術(shù)均沒有考慮以下可能性：利用計算技術(shù)來優(yōu)化流體通道，特別是微通道，以最大化復合材料的安全性和舒適以及控制由復合材料吸收或耗散的能量的量。
因此，需要新技術(shù)路線來產(chǎn)生用復雜流體強化的定制的吸能材料。
這里公開了一種技術(shù)，其基于彈性固體材料(特別是微附聚的軟木、eps、epp、eva)的機械性能和借助于數(shù)字優(yōu)化的微流體網(wǎng)絡(luò)而嵌入在固體材料中的復雜流體(特別是vef或stf)的流變性能的組合來開發(fā)最佳的和定制的能量吸收復合材料。
這些能量吸收復合材料可以作為頭盔襯墊、緩沖體或其他這樣的保護結(jié)構(gòu)的組分以防止來自外部機械動力學如沖擊或振動帶來的損傷或不適。另外，此技術(shù)可以允許某些彈性固體材料特別是微附聚的軟木達到某些應(yīng)用的標準(如用于摩托車駕駛員的頭盔襯墊，en1621-1和en1621-2)。
在一種實施方式中，現(xiàn)在公開的能量吸收材料可以包含至少一個支撐層。
在一種實施方式中，能量吸收材料可以包含兩個層狀片材，或兩層的彈性固體材料。第一層可以是支撐層并且它可以借助于微通道的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)加以嵌入并填充有復雜流體，而第二層可以借助于支撐層而緊密封閉。
在一種實施方式中，微流體網(wǎng)絡(luò)的幾何形狀可以產(chǎn)生自數(shù)字優(yōu)化過程，其會考慮到外部機械輸入(沖擊或振動)的動力性能、復雜流體的流變性能和固體材料的機械性能(流體-結(jié)構(gòu)相互作用)。
在一種實施方式中，不需要具有在網(wǎng)絡(luò)中的流體的腔室或儲池并且也不需要具有以重疊關(guān)系加以設(shè)置的部件，如分別在us2014/0259326al和wo98/23179al中公開的公開內(nèi)容中。
在一種實施方式中，在固體材料上嵌入微流體通道的技術(shù)可以取決于所選的固體材料的特性，特別是，激光雕刻可以用于微附聚的軟木；而微研磨磨可能更適合于eps或epp。
在一種實施方式中，復雜流體對微流體網(wǎng)絡(luò)的填充過程還將取決于流體的流變性能，特別是在vef的情況下，在填充微流體網(wǎng)絡(luò)前可以膠粘兩片固體材料，然后可以將流體注入微通道。
在一種實施方式中，復雜流體對微流體網(wǎng)絡(luò)的填充過程還將取決于流體的流變性能，特別是在stf的情況下，可以將流體擴散到嵌入有微流體網(wǎng)絡(luò)的片材上，填充微通道，然后粘結(jié)于其他固體材料片材。
在一種實施方式中，支撐層包含閉孔泡沫結(jié)構(gòu)。
在一種實施方式中，當復合材料經(jīng)受高于一定水平的沖擊時，外固體材料片材會變形，部分的微流體通道被壓縮并排出流體；然后，流體被加速并會引發(fā)剪切增稠行為(在使用stf的情況下)或彈性不穩(wěn)定性(在使用vef的情況下)；以及通過固體材料、復雜流體和流體-結(jié)構(gòu)相互作用的組合效應(yīng)，將最大地吸收和耗散沖擊能量。
在一種實施方式中，當復合材料經(jīng)受高于臨界水平的振動時，對于stf和vef，復雜流體將分別激活剪切增稠行為或彈性不穩(wěn)定性，以及，隨后，通過復雜流體(一種粘滯阻尼)、固體材料(滯后阻尼)和流體-結(jié)構(gòu)相互作用的組合效應(yīng)，將耗散來自振動的部分能量。
本公開還涉及用于抑制(阻尼，dampening)外部動載荷的復合層材料，其至少包括彈性材料的支撐層，所述支撐層具有包含流體的凹入的液密的微通道，其中微通道部分和流體粘度是如此以通過流過所述微通道的受限流體來抑制外部動載荷。
在一種實施方式中，流體是剪切增稠流體、粘彈性流體以及它們的組合。
