CN106253748B - 用于改变结构的刚度的方法及多层结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于改变结构的刚度的方法及多层结构，其包括可调节的多层阵列增强系统，所述多层阵列增强系统具有嵌入有纳米颗粒的超分子粘合剂，纳米颗粒按需求响应于运动结构或固定结构中的振荡效应或者在运动结构或固定结构中的振荡效应之前被重新定向。

Description

用于改变结构的刚度的方法及多层结构
技术领域
本公开总体上涉及振动(vibration)的领域，并且更具体地，涉及处理(address，从事于)机械振动的系统。更具体地，本公开涉及使用这样的材料的方法、装置和系统，即，所述材料能基于振动环境改变材料的刚度以避免临界振动频率。又更具体地，本公开涉及将一结构调整为多个期望刚度模式以避免临界频率。
背景技术
诸如车辆的多种结构在工作期间振动。此外，每个结构均根据其形状或构造而具有固有频率或共振频率。不同类型的结构经常被设计成使得工作振动不匹配结构的固有频率，以便避免固有频率或共振频率。这样做是为了防止对结构的损坏，因为共振频率可将机械能聚集到结构的特定位置或部分中，并且超过结构的在该位置处的材料强度，从而可能导致损坏或故障。被用来制造部件的示例性的材料包括但不限于被用来制造天线杆、变速器支架、着陆装置等的材料。
振动力可由引擎、电动马达等的运动、以及甚至声波引起。虽然振动偶尔可具有期望的结果，但是在大多数情况下，期望抵抗或基本上消除大部分的振动力，或者以其它方式将材料载荷路径进行重定向，以保持材料和/或结构的结构整体性。
受此问题影响的一种类型的交通工具(vehicle)是飞行器(航空器，aircraft)，诸如旋翼飞行器(例如，诸如直升机等的旋翼飞机)。旋翼飞机经常经受剧烈振动环境。振动级基于诸如转子速度、环境因素和有效载荷的因素而变化。在旋翼飞机的领域，附加的振动力可经由转子的转动操作而被引导到旋翼飞机。若置之不理，旋翼飞机、或其它大的运动的或固定的结构中的振动可在包括飞行器的部件和材料中加速结构性疲劳。例如，旋翼飞机机身的固有频率可由飞行周期期间出现的不同因素激发，所述飞行周期包括但不限于：着陆、起飞、颠簸、转子的移动重心(shifting center of gravity)等。如果机身材料的固有频率接近于转子的转动速率，则振动可被放大，并且振动增加到超过被用来制造部件的材料的强度的水平，所述部件包括但不限于天线杆、变速器支架、着陆装置等。
进而，振动级经常确定或限制给定旋翼飞行器的尺寸和重量，或限制在工作期间的转子速度。为了处理这些问题，现有的旋翼飞机机身经常通过向结构增加质量而被加强，以避免不期望的振动频率(例如共振)。在旋翼飞机的情况下，增加的质量可以很大(例如达到或超过数百镑)。改进的载荷支承材料可有助于解决此问题，但是通常凭借它们自身不能允许振动调节质量的减少。此外，添加寄生重量(parasitic weight，补充重量)可限制飞行器的速度和有效载荷能力，因为通常认为更期望的是具有更轻质量的飞行器，以允许更大的有效载荷和/或实现更高的燃料效率。
除了增加重量的选择之外，用于避免固有频率或共振频率的另一方法是仅在特定工作范围内操作交通工具，从而使得仅特定的振动频率是可能的。但是，该方法限制了交通工具的效用。
本申请涉及上述问题中的一个或多个。用于避免旋翼飞机上的结构临界频率的装置、系统和方法将是有利的，所述装置、系统和方法没有明显增加旋翼飞机的超重，或者所述装置、系统和方法将允许与振动力的预期无关地进行旋翼飞机的设计。
发明内容
根据一个方面，本公开涉及一种用于改变结构的刚度的方法，该方法包括激活结构中的多层系统的步骤。多层系统至少包括：1)第一层，包括嵌入有纳米颗粒的粘合剂，粘合剂具有第一模量值，并且纳米颗粒在第一定向上定向；2)第二层，邻近于第一层，第二层包括光激活系统；以及3)能量输入部，与能量源连通，并且能量输入部还与第一粘合剂层连通。光激活系统在第二层中被激活以在第二层中产生光。将由第二层产生的光引导到第一层。将粘合剂的第一模量值改变成第二模量值。经由能量输入部将能量从能量源传递到第一层，并且将第一层中的纳米颗粒的定向可预见地改变成在第二定向上定向。在进一步的方面中，响应于振动力执行该方法。
在进一步的方面中，将多层系统设置成与结构接触。
在另一方面中，粘合剂包括超分子粘合剂化合物。
在另一方面中，粘合剂包括金属超分子(metallosupramolecular)粘合剂化合物。
