CN111531978B - 一种可拉伸复合振膜 - Google Patents

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Abstract

一种可拉伸复合振膜，包括基层和人工有序结构功能层，所述人工有序结构功能层的材料与所述基层的材料通过层内嵌套和/或层间叠层的方式复合，所述人工有序结构功能层具有有序分布的单元结构，各单元结构整体上连接在一起并在连续的单元结构之间形成有序分布的孔隙，其中所述人工有序结构功能层的材料具有高于所述基层的材料的弹性模量和尺寸稳定性。本发明的可拉伸复合振膜提高了基层材料在拉伸状态下的尺寸稳定性，由此增加了复合振膜在拉伸状态下的性能持久性和使用寿命。且本发明复合振膜在拉伸状态下的形变可设计，实现膜力学性能的人为调控。

Description

一种可拉伸复合振膜
技术领域
本发明涉及一种可拉伸复合振膜。
背景技术
振动工程、吸隔声工程领域中常需要用到膜材料，振动工况下，膜材料往往需要在加载状态下工作。如何改善现有的膜材料，实现膜的力学性能的人为优化调控，增加膜材料在加载状态下的性能稳定性，是现有技术亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种可拉伸复合振膜。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种可拉伸复合振膜，包括基层和人工有序结构功能层，所述人工有序结构功能层的材料与所述基层的材料通过层内嵌套和/或层间叠层的方式复合，所述人工有序结构功能层具有有序分布的单元结构，各单元结构整体上连接在一起并在连续的单元结构之间形成有序分布的孔隙，其中所述人工有序结构功能层的材料具有高于所述基层的材料的弹性模量和尺寸稳定性。
进一步地：
所述人工有序结构功能层的厚度等于所述基层的厚度，所述人工有序结构功能层嵌套于所述基层中。
所述人工有序结构功能层的厚度小于所述基层的厚度，所述人工有序结构功能层嵌套于所述基层中并靠近所述基层的一个侧面设置。
所述人工有序结构功能层的厚度小于所述基层的厚度，所述人工有序结构功能层嵌套于所述基层中并位于所述基层厚度方向的中间位置。
所述基层的材料为单一均质高分子材料或纳米复合材料或纤维改性复合材料；所述高分子材料包括乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、氟硅橡胶、腈硅橡胶、室温硫化硅橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、改性环氧树脂、不饱和聚酯、聚醚醚酮、聚芳醋、聚醚酞亚胺、聚酞亚胺、聚苯硫醚、聚茶二甲酸乙二醇醋、聚对苯二甲酸乙二醇醋中的一种或多种；所述纳米粉体包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝、纳米橡胶颗粒中的一种或多种；所述纤维材料包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、植物纤维中的一种或多种。
所述人工有序结构功能层的材料包括金属、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、植物纤维中的一种或多种，优选地，所述金属包括铝、铜、钢、镍中的一种或多种。
所述可拉伸复合振膜的总厚度为5μm～2mm，模量范围约100kPa～10GPa。
所述有序分布的单元结构的尺度为mm级到微米级别，优选地，所述有序分布的单元结构的尺寸为：厚度为1～100μm，线边长度1～5mm，线边截面特征尺寸为1～100μm。
所述有序分布的单元结构是软结构，优选地，为具有负泊松比效应的结构、网格结构或卷曲纤维结构。
所述有序分布的单元结构是双向领结单元结构或曲折多边形单元结构或三边单元结构或星形单元结构，优选地，其中各双向领结单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接和单元结构直接连接，其中各曲折多边形单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接和单元结构直接连接，其中各三边单元结构的连接方式包括通过三边单元结构的边角处直接连接，其中各星形单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供了一种基于人工有序结构的可拉伸复合振膜，其中人工有序结构功能层的材料与基层的材料通过层内嵌套和/或层间叠层的方式复合，所述人工有序结构功能层具有有序分布的单元结构，各单元结构整体上连接在一起并在连续的单元结构之间形成有序分布的孔隙，其中所述人工有序结构功能层的材料具有高于所述基层的材料的弹性模量和尺寸稳定性。