在一種實施方式中，外部動載荷是沖擊和/或振動。
在一種實施方式中，微通道可以是互連的。
在一種實施方式中，支撐層包含與所述微通道互連的凹入的液密的袋。
在一種實施方式中，復合材料可以進一步包含放置在所述微通道和/或袋上用于保留所述流體的第二層。
在一種實施方式中，微通道可以在支撐層的兩個平面方向上延伸。
在一種實施方式中，復合材料可以包含多個支撐層，特別是2、3、4、5或更多個支撐層。
在一種實施方式中，微通道可以是鐫刻的微通道、雕刻的微通道或沖壓的微通道。
在一種實施方式中，微通道和袋可以包含0.01至10mm、優(yōu)選0.1至1mm的深度。
在一種實施方式中，微通道可以包含0.01至10mm、優(yōu)選0.1至5mm的寬度。
在一種實施方式中，在20℃下，流體的粘度可以是10～3至104pas；以及，在20℃下，流體的密度可以是800至2000kg/m3。
在一種實施方式中，剪切增稠流體可以選自由以下各項的濃縮分散體組成的列表：玉米淀粉、沉淀碳酸鈣、氣相二氧化硅、熱解法二氧化硅、二氧化硅以及它們的混合物等。
在一種實施方式中，粘彈性流體可以選自由以下各項的濃縮溶液組成的列表：聚丙烯酰胺、聚環(huán)氧乙烷、聚異丁烯、它們的混合物等。
在一種實施方式中，復合材料包含不可滲透的彈性固體材料，其可以選自由以下各項組成的列表：軟木、膨脹型聚苯乙烯、膨脹型聚丙烯、乙烯-乙酸乙烯酯、它們的組合等。
在一種實施方式中，彈性材料可以是附聚的材料，特別是附聚的軟木。
在一種實施方式中，附聚的軟木可以包含0.1至5mm的粒徑。
在一種實施方式中，復合材料的支撐層可以具有1至10mm、優(yōu)選2至5mm的厚度。
在一種實施方式中，復合材料的第二層可以具有0.1至10mm、優(yōu)選1至2mm的厚度。
在一種實施方式中，復合材料的第二層可以進一步包含粘合劑。
本公開還涉及包含先前描述的復合層材料的護脛、護肘、頭盔、護膝、防護服、鞋墊、防振襯墊(防震襯墊，anti-vibrationpad)、防振(防震)手套、防振(防震)墊(mat)、防振(防震)底座(mount)、聲隔離器或任何其他振動或震動/沖擊隔離器。
在整個描述和權(quán)利要求中，單詞"包含"以及上述單詞的變體，并不旨在排除其他技術(shù)特征、添加劑、組分或步驟。在審閱說明書以后，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，本主題的另外的目的、優(yōu)點和特點將變得顯而易見的，或可以通過本發(fā)明的實踐加以學習。以下實施例和附圖是通過說明的方式加以提供的，并且它們并不旨在限制本主題。此外，本主題涵蓋本文描述的特定和優(yōu)選實施方式的所有可能的組合。
附圖說明
下圖提供用于說明描述的優(yōu)選實施方式而不應(yīng)被視為限制公開的范圍。
圖1是工作流程的示意圖，該工作流程基于本文描述的技術(shù)用來產(chǎn)生通過復雜流體和微流體網(wǎng)絡(luò)強化的復合材料。
圖2是示出當經(jīng)受外部沖擊時對應(yīng)于固體材料和復合材料的響應(yīng)的力-時間曲線的比較的圖形，上述復合材料是通過本技術(shù)并使用相同的固體材料所開發(fā)的，其中a表示固體材料而b表示復合材料。
圖3圖形描述了適合這種技術(shù)的三種類型的流體即牛頓流體(c)、剪切增稠流體(d)和粘彈性流體(e)的粘度依賴與變形率。
圖4是示出在20℃下，對于剪切增稠流體的兩種不同的配方(含水玉米淀粉溶液和沉淀碳酸鈣在甘油中的溶液)的粘度增加與變形率的數(shù)據(jù)圖，其中三角形表示玉米淀粉分散體/水(45/55％wt)而方形表示沉淀碳酸鈣分散體/甘油(56/44％wt)。
圖5圖形描述了適合這種技術(shù)的三種類型的固體材料即微附聚的軟木(6mm)、膨脹型聚苯乙烯(20mm)和膨脹型聚丙烯(20mm)的力-時間依賴性，其中f表示軟木，g表示密度為45kg/m3的膨脹型聚丙烯(epp45)以及h表示密度為15kg/m3的膨脹型聚苯乙烯(eps15)。