在又一方面中，超分子粘合剂化合物包括端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶配体的远鳌聚(乙烯-共-丁烯)。
在再一方面中，纳米颗粒包括含金属的纳米颗粒、含金属氧化物的纳米颗粒、碳纳米管(CNTs)、氮化硼纳米管(BNNTs)、以及其组合。
在又一方面中，能量源是电能量源。
在进一步的方面中，能量源是磁能量源和/或电-磁能量源。
在更进一步的方面中，第二层包括纤维光学成分。
在另一方面中，纤维光学成分被交织到基质中。
在又一方面中，基质包括碳纤维、玻璃纤维、以及其组合。
在更进一步的方面中，第二层包括LED阵列。
在另一方面中，能量输入部控制提供至第一层的能量的量。
在进一步的方面中，基于通过能量输入部提供至第一层的能量的量而使纳米颗粒在预定定向上重新定向。在进一步的方面中，纳米颗粒被理解为被重新定向至第二定向。
在另一方面中，提供至第一层的能量改变定向，或按需求使纳米颗粒的至少一部分重新定向。
在进一步的方面中，优选地在激活第二层以产生光的步骤之前，通过经由振动传感器感测结构中的振动而在结构中监测振动，传感器与所述结构连通，并且传感器能产生信号。将来自于传感器的信号发送到检测器，检测器与传感器连通，并且由检测器接收由传感器发送的信号，其中检测器与第二层连通。
在进一步的方面中，所述结构是固定结构。
在另一方面中，所述结构是交通工具。
在又一方面中，所述交通工具从包括以下项目的组中选择：有人驾驶飞行器、有人驾驶飞船、有人驾驶旋翼飞机、无人驾驶飞行器、无人驾驶飞船、无人驾驶旋翼飞机、有人驾驶陆地交通工具、无人驾驶陆地交通工具、有人驾驶表面和/或次表面水上交通工具、无人驾驶表面和/或次表面水上交通工具、以及其组合。
在进一步的方面中，第一层包括多个区域，并且在第一层的至少第一区域中选择性地改变纳米颗粒的定向。在进一步的方面中，响应于由传感器感测到的信号而选择性地改变纳米颗粒的定向。
在又一方面中，本公开涉及一种多层结构，其包括：第一层，包括嵌入有纳米颗粒的粘合剂，粘合剂具有第一模量值，并且纳米颗粒处于第一定向；第二层，邻近于第一层，第二层包括光激活系统；能量输入部，与能量源连通，能量源与第一层连通。在进一步的方面中，第一模量值按需求而改变。
在进一步的方面中，粘合剂包括超分子粘合剂。
在另一方面中，粘合剂包括金属超分子粘合剂化合物。
在另一方面中，超分子粘合剂包括包含端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶配体的远鳌聚(乙烯-共-丁烯)的化合物。
在再一方面中，纳米颗粒包括含金属的纳米颗粒、含金属氧化物的纳米颗粒、碳纳米管(CNTs)、氮化硼纳米管(BNNTs)、以及其组合。
在进一步的方面中，能量源从包括以下项目的组中选择：电能量源、磁能量源、电-磁能量源、以及其组合。
在更进一步的方面中，第二层包括纤维光学成分。
在进一步的方面中，纤维光学成分交织到基质中。
在又一方面中，基质包括碳纤维、玻璃纤维、以及其组合。
在又一方面中，能量输入部控制提供至第一粘合剂层的能量的量。
在另一方面中，提供至第一层的能量的量能预见地使第一层中的纳米颗粒重新定向。
在另一方面中，提供至第一粘合剂层的能量按需求改变纳米颗粒的定向。
在进一步的方面中，多层结构进一步包括用于感测结构中的振动的传感器，传感器与结构连通，并且传感器能产生信号。处理器与传感器连通。根据另一方面，多层结构包括检测器，检测器能从传感器接收信号，检测器与传感器和处理器连通。
在进一步的方面中，多层结构结合到固定结构中。
在进一步的方面中，多层结构结合到交通工具中。
在另一方面中，所述交通工具从包括以下项目的组中选择：有人驾驶飞行器、有人驾驶飞船、有人驾驶旋翼飞机、无人驾驶飞行器、无人驾驶飞船、无人驾驶旋翼飞机、有人驾驶陆地交通工具、无人驾驶陆地交通工具、有人驾驶表面和/或次表面水上交通工具、无人驾驶表面和/或次表面水上交通工具、以及其组合。
在进一步的方面中，第一层包括多个区域，并且在第一层的至少第一区域中选择性地改变纳米颗粒的定向。在进一步的方面中，纳米颗粒的定向响应于由传感器感测到的信号而选择性地改变。
本公开的一些方面进一步涉及一种用于改变结构的刚度以避免结构中的临界频率的多层系统，该多层结构包括：第一层，包括嵌入有纳米颗粒的粘合剂，粘合剂具有第一模量值，并且纳米颗粒在第一定向上定向；第二层，邻近于第一层，第二层包括光激活系统；以及能量输入部，与能量源连通，能量输入部与第一层连通。
在进一步的方面中，多层系统设置成与结构接触。