本发明复合振膜通过人工有序结构功能层与基层的上述复合设计，提高了基层材料在拉伸状态下的尺寸稳定性，由此增加了复合振膜在拉伸状态下的性能持久性和使用寿命。本发明复合振膜在拉伸状态下的形变可设计，尺寸稳定性高，使用寿命长。本发明的复合膜，可通过人工有序结构实现膜力学性能的人为调控，显著增加膜材料在加载状态下的性能稳定性，在振动工程、吸隔声工程领域的膜材料应用中具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种实施例的基层和人工有序结构功能层的复合方式示意图。
图2是本发明另一种实施例的基层和人工有序结构功能层的复合方式示意图。
图3是本发明另一种实施例的基层和人工有序结构功能层的复合方式示意图。
图4是本发明又一种实施例的基层和人工有序结构功能层的复合方式示意图。
图5是本发明一种实施例中的人工有序结构功能层采用双向领结单元结构的示意图。
图6是本发明一种实施例中的人工有序结构功能层采用曲折多边形单元结构的示意图。
图7是本发明一种实施例中的人工有序结构功能层采用三边单元结构的示意图。
图8是本发明一种实施例中的人工有序结构功能层采用星形单元结构的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图4，本发明实施例提出一种可拉伸复合振膜，包括人工有序结构功能层1和基层2，所述人工有序结构功能层的材料与所述基层2的材料通过层内嵌套和/或层间叠层的方式复合，所述人工有序结构功能层具有有序分布的单元结构，各单元结构整体上连接在一起并在连续的单元结构之间形成有序分布的孔隙，其中所述人工有序结构功能层的材料具有高于所述基层2的材料的弹性模量和尺寸稳定性。
本发明实施例的可拉伸复合振膜中，人工有序结构功能层1的弹性模量和尺寸稳定性高于基层2的材料，通过人工有序结构功能层1能够改善复合膜的力学性能和形变特性。人工有序结构功能层1对基层材料本身的强度或模量的影响不显著，但通过人工有序结构功能层1与基层材料进行复合，本发明实施例提高了基层材料在拉伸状态下的尺寸稳定性，由此增加复合膜在拉伸状态下的性能持久性和使用寿命。本发明实施例的复合膜在拉伸状态下的形变可设计，尺寸稳定性高，使用寿命长。
通过人工有序结构(或称微结构)材料层的引入，实现复合膜力学性能的人工调控。
而且，由于人工序结构功能层本身具有较高的孔隙率，且其基本序构结构可设计性高，可根据需要设计为软结构，等效的刚度低，因此，无论是层内嵌套还是层间叠层复合方式对基层材料层的强度和模量都不会有较大的改变。同时，由于构成人工序结构功能层的材料组分的模量、尺寸稳定性比基层材料高，因此，复合得到的复合振膜将形成尺寸稳定性高，使用寿命长的复合材料膜。
参阅图1，在一些实施例中，所述人工有序结构功能层1与所述基层2以层间叠层的方式复合。
参阅图2，在一些实施例中，所述人工有序结构功能层1的厚度等于所述基层2的厚度，所述人工有序结构功能层1嵌套于所述基层2中。进一步地，所述人工有序结构功能层1可以从所述基层2的两面暴露。
参阅图3，在一些实施例中，所述人工有序结构功能层1的厚度小于所述基层2的厚度，所述人工有序结构功能层1嵌套于所述基层2中并靠近所述基层2的一个侧面设置。进一步地，所述人工有序结构功能层1可以从所述基层2的一面暴露。
参阅图4，在一些实施例中，所述人工有序结构功能层1的厚度小于所述基层2的厚度，所述人工有序结构功能层1嵌套于所述基层2中并位于所述基层2厚度方向的中间位置，从而隐藏于所述基层2内。
此外，还可根据实际性能设计要求，进行复合膜内部的其他复合结构类型设计。
在优选的实施例中，所述基层的材料可以为单一均质高分子材料或纳米复合材料或纤维改性复合材料；所述高分子材料可以包括乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、氟硅橡胶、腈硅橡胶、室温硫化硅橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、改性环氧树脂、不饱和聚酯、聚醚醚酮、聚芳醋、聚醚酞亚胺、聚酞亚胺、聚苯硫醚、聚茶二甲酸乙二醇醋、聚对苯二甲酸乙二醇醋中的一种或多种；所述纳米粉体可以包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝、纳米橡胶颗粒中的一种或多种；所述纤维材料可以包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、植物纤维中的一种或多种。