圖6示意性地說明本公開的一種實施方式，其中流體填充直微通道的圖案，上述直微通道并不是互連的并且嵌入在固體材料片材上并覆蓋有另一個固體材料片材。
圖7是說明在微附聚的軟木復合材料上由不同的沖擊能量產(chǎn)生的力-時間響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖，上述微附聚的軟木復合材料是用沉淀碳酸鈣在甘油(在56％wt下)中的分散體填充具有相同的深度、寬度、長度和它們之間的距離的直微通道的圖案所強化的。在20℃下進行所有實驗。實心符號表示在沖擊下僅軟木層的響應(yīng)以及空心符號表示復合材料的響應(yīng)，其中i表示5j，j表示7.5j，k表示10j，l表示15j，m表示20j。
圖8表示和僅軟木的層狀片材相比，強化的復合材料在歸一化的峰值力(左軸)和歸一化的耗散的能量(右軸)方面的保護程度。復合材料填充有沉淀碳酸鈣在甘油(56％wt)中的分散體，其填充一組直微通道(750μmx700μmx50mm)，其在它們之間分開500μm并嵌入在軟木的相同層狀片材中。按照英國標準bsen13061:2009，在20℃下，并以5j至20j的不同的沖擊能量進行沖擊試驗。實心符號對應(yīng)于僅軟木片材的響應(yīng)，而空心符號則對應(yīng)于復合材料。
圖9是說明來自微附聚的軟木的沖擊測試的力-時間響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖，上述微附聚的軟木是用沉淀碳酸鈣在甘油(在56％wt下)中的分散體所強化的，其填充直微通道的圖案。在20℃下進行所有實驗，其中n表示軟木以及o表示具有w500/d300的復合材料。
圖10是說明來自微附聚的軟木的沖擊測試的力-時間響應(yīng)的數(shù)據(jù)圖，其中上述微附聚的軟木是用沉淀碳酸鈣在甘油(在56％wt下)中的分散體所強化的，該分散體填充微通道的不同圖案，即，直、樣條和網(wǎng)格，所有這些都具有相同的深度(700μm)、寬度(500μm)、長度(50mm)并在它們之間分開500μm。按照英國標準bsen13061:2009，以10j的沖擊能量并在20℃下進行沖擊試驗，其中p表示軟木，q表示直，r表示樣條以及s表示網(wǎng)格。
圖11示出本公開的一種實施方式，其中將由通過微通道互連的圓柱形儲池組成的流體填充的微流體網(wǎng)絡(luò)嵌入固體材料并覆蓋有另一個固體材料片材。
圖12是說明耗散的能源-時間，其來自微附聚的軟木和用玉米淀粉的水分散體(在45％wt下)填充不同的微流體網(wǎng)絡(luò)所強化的微附聚的軟木的沖擊測試(如圖11所示)。方形符號對應(yīng)于僅微附聚的軟木薄片的響應(yīng)。圓形符號對應(yīng)于復合材料，該復合材料具有微流體網(wǎng)絡(luò)，其具有100μm寬度、700μm深度的微通道，以及半徑為1mm的儲池。三角形符號對應(yīng)于復合材料，該復合材料具有微流體網(wǎng)絡(luò)，其具有200μm寬度、700μm深度的微通道以及半徑為2mm的儲池。在20℃下進行所有實驗。
圖13示意性地說明本公開的一種實施方式，其中固體材料的不同層用流體填充的微流體圖案/網(wǎng)絡(luò)(特別是，每層具有不同的圖案/網(wǎng)絡(luò))強化并最后覆蓋有另一個固體材料片材。
具體實施方式
本公開提供了一種技術(shù)，其基于彈性固體材料的機械性能和復雜流體(如vef或stf)的流變性能的組合來開發(fā)最佳的和定制的能量吸收復合材料，其中，借助于數(shù)字優(yōu)化的微流體網(wǎng)絡(luò)或圖案，上述復雜流體被封裝在固體材料中，如圖1所示。因此，借助于這種技術(shù)所開發(fā)的復合材料將能夠最小化由一定的動能輸入(沖擊或振動)所引起的損傷或不適。以這種方式，當經(jīng)受沖擊時，作為響應(yīng)，相對于僅固體材料的響應(yīng)，優(yōu)化的復合材料將呈現(xiàn)改善的力-時間曲線(圖2)，因為已經(jīng)減小峰值力并已經(jīng)擴大時間。