在另一方面中，粘合剂包括超分子粘合剂化合物。
在另一方面中，粘合剂包括金属超分子粘合剂化合物。
在另一方面中，粘合剂包括包含端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶配体的远鳌聚(乙烯-共-丁烯)的超分子粘合剂化合物。
在又一方面中，纳米颗粒包括含金属纳米颗粒、含金属氧化物的纳米颗粒、碳纳米管(CNTs)、氮化硼纳米管(BNNTs)、以及其组合。
在又一方面中，能量源是电能量源。
在进一步的方面中，能量源是磁能量源和/或电-磁能量源。
在更进一步的方面中，第二层包括纤维光学成分。
在另一方面中，纤维光学成分交织到基质中。
在又一方面中，基质包括碳纤维、玻璃纤维、以及其组合。
在更进一步的方面中，第二层包括LED阵列。
在另一方面中，能量输入部控制提供至第一层的能量的量。
在进一步的方面中，提供至第一层的能量的量能预见地使第一层中的纳米颗粒重新定向。在进一步的方面中，提供至第一层提供的能量的量能预见地使第一层中的纳米颗粒重新定向成预定的第二定向。
在另一方面中，纳米颗粒的定向按需求而改变。
在进一步的方面中，系统进一步包括至少一个传感器，传感器用于监测结合有该系统的结构中的振动。传感器经由传感器感测结构中的振动，传感器与结构连通，并且传感器能产生信号，来自于传感器的信号被发送到处理器，处理器与传感器连通，并且处理器与第二层连通。
在进一步的方面中，系统结合到固定结构中。
在另一方面中，系统结合到交通工具中。
在另一方面中，所述交通工具从包括以下项目的组中选择：有人驾驶飞行器、有人驾驶飞船、有人驾驶旋翼飞机、无人驾驶飞行器、无人驾驶飞船、无人驾驶旋翼飞机、有人驾驶陆地交通工具、无人驾驶陆地交通工具、有人驾驶表面和/或次表面水上交通工具、无人驾驶表面和/或次表面水上交通工具、以及其组合。
在进一步的方面中，系统的第一层包括多个区域，在第一层的至少第一区域中响应于由传感器感测到的信号而选择性地改变纳米颗粒的定向。
在另一方面中，本公开涉及一种包括多层系统的装置，所述多层系统包括：第一层，包括嵌入有纳米颗粒的粘合剂，粘合剂具有第一模量值，并且纳米颗粒在第一定向上定向；以及第二层，邻近于第一层，第二层包括光激活系统。
附图说明
因此，在已经概括地描述了本公开的变型的情况下，现在将参考附图，附图不必按比例绘制，并且其中：
图1A是本公开的一个方面的分解视图，示出了多层系统；
图1B是图1A的粘合剂层的放大图，示出了嵌入的纳米颗粒；
图1C是图1A的层的放大图，示出了光激活(light activation，光激活，光活化)系统；
图2是根据本公开的一个方面的粘附于一结构层的多层系统的侧视图；
图3是图2的系统的侧视图，示出了在第二层中被激活的光源，其中光被引导到粘合剂层；
图4是图3的系统的侧视图，示出了改变其模量(modulus)的粘合剂层；
图5是图4的系统的侧视图，示出了施加于粘合剂层的电场；
图6是图5的系统的侧视图，示出了粘合剂层中的纳米颗粒将定向改变成重新排列的位置；
图7是图6的系统的侧视图，示出了停用的(deactivated，去激活的)光源；
图8和9是根据本公开的一些方面的方法的流程图；
图10是包括本公开的一些方面的飞行器的图；以及
图11是示出飞行器的一部分的展示视图。
具体实施方式
本公开涉及这种方法、系统和装置，即，所述方法、系统和装置通过将结构按需求改变或“调节”成多种预定的和期望的刚度模式而按需求可预见地改变结构的刚度。术语“按需求(on-demand)”是指可预见地改变结构的刚度所要求的响应时间。根据本公开的一个方面，结构的刚度可响应于对振动出现的检测而基本上同时地改变。根据另一方面，结构的刚度或结构的区域可在任何振动出现之前基本上同时地改变。在一个方面中，所公开的多层增强系统被定位成接近于、或粘附于、或耦接于一结构。多层系统在第一层中包括可逆的(reversible)粘合剂，诸如，例如包括嵌入的纳米颗粒的超分子粘合剂。嵌入的纳米颗粒具有第一预选的或预定的定向，或者在粘合剂内具有随机的定向。根据一个方面，第二层被定位成接近于、或粘附于粘合剂层。第二层包括光激活系统。在一个方面中，第二层中的光激活系统包括位于基质中的光学纤维和纤维成分(诸如碳纤维基质成分)。
刚度应被理解为物体(诸如例如结构)的刚性。因此，术语“刚度”是指物体响应于施加的力(诸如，例如振动力、或“振动”)而抵抗变形的程度。
在一个方面中，粘合剂是超分子粘合剂，该超分子粘合剂通过其对光的反应性而具有“可逆的”或“可变换的”的粘性性能并且可“软化”，或可按需求保持对模量的可预见的和可定制的改变。这种超分子粘合剂已知的是包括超分子交联组分(cross-linkingcomponents)。交联组分使得相对较短的聚合物链(polymer chains)能够彼此结合，以形成长的聚合物链。但是，这些聚合物链的结合是可逆的。这种粘合剂已由Adolphe MerkleInstitute(Fribourg,Switzerland)(阿道夫默克研究所(瑞士弗里堡))的Heizmann等人描述。参见ACS Appl.Mater.Interfaces 2014，6，4713-4719。根据本公开的一些方面，感兴趣的超分子粘合剂允许当暴露于适当的刺激时(诸如，例如，暴露于可见光能量刺激(stimulus)、IR能量源刺激或UV能量刺激等)，聚合物的临时分解。
根据本公开的一些方面，超分子粘合剂粘度和模量的改变将期望地小于显著地影响到粘合剂与结构的粘附的改变，但是将提供粘合剂的模量和/或粘度的预定改变，以便允许：当足够电能、磁能、和/或电-磁能被提供到粘合剂层中的粘合剂时，嵌入的纳米颗粒将它们自身重新定向，并且可预见地重新排列。术语“可预见地重新排列(predictablyrealign)”是指获得期望的和预定的定向。这种重新排列预期使嵌入的纳米颗粒从第一排列改变到期望的和预定的第二排列。
如同上由Heinzmann等人所描述的，合适的超分子粘合剂包括例如在端尾部(termini)处用结合脲基嘧啶酮(ureidopyrimidinone)(UPy)基的氢功能化(functionalized)的远鳌聚(poly)(乙烯-共-丁烯)，其中热作为刺激而施加。本公开的一些方面预期使用包含金属超分子化合物的超分子粘合剂，其中化合物的聚合物结构中的缺陷(defect)可通过使粘合剂暴露于光(诸如，例如紫外(UV)光等)而接合。如由Heinzmann等人所公开的，这种粘合剂也可基于远鳌聚(乙烯-共-丁烯)，但是端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶(2,6-bis(1’-methylbenzimidazoyl)-pyridine)配体(ligands)。用于此聚合物的构建块(building blocks)被公开为与大约化学计量数量的Zn2+和La3+盐一起被组合成聚合物结构。金属-配体模体(motifs，基序)吸收入射的UV光、并将其转换成热，从而导致金属-配体模体的临时分解、并且将该材料转化成低粘性液体。当光能停止时，金属聚合物重新组合，并且恢复它们的初始粘性和其它特性。
根据本公开的一些方面，超分子粘合剂(不局限于由Heinzmann等人公开的那些超分子粘合剂)被预期为用作用于可调节的、粘性的层的介质，以便在振动力存在之前或者响应于振动力的存在而按需求可预见地改变结构的刚度。因此，所预期的超分子粘合剂包括但不限于包含远鳌聚(乙烯-共-丁烯)的粘合剂，所述粘合剂的端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶配体、以及它们的衍生物和前体。在另一方面中，粘合剂包括超分子粘性化合物。
根据其它方面，超分子粘合剂由嵌入的纳米颗粒制造。所预期的纳米颗粒将以预定的或随机的定向设置在硬化的超分子粘性材料中。但是，根据本公开的一些方面，当超分子粘合剂层暴露于光能时，粘合剂的模量和粘度被可预见地改变，从而允许嵌入的纳米颗粒受到从合适能量源向粘合剂层供应的电能、磁能和/或电-磁能的影响。根据另外一些方面，在粘合剂层的软化状态下被提供到粘合剂层的电能、磁能、和/或电-磁能的数量、方向性、极性和位置可被设计成使纳米颗粒可预见地重新定向和/或重新排列成理想的定向和/或重新排列。一旦纳米颗粒被可预见地重新定向和/或重新排列，粘合剂层就被允许重新设定成预期的模量/粘度。
光能可在这样的可见光谱、IR光谱和/或UV光谱等中，即，所述光谱具有在从大约250nm至大约450nm范围中的波长(具有在从大约800mW/cm2至大约1000mW/cm2范围中的强度)，所述波长被从交织到第二纤维层中的织物基质(fabric matrix)中的光学纤维或LED光阵列引导到第一粘合剂层中的超分子粘合剂。在另一方面中，光能可在这样的可见光谱、IR光谱和/或UV光谱等中，即，所述光谱具有从大约320nm至大约390nm范围中的波长(具有900mW/cm2的强度)，所述波长被从交织到第二纤维层中的织物基质中的光学纤维或LED光阵列引导到第一粘合剂层中的超分子粘合剂。第二纤维层进一步包括碳纤维、玻璃纤维或它们的组合，并且根据一个方面，碳纤维和/或玻璃纤维交织有纤维光学成分(例如光学纤维线)以形成第二纤维层的纤维基质。