外部動力學輸入(eimpact)是應(yīng)當由保護性復合材料所耗散的能量。通常，在由復雜流體和微流體網(wǎng)絡(luò)強化的復合材料的情況下，目標是通過固體組分的工作、復雜流體的工作和流體-結(jié)構(gòu)相互作用(下文稱作fsi)的工作來耗散沖擊能量(公式1)：
eimpact＝wliquid+wsolid+wfsi(1)
其中wsolid可以如在公式2中加以估計：
其中e是彈性模量，ν是泊松比以及δη是固體在彈性限度內(nèi)的形變。如果旨在設(shè)計可重復使用的復合材料，那么它們的設(shè)計應(yīng)在彈性極限之內(nèi)進行并考慮wplasticity＝0。對于固體材料的覆蓋片材，公式2是正確的。然而，對于其中將嵌入微流體網(wǎng)絡(luò)的固體材料片材，將是更加復雜的。在后者中，當已除去部分的固體材料以及存在鋸齒狀邊緣時，機械性能將會減小。因此，對能量的耗散的流體貢獻還應(yīng)該彌補這一事實。
wliquid是與液體所耗散的能量相關(guān)，其是由于復雜流體的粘度、彈性和法向力特性并由公式3給出：
wliquid＝wvisco+welastic+wfn(3)
在沖擊下，在受影響的區(qū)域下的微通道會被壓縮(δη是復合材料的壓縮長度)，因此將以q＝vol/δt的流率排出在微通道內(nèi)的流體，其中δt是沖擊的持續(xù)時間。wvisco與能量的粘性耗散相關(guān)，其起因于與流體通過微通道的流動相關(guān)的粘滯壓降：
wvisco＝δpvisco·q·δt(4)
welastic與額外壓降相關(guān)，額外壓降與流過微通道的復雜流體的彈性行為相關(guān)。welastic＝△pelastic·q·δt，對于粘彈性流體，如果考慮到正確的幾何形狀，其可以高達12×wvisco；wn與由在沖擊的區(qū)域中的復雜流體的法向力所耗散的能量相關(guān)。wfn＝n·δh，其中法向力取決于法向應(yīng)力和施加面積。
n＝τee·a，但可以容易地達到2000n。
最后，wfsi與起因于流體通過微通道的流動的微通道的形變相關(guān)的能量的耗散相關(guān)，其可能只是彈性的或是彈性的和永久的：
但是如果旨在開發(fā)可重復使用的復合材料，則優(yōu)選彈性的。
用于復合材料的設(shè)計的最保守的標準將基于以下標準：應(yīng)由流過微通道的流體的粘滯效應(yīng)(wfluid)來耗散所有能量。因此，由于在復合材料wsolid+wfsi的設(shè)計中不考慮其余的條件時，產(chǎn)生的復合材料的實際響應(yīng)在實際情況中一定會耗散所有的沖擊能量。那么，按照此策略，微流體網(wǎng)絡(luò)的最佳設(shè)計將基于以下函數(shù)的最小化：
fobj＝eimpact-wfluid(6)
因此，為了基于這種技術(shù)來開發(fā)用于特定應(yīng)用的復合材料，需要已知旨在耗散的沖擊能量以及環(huán)境和輕質(zhì)限制，以選擇最適合的流體性能(主要為流體的密度和流變性能的溫度依賴性)。然后，借助于用于最優(yōu)形狀設(shè)計的算法，將獲得微流體網(wǎng)絡(luò)的最佳形狀。開始自設(shè)計變量向量(x°)的初步估計，其參數(shù)化流動幾何形狀的形狀，產(chǎn)生初始網(wǎng)格并進行cfd模擬。然后依據(jù)數(shù)值解來評估目標函數(shù)，并將此信息發(fā)送到優(yōu)化程序。對于一些設(shè)計變量參數(shù)(由優(yōu)化的設(shè)計變量參數(shù)供給的)，重復此過程，直到找到最佳形狀。不同的工具可以用于形狀的參數(shù)化，即，離散方法(虛構(gòu)負荷)、貝齊爾和b樣條曲線、均勻b樣條(nurbs)、在cad中的基于特征的固體建模等。網(wǎng)格生成器將產(chǎn)生接近三維幾何域的多面體網(wǎng)格。如果固體材料是非常柔性的，流動求解程序可以考慮流體-結(jié)構(gòu)相互作用，或者如果固體材料是非常堅硬的，則流動求解程序可以不考慮流體-結(jié)構(gòu)相互作用。待使用的優(yōu)化程序可以基于遺傳算法(ga)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ann)、拓撲優(yōu)化、condor等。
在一種實施方式中，在微流體網(wǎng)絡(luò)的形狀方面沒有限制，超越以下事實：它必須是微米的尺度并且它應(yīng)該在將包含它的固體材料的尺寸的限度內(nèi)，即，微通道的深度可以小于復合材料的厚度。另外，流體可以保持緊湊的而沒有泄漏的任何可能性。在要求更精細設(shè)計的特殊情況下，即，更接近真實的行為，應(yīng)將前面提到的其他耗散項wsolid+wfsi加入待優(yōu)化的函數(shù)(公式6)。以這種方式，除優(yōu)化微通道的形狀和大小之外，還將優(yōu)化微通道穿過固體材料的分布。
因而，微流體學、復雜流體和固體機械性能的最佳組合產(chǎn)生比僅由固體機械性能所產(chǎn)生的能量耗散更大的能量耗散。預計在優(yōu)化的構(gòu)型中，液體的能量耗散達到至少wsolid數(shù)量級的值，相對于只使用固體材料，其將給予100％的額外保護。因而，將加倍保護而沒有加倍襯墊的體積，其引入這種技術(shù)的另外的優(yōu)點。
在這些方程式中設(shè)計的主導變量牽涉到流體(密度、粘度和彈性)和固體(彈性模量和泊松比)的理化性能。
關(guān)于流體，雖然在這種技術(shù)的實施中優(yōu)選使用復雜流體(stf和vef)，這是由于由它們的特殊的流變行為所引入的優(yōu)點，但是由于經(jīng)濟或環(huán)境原因，可能有一些應(yīng)用其中可以代替使用牛頓流體。因此，在本公開中可以使用三種類型的流體，特別是牛頓流體、剪切增稠流體和粘彈性流體(圖3)。
牛頓流體具有恒定粘度并且沒有彈性。粘度可以范圍為10-3pa·s(蒸餾水，在20℃下)至103pa·s(過飽和蔗糖溶液，在20℃下)以及在20℃下密度可以為800(油)至1500kg/m3(過飽和蔗糖溶液，在20℃下)。原則上，取決于待耗散的動力輸入的量，任何牛頓流體可以適合這種技術(shù)。然而，如果工作流體是牛頓流體，那么welastic+wfn＝0并且公式3將簡化為wliquid＝wvisco。
剪切增稠流體(stf)，還稱為脹流型流體，被建模為無彈性的，粘度取決于組成和剪切速率。在超過臨界剪切速率值的情況下，它們通常顯示出粘度的增加。取決于流體的組成，粘度的增加可以為0.1至104pa·s。密度將取決于組成和濃度，但通常低于2000kg/m3。原則上，取決于待耗散的動力輸入的量，在文獻中可用的剪切增稠流體的任何配方可以適合這種技術(shù)。然而，對于這種技術(shù)、優(yōu)選選擇可逆的剪切增稠流體，其基于膠體顆粒的穩(wěn)定分散體。stf的實例是玉米淀粉顆粒在水中的高體積濃度(～50％體積)的懸浮液。stf的另一實例是沉淀碳酸鈣在甘油中的懸浮液，同樣在高體積濃度下(圖4)。通過改變粒徑、體積濃度或其他參數(shù)，可以調(diào)節(jié)臨界變形率，流體粘度在該臨界變形率下開始增加。按照這種技術(shù)，這樣的剪切增稠或脹流型流體可有利地用來填充微流體網(wǎng)絡(luò)以制備隨著施加的外部動能的增加的量而逐步變硬的復合材料。