但是，可以理解的是，所要求的这种光波长和强度将根据纳米颗粒重新定向和/或重新排列的期望程度、并且根据所选择的超分子粘合剂而改变。根据进一步的方面，本公开预期经由纤维光学成分(诸如，例如光学纤维线)来传送来自光源的光，所述纤维光学成分连同有用的纤维一起被交织到第二纤维层中的基质中，所述有用的纤维诸如(例如但不限于)为碳纤维、玻璃纤维等、以及它们的组合。根据一个方面，碳纤维厚度可在从大约0.004英寸到大约0.025英寸的范围。根据进一步的方面，所预期的光学纤维线厚度通常在从大约3.93x10-5英寸的范围，但是也可如期望的那样厚。所预期的LED阵列可以是邻近于纤维基质的板、或者可以是被交织到纤维基质中的条带。所预期的LED阵列的厚度可在从大约0.015英寸至大约0.38英寸的范围。
预期需要用于产生期望程度的纳米颗粒重新排列的合适数量的电能，并且从至少一个能量源供应该电能，并且该电能通过与第一粘合剂层连通的至少一个能量输入部传递，以便使嵌入在软化的超分子粘合剂中的纳米颗粒可预见地重新定向和/或重新排列，正如本领域技术人员将理解的。进一步应理解的是，这种电能数量和输入将根据纳米颗粒重新定向和/或重新排列的期望程度、以及根据所选择的超分子粘合剂而改变。应当理解的是，电能量源按需求经由与第一粘合剂层连通的至少一个电力输入部而将电能传递到第一粘合剂层。进一步应理解的是，电容器和其它电学部件可被结合到粘合剂层内和/或遍及整个粘合剂层，正如本领域技术人员易于理解的。
此外，电能、磁能和/或电-磁能可在任意的期望位置处沿例如粘合剂层的一个或多个边缘而被提供到第一粘合剂层，或者电力输入部和其它连接部可根据期望出现在整个粘合剂层上。当多个电连接部设置于粘合剂层时，应理解的是，不同的控制器和计算机程序和处理器可以结合的方式使用，以便与被编程的进程相配合地(in concert with)或者以被编程的进程的方式调节能量的释放、并且另行地将能量引导到粘合剂层，以从第一定向到任何期望的重新定向来获得期望的纳米颗粒的重新定向和/或重新排列。这些设计仅受到多层系统的几何形状、以及结合有多层系统的结构的限制。电输入、磁输入和/或电-磁输入的模式和强度将有助于通过控制纳米颗粒重新定向和重新排列的方向、速率、以及程度来确定多层系统。将多个粘合剂层和纤维层与不同的电能输入部相组合、以及对电信号向粘合剂层的传递进行编程控制将可预见地改变多层系统的刚度，并且因此改变多层系统所附接的、或者多层系统所邻近定位的结构的刚度，以便按需求产生对振动事件的响应。当被增强的结构是飞行器或旋翼飞机的部件时，应理解的是，振响响应将被设计为按需求以及在飞行中出现。
被提供用于可预见地软化超分子粘合剂的光能、和被提供至粘合剂层以用于可预见地改变嵌入在软化的超分子粘合剂内的纳米颗粒的定向和/或排列的能量的组合按需求改变了超分子粘合剂的特性，以便提供改变的材料，所述改变的材料在结构中存在振动力之前、或者响应于结构中的振动力的存在而可预见地改变结构的刚度。应当理解的是，本公开的方法、系统、结构和装置在工作期间辅助结构重新引导结构所经受的载荷路径。多个、以及可能地无限地变化的刚度模式被预期为是可实现的，仅受可能的纳米颗粒定向、以及重新定向的限制。
所预期的纳米颗粒包括但不限于这样的纳米颗粒，即，所述纳米颗粒包括金属、金属氧化物、碳纳米管(CNTs)、氮化硼纳米管(BNNTs)等，应理解的是，可以使用具有所要求的特性的、并且能够可预见地重新定向和/或重新排列的任何纳米颗粒。纳米颗粒可不对称地带有电荷、带有负电荷或带有正电荷等，并且具有在从大约1到大约1000nm的范围中的尺寸。特别地有用的CNTs和BNNTs具有大约4nm的预期直径，具有在较大范围中的长度和纵横比，另外，应理解的是，可以使用具有所要求的特性的、并且能够可预见地重新定向和/或重新排列的任何CNT和/或BNNT纳米颗粒。进一步理解的是，被提供给具有嵌入的纳米颗粒的软化的粘合剂层的能量可预见地使得纳米颗粒在三个维度中以相对于彼此的共同运动的方式通过从1°到359°的预定角度变换而按需求以及根据期望来重新定向和/或重新排列。
根据一个方面，可变的且可编程的按需求的光输入可预见地改变粘合剂层中的粘合剂的模量。此外，一旦粘合剂被软化(粘合剂模量、粘度改变)到期望程度，则从电源、磁源和/或电-磁源提供的可变的且可编程的按需求的电荷、磁荷和/或电-磁荷可预见地改变嵌入在粘合剂层内的纳米颗粒的定向和/或排列。