粘彈性流體(vef)通常由聚合物溶液組成，其粘度與使用的聚合物的分子量成正比，標為[η]αm0.5<a<0.8，這取決于溶劑和聚合物之間的關(guān)系以及聚合物濃度。因而，粘度還取決于剪切速率，呈現(xiàn)剪切稀化行為(與剪切增稠相反)可以范圍為104至10-3pa·s，用于增加剪切速率。彈性還取決于聚合物的分子量、溶劑的濃度和粘度，但可以達到高達幾個小時的弛豫時間的值。最后，密度還將取決于溶劑和聚合物，但通常低于2000kg/m3。boger流體可以被視為粘彈性流體的子類，其具有恒定粘度(沒有剪切稀化也沒有剪切增稠行為)和彈性行為。因此，粘度、密度和彈性的范圍類似于那些已經(jīng)提到的范圍。原則上，在文獻中可用的粘彈性流體的任何配方可以適合這種技術(shù)，其取決于待耗散的動力輸入的量。
待使用的流體的選擇主要考慮待由流體耗散的能量的量，但還考慮到復合材料在靜止下(保質(zhì)期)和在工作中的耐久性。在這個意義上，應(yīng)該尋找在最終應(yīng)用的溫度的范圍內(nèi)穩(wěn)定的組成以避免流體的流變性能的變化以及復合材料性能的隨后變化。因此，應(yīng)該考慮選擇非揮發(fā)性溶劑并且在固-液分散體的情況下具有類似密度的相，檢查沒有發(fā)生結(jié)晶或固化現(xiàn)象，等。
固體材料是其中嵌入微流體網(wǎng)絡(luò)或圖案的復合材料的一部分。在一種實施方式中，將微流體網(wǎng)絡(luò)或圖案嵌入在一個固體材料片材中，然后用工作流體加以填充并用另一固體材料片材加以封閉。對應(yīng)于蓋子的固體材料的特性可以相同或不同于其中嵌入有微通道的固體材料的特性。雖然符合微通道的蓋子的固體材料可以是可變形的或剛性的，但具有可變形蓋的系統(tǒng)將更好地工作，特別是在沖擊下。然而，確實是強制性的是，在沖擊下，容納微流體網(wǎng)絡(luò)的固體材料可逆地變形并允許部分的外部振動傳輸?shù)搅黧w。除此以外，如果容納微流體圖案的固體材料是剛性的，則在沖擊下它不會變形，在沖擊下流體將不會流動以及流體將不會耗散外部動能的一部分。
這種技術(shù)被認為可用于任何固體材料，其允許以這樣的方式來鐫刻、雕刻、沖壓、切刻(或任何技術(shù))微流體網(wǎng)絡(luò)或圖案以致填充流體不會泄漏出來。因此，它將不適用于開孔蜂窩狀材料或多孔基體，其由由任何材料(聚合物、復合材料、金屬、纖維等)制成的單元的互連網(wǎng)絡(luò)組成。相反，它將適用于閉孔蜂窩狀材料，其另外顯示彈性特性并在沖擊下具有良好的性能，如微附聚的軟木、膨脹型聚苯乙烯或膨脹型聚丙烯。圖5圖形描述了，由于沖擊的結(jié)果，后面這些固體材料的力-時間依賴性。在微附聚的軟木的情況下，必須注意到，在受阻軟木顆粒之間存在間隙孔，通過其，流體可以泄漏出來。因此，顆粒的尺寸越小，則間隙孔的尺寸將越小以及微流體通道將越緊湊。工作流體的表面張力將確定間隙孔所允許的最大尺寸，以防止它從微通道泄漏出來。因而，推薦粒徑小于5mm的微附聚的軟木。然而，可以施加附加涂層以避免這種情況。
如上所述，微流體網(wǎng)絡(luò)或圖案的幾何形狀的形狀將產(chǎn)生自優(yōu)化過程，因此它可以是任何舊的(anyold)。雖然微通道的形狀將產(chǎn)生自數(shù)字優(yōu)化，但據(jù)文獻報道，收縮-擴張和阻礙路徑會擴大△pelastic值，但借助于鋸齒形可以達到更大值，以及如果物體正阻止這些鋸齒路徑，則會甚至更大。然而，關(guān)于微通道的尺寸，它們通常將具有深度或?qū)挾刃∮?mm的尺寸，同時對微通道的長度沒有限制，只要它適合在固體材料域的內(nèi)部。圖6示意性地說明本公開的一種實施方式，其中流體填充嵌入在固體材料片材上并覆蓋有另一個固體材料片材的微流體網(wǎng)絡(luò)。特別是，顯示了最簡單的可能的圖案：一組單獨的具有矩形截面的直微通道。如圖7所示，對于由直微通道組成的這種技術(shù)的一種實施方式，上述直微通道具有750μm寬度、700
圖9是數(shù)據(jù)圖，其說明來自對復合材料進行的5j的沖擊測試的力-時間響應(yīng)，上述復合材料產(chǎn)生自由微附聚的軟木組成的這種技術(shù)的特定實施方式，其中用沉淀碳酸鈣在甘油中的分散體(在56％wt下)填充直微通道的圖案，上述直微通道具有700μm深度、500μm寬度、50mm長度并在它們之間分開300μm。微通道被嵌入在粒徑為0.5至2mm的微附聚的軟木的2mm厚層狀片材中并覆蓋有粒徑為0.5mm的微附聚的軟木的1mm厚的自粘合層狀片材。以這種方式可以觀察到，當圖案的構(gòu)造未針對沖擊能量優(yōu)化時，相對于僅固體材料的響應(yīng)，復合材料的響應(yīng)被劣化。
圖10是數(shù)據(jù)圖，其說明來自對復合材料的10j的沖擊測試的力-時間響應(yīng)，上述復合材料產(chǎn)生自由用沉淀碳酸鈣在甘油中的(在56％wt下)強化的微附聚的軟木組成的這種技術(shù)的特定實施方式，上述分散體填充不同的微流體圖案，即，單獨的直微通道、交叉成形網(wǎng)格的直微通道和單獨的波浪狀微通道。它們共同具有深度(700μm)、寬度(500μm)、長度(50mm)以及它們之間的距離(500μm)。另外，在所有情況下，微通道被嵌入在粒徑為0.5至2mm的微附聚的軟木的2mm厚的層狀片材中并覆蓋有粒徑為0.5mm的微附聚的軟木的1mm厚的自粘合層狀片材。再次可以觀察到，關(guān)于固體材料的響應(yīng)，只是通過改變微通道的形狀就可以調(diào)節(jié)復合材料對外部沖擊的響應(yīng)的改善程度。
圖11示出本公開的一種實施方式，其中固體材料容納流體填充的微流體網(wǎng)絡(luò)，其由通過微通道互連的圓柱形儲池組成并覆蓋有另一固體材料片材。圖12是數(shù)據(jù)圖，其說明，來自對復合材料進行的5.25j的沖擊測試的能量-時間響應(yīng)，上述復合材料產(chǎn)生自由微附聚的軟木組成的這種技術(shù)的特定實施方式，上述微附聚的軟木用玉米淀粉的水分散體(在45％wt下)強化，上述水分散體填充具有相同的深度(700μm)但具有不同的寬度和儲池的半徑的不同的微流體網(wǎng)絡(luò)(如圖11所示)。同樣，在所有情況下，微通道被嵌入在粒徑為0.5至2mm的微附聚的軟木的2mm厚的層狀片材中并覆蓋有粒徑為0.5mm的微附聚的軟木的1mm厚的自粘合層狀片材。再次以及還在微流體網(wǎng)絡(luò)的情況下，可以觀察到，關(guān)于固體材料的響應(yīng)，只是通過改變微通道的尺寸，就可以改善或劣化復合材料對外部沖擊的響應(yīng)。
可替換地，這種技術(shù)的另一種實施方式可以包括堆積不同層的這些可以結(jié)合的優(yōu)化的復合材料以對更廣泛的能量沖擊給予保護(圖13)。以這種方式，將優(yōu)化最終復合材料的外層以覆蓋較小范圍的沖擊能量，同時將設(shè)計最終復合材料的更深層以保護免受較大范圍的沖擊能量。
前述附圖、討論和描述是用來說明來自這種技術(shù)的應(yīng)用的復合材料的特定實施方式，但不意味著對其實踐的限制。固體材料、微流體網(wǎng)絡(luò)/圖案和填充流體的最佳組合將取決于特殊條件、限制以及待通過這種技術(shù)的應(yīng)用所解決的問題所固有的限制。以下權(quán)利要求，包括所有等同物，限定本公開的范圍。
不應(yīng)以任何方式將本公開限于所描述的實施方式以及具有本領(lǐng)域普通技術(shù)的人將預見許多修改它們的可能性。
上述實施方式是可組合的。下面的權(quán)利要求進一步闡述本公開的特定實施方式。
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