如本文所述的，本公开的多层系统可根据期望包括多于一个的粘合剂层和多于一个的纤维层，以便实现用于按需求减轻振动效应的最佳三维(3D)增强系统。进一步理解的是，本文所提出的多层系统可被全局地(全面地globally)结合在基本上整个特定的结构或交通工具上，以便当需要时局部地或全局地响应于整个结构上的任何位置处的振动级，或者所述多层系统可仅被定位在战略性地设置的(strategically-placed)区域处，所述战略性地设置的区域诸如已知为用于典型地保持所关注的振动力的区域。本文所公开的嵌入有纳米颗粒的粘合剂允许多层系统有条件地和可预见地按需求改变一个或多个部件、一个或多个区域，和/或整个机身的刚度。根据本公开的一些方面，部件(包括但不限于结构部件和机身)的刚度通过可预见地按需求改变粘合剂的模量而被可预见地按需求改变，从而不仅选择性地增加或减少了多层系统的刚度，而且增加或减少了结合有多层系统的整个结构的刚度。
相对于在陆地交通工具、海洋交通工具(表面和次表面水上交通工具)和飞行器/飞船/旋翼飞机交通工具(这些交通工具中的所有或任一个可以是有人驾驶的或无人驾驶的)中的使用，根据本公开的一些方面，本文所描述的多层系统允许独立于考虑减轻在交通工具工作期间遇到的持续的、周期的以及以其它方式预料和预期的振动力的常规关注而实现这种交通工具的总体设计(例如重量、尺寸、排量等)。这种设计上的独立性导致了这种交通工具中的“寄生”重量分布的消除，进一步导致了范围、速度和有效载荷等的操作性增加，同时减少了燃料消耗。此外，本发明的一些方面可方便地将下一代材料以及现有材料用作备选材料，以便在这种交通工具以及甚至固定的结构(诸如发电机、风力涡轮机等)的构建中使用。
如图1A中所示，多层结构10包括包含有嵌入颗粒的超分子粘合剂层12。纤维层14包括支撑交织光学纤维的交织纤维。结构11代表这样的结构，即，粘合剂层12被粘附于或以其它方式邻接于该结构。图1B是超分子粘合剂层12的放大图，更清楚地示出了嵌入的纳米颗粒13。图1C是更清楚地示出纤维层14的放大图，该纤维层包含与光学纤维17交织的纤维16。虽然未示出，但是可理解的是，粘合剂层12可夹设在纤维层14与基底(未示出)之间。在该方面中，基底的第一侧将与粘合剂层12接触。然后，基底的第二侧将设置成与结构11接触。以这种方式，本公开的包括粘合剂层12和纤维层14的多层系统可被施加到结构11，或者如果期望的话，多层系统可包括与粘合剂层12接触的基底。
图2是示出了粘附于或以其它方式邻接于结构层20的多层结构的侧视图。如图所示，多层结构包括嵌入有纳米颗粒的超分子粘合剂层22，该超分子粘合剂层被夹设在结构层20与纤维层24之间。纤维层24包括与光学纤维或LED板26交织的碳纤维板层(ply)25。能量输入部28被示出为与超分子粘合剂层22连通。虽然未示出，但可理解的是，纤维层24中的光学纤维26与光能量源连通。在图2中，可以理解的是，没有光通过光学纤维传输。因此，纤维层24处于“关”模式、或非工作模式中。
图3是图2中所示的多层结构的侧视图，其中，纤维层24中的光学纤维26正在传输来自于光能量源(未示出)的光。因此，在图3中，纤维层24处于“开”模式、或工作模式中，并且光能从纤维层24传输到超分子粘合剂层22。
图4是图2-3中所示的多层结构的侧视图，其中，纤维层24中的光学纤维26正在传输来自于光能量源(未示出)的光，并且纤维层24处于“开”模式，并且光能正在从纤维层24传输到超分子粘合剂层22。图4示出了超分子粘合剂层22从纤维层24中的光学纤维26吸收光能，并且通过在其“软化”时改变其模量和粘度的方式作出反应。
在图5中，电能或磁能从电能量源和/或磁能量源(未示出)被激活，从而将能量经由能量输入部28引导到超分子粘合剂层22。根据一个方面，电场和/或磁场在期望的方向上被激活，可预见地影响位于超分子粘合剂层22内的嵌入纳米颗粒的定向。在图6中，超分子粘合剂层中的嵌入纳米颗粒被可预见地重新排列、和/或重新定向(如由箭头示出的，箭头指示出预定的纳米颗粒运动、重新排列和重新定向)。在图7中，光源被“关”掉(通过“层”26变“黑”指示)，并且纤维层24中的光学纤维26停止将光能引导到超分子粘合剂层22。在没有光能的情况下，则超分子粘合剂“重新变硬”，但是重新排列的和/或重新定向的嵌入纳米颗粒已经可预见地且期望地改变了超分子粘合剂层的振动特性，并且进而已经改变了附接有或粘附有或以其它方式邻接有超分子粘合剂层的结构20的振动特性。
根据本公开的一个方面，用于改变材料和以及包含该材料的结构和/或部分的刚度的方法80以图8中所呈现的流程图示出。在步骤81中，将多层系统制成包括第一层和第二纤维层，该第一层包括具有第一模量值的超分子粘合剂，该超分子粘合剂嵌入有在第一定向上定向的纳米颗粒，第二纤维层邻近于第一层定位。第二纤维层包括光激活系统。在步骤82中，将多层系统集成到易受振动影响的结构中。在步骤83中，激活第二层以产生光能。在步骤84中，将由第二纤维层产生的光能引导到第一粘合剂层。在步骤85中，当接收来自于第二纤维层的光能时，第一粘合剂层中的超分子粘合剂经受模量变化，从第一模量值变化到第二模量值。步骤86包括将来自于能量源的电能和/或磁能传递到第一粘合剂层中的超分子粘合剂。步骤87包括将超分子粘合剂中的纳米颗粒的定向和/或排列可预见地改变成第二定向。应当理解的是，步骤86的电能量源和/或磁能量源可以是电-磁能量源。
根据本公开的另一方面，用于改变材料以及包含该材料的结构和/或部分的刚度的方法90以图9中所呈现的流程图示出。在步骤81中，将多层系统制成包括第一层和第二纤维层，该第一层包括具有第一模量值的超分子粘合剂，该超分子粘合剂嵌入有纳米颗粒，第二纤维层邻近于第一层定位。第二纤维层包括光激活系统。在步骤82中，将多层系统集成到易受振动影响的结构中。在步骤88中，通过经由至少一个振动传感器感测附接有多层系统的结构中的振动来监测该结构中的振动。所述传感器与所述结构连通，并且能产生信号。在步骤89中，将信号从传感器发送到与传感器连通的处理器。在步骤91中，通过与第二纤维层光激活系统连通的处理器接收信号。在步骤83中，激活第二纤维层以产生光能。在步骤84中，将由第二纤维层产生的光能引导到第一粘合剂层中的超分子粘合剂。在步骤85中，当接收来自于第二纤维层的光能时，第一粘合剂层中的超分子粘合剂经受模量变化，从第一模量值变化到第二模量值。步骤86包括将来自于能量源的电能和/或磁能传递到第一粘合剂层中的超分子粘合剂。步骤87包括基于由传感器感测到的振动而将超分子粘合剂中的纳米颗粒的定向和/或排列可预见地改变成第二定向。应当理解的是，步骤86的电能量源和/或磁能量源可以是电-磁能量源。
图10是旋翼飞机100的附图，其中示出了机身面板102，该机身面板包括具有本文所描述的系统和装置的部分。
图11是旋翼飞机100(在图10中示出)的机身部段102的剖切视图的示意图，示出了内部特征，内部特征包括内部蒙皮104和支撑桁梁(纵梁，stringers)106。应当理解的是，本文所公开的多层系统的一些方面可被结合到旋翼飞机的一个或多个任何结构特征和/或一个和多个区域中，或者可在整个旋翼飞机结构(包括内部和外部区域等)上作为分层系统或分层装置而被结合。
应当理解，本公开的多层结构可被结合于任何载荷支承或非载荷支承的结构中、粘附于任何载荷支承或非载荷支承的结构、定位成邻接任何载荷支承或非载荷支承的结构、或者与任何载荷支承或非载荷支承的结构形成整体，所述任何载荷支承或非载荷支承的结构在工作期间易受振动力影响，并且由此而可能期望所述载荷支承或非载荷支承的结构的可调节刚度。例如，根据某些方面，多层结构可例如在结构的制造期间作为层压层而被结合到结构中。根据其它方面，多层系统可以例如经由后制造程序作为附加物而被接合于、或粘附于、或以其它方式邻接于飞行器的内表面、蒙皮、面板、桁粱、框架部件等，正可由本领域技术人员所易理解的。事实上，本公开的方法、系统装置和结构的一些方面被预期为在任一和所有有人驾驶的和无人驾驶的交通工具中发现效用，所述交通工具包括但不限于飞行器、飞船、旋翼飞机、火箭、人造卫星、遥控飞机、陆地交通工具和表面和次表面水上交通工具、以及它们的组合。
根据进一步的方面，所公开的多层系统可被结合到易受振动力影响的固定结构(诸如，例如为发电机、风力涡轮机等)中，或者可甚至被结合到建筑物和其它固定结构(诸如，例如在地震、风、以及其它力可能诱发规则的或不规则的振动力的地区中出现的大型结构)中，在所述固定结构处可能期望减轻这种力以保持结构的性能和结构整体性。
当介绍本公开或其示例性或实施方式的元件时，冠词“一”“该”和“所述”旨在意味着存在所述元件中的一个或多个。术语“包括”、“包含”和“具有”旨在是包含容性的，并且意味着可能存在不同于所列元件的附加元件。虽然本公开已经针对具体实施方式进行了描述，但是这些实施方式的细节不应当被理解为限制。虽然已经示出和描述了本公开的优选变型和可替代实施方式，但是应认识到，可在不脱离本公开的范围的情况下对其进行各种改变和替代。

Claims (14)

1.一种用于改变结构的刚度的方法，包括以下步骤：
激活所述结构中的多层系统，所述多层系统包括：
第一层，包括嵌入有纳米颗粒的粘合剂，所述粘合剂具有第一模量值，并且所述纳米颗粒在第一定向上定向；
第二层，邻近于所述第一层，所述第二层包括光激活系统，其中，所述第二层包括传输来自于光能量源的光的纤维光学成分，所述纤维光学成分交织到基质中，所述基质包括碳纤维、玻璃纤维以及其组合；以及
能量输入部，与能量源连通，并且所述能量输入部与所述第一层连通，其中，所述能量源包括以下项目中的至少一个：
电能量源、磁能量源、电-磁能量源以及其组合；
通过所述光能量源在所述第二层中产生光；
通过所述纤维光学成分将由所述第二层产生的光引导到所述第一层，以将所述粘合剂的模量从所述第一模量值改变到第二模量值；
经由所述能量输入部将能量从所述能量源传递到所述第一层；以及
改变所述第一层中的所述纳米颗粒的定向，基于通过所述能量输入部提供至所述第一层的能量的量而使所述纳米颗粒在预定定向上重新定向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述粘合剂包括超分子粘合剂化合物。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述超分子粘合剂化合物包括金属超分子粘合剂化合物或端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶配体的远鳌聚(乙烯-共-丁烯)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纳米颗粒包括含金属的纳米颗粒、含金属氧化物的纳米颗粒、碳纳米管、氮化硼纳米管以及其组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二层进一步包括LED阵列。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，所述方法进一步包括：
通过经由振动传感器感测所述结构中的振动而监测所述结构中的振动，所述振动传感器与所述结构连通，并且所述振动传感器能产生信号，将来自于所述振动传感器的信号发送到与所述振动传感器连通的检测器，并且由所述检测器接收所述振动传感器的信号，所述检测器与所述第二层连通。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中，所述第一层包括多个区域，并且所述方法进一步包括以下步骤：选择性地改变所述第一层的至少一个所述区域中的所述纳米颗粒的定向。
8.一种多层结构，包括：
第一层，包括嵌入有纳米颗粒的粘合剂，所述粘合剂具有第一模量值，并且所述纳米颗粒在第一定向上定向；
第二层，邻近于所述第一层，所述第二层包括光激活系统，其中，所述第二层包括传输来自于光能量源的光的纤维光学成分，所述纤维光学成分交织到基质中，其中所述基质包括这样的材料，即，该材料包含碳纤维、玻璃纤维以及其组合中的至少一个；以及
能量输入部，与能量源连通，并且所述能量输入部与所述第一层连通，其中，所述能量源包括：电能量源、磁能量源、电-磁能量源以及其组合，
其中，通过所述能量输入部提供至所述第一层的能量的量能预见地使所述第一层中的所述纳米颗粒重新定向。
9.根据权利要求8所述的多层结构，其中，所述粘合剂包括超分子粘合剂化合物，
所述超分子粘合剂化合物包含端尾部具有2,6双(1’-甲基苯并咪唑)-吡啶配体的远鳌聚(乙烯-共-丁烯)。
10.根据权利要求8所述的多层结构，其中，所述多层结构包括以下项目中的至少一个：
其中，所述纳米颗粒包括含金属的纳米颗粒、含金属氧化物的纳米颗粒、碳纳米管、氮化硼纳米管；
其中，所述纳米颗粒的定向按需求而改变。
11.根据权利要求8所述的多层结构，所述多层结构进一步包括：
传感器，用于感测所述多层结构中的振动，所述传感器与所述多层结构连通，并且所述传感器能产生信号；以及
处理器，与所述传感器连通。
12.根据权利要求8所述的多层结构，其中，所述多层结构结合到固定结构中。
13.根据权利要求8至12中任一项所述的多层结构，其中，所述多层结构结合到交通工具中。
14.根据权利要求13所述的多层结构，其中，所述交通工具从包括以下项目的组中选择：有人驾驶飞行器、有人驾驶飞船、有人驾驶旋翼飞机、无人驾驶飞行器、无人驾驶飞船、无人驾驶旋翼飞机、有人驾驶陆地交通工具、无人驾驶陆地交通工具、有人驾驶水上交通工具、无人驾驶水上交通工具以及其组合。
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