在优选的实施例中，所述人工有序结构功能层的材料可以包括金属、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、植物纤维中的一种或多种，优选地，所述金属可以包括铝、铜、钢、镍中的一种或多种。
在优选的实施例中，所述有序分布的单元结构的尺度为mm级到微米级别，优选地，所述有序分布的单元结构的尺寸为：厚度为1～100μm，线边长度1～5mm，线边截面特征尺寸为1～100μm。
在基层材料中引入人工有序结构，人工有序结构的单元尺度一般为mm级，其最小尺寸可到微米级别，但不到纳米尺度，区别于纳米填料。
在优选的实施例中，所述有序分布的单元结构是软结构。优选地，所述有序分布的单元结构可以为具有负泊松比效应的结构、网格结构或卷曲纤维结构。软结构的存在，并不需要对基层材料的强度或模量有很大的提高就能改善复合膜，其本质是提高了基层材料在拉伸状态下的尺寸稳定性，增加了使用寿命。
参阅图5，在一个优选的实施例中，人工有序结构功能层的所述有序分布的单元结构是双向领结单元结构，优选地，其中各双向领结单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接和单元结构直接连接。优选地，包括多列横向布置的领结单元结构和多列纵向布置的领结单元结构，其中横向布置的领结单元结构和纵向布置的领结单元结构在横向上和纵向上均交替排列。其中，纵向上相邻的所述横向布置的领结单元结构通过线材连接，横向上相邻的所述纵向布置的领结单元结构通过线材连接，所述横向布置的领结单元结构与相邻的所述纵向布置的领结单元结构在领结边角处直接连接。
需要说明的是，图5中所示的复合膜是铺满整个平面的，人工有序结构功能层的孔隙处由基层材料填充。
参阅图6，在一个优选的实施例中，人工有序结构功能层的所述有序分布的单元结构是曲折多边形单元结构，优选地，各曲折多边形单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接和单元结构直接连接。优选地，各曲折多边形单元结构为具有三个呈中心对称分布的箭头形状的多边形单元结构。优选地，各曲折多边形单元结构排布成多行和多列，同一行中相邻的曲折多边形单元结构之间通过线材连接，同一列中相邻的曲折多边形单元结构之间在箭头形状的侧边处直接连接。
需要说明的是，图6中所示的复合膜是铺满整个平面的，人工有序结构功能层的孔隙处由基层材料填充。
参阅图7，在一个优选的实施例中，人工有序结构功能层的所述有序分布的单元结构是三边单元结构。优选地，各三边单元结构之间通过边角处直接连接。
需要说明的是，图7中所示的复合膜是铺满整个平面的，人工有序结构功能层的孔隙处由基层材料填充。
参阅图8，在一个优选的实施例中，人工有序结构功能层的所述有序分布的单元结构是星形单元结构。优选地，各星形单元结构之间通过线材连接。优选地，各星形单元结构排布成方阵，方阵中的相邻单元结构之间通过线材连接。
需要说明的是，图8中所示的复合膜是铺满整个平面的，人工有序结构功能层的孔隙处由基层材料填充。
在一些实施例中，人工有序结构示例结构的共同特点为孔隙率较大，弯曲及拉伸载荷下承载能力不高，体现出软结构特征。
在优选的实施例中，所述可拉伸复合振膜的总厚度为5μm～2mm，模量范围约100kPa～10GPa。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (16)

1.一种可拉伸复合振膜，其特征在于，包括基层和人工有序结构功能层，所述人工有序结构功能层的材料与所述基层的材料通过层内嵌套和/或层间叠层的方式复合，所述人工有序结构功能层具有有序分布的单元结构，各单元结构整体上连接在一起并在连续的单元结构之间形成有序分布的孔隙，其中所述人工有序结构功能层的材料具有高于所述基层的材料的弹性模量和尺寸稳定性。
2.如权利要求1所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述人工有序结构功能层的厚度等于所述基层的厚度，所述人工有序结构功能层嵌套于所述基层中。
3.如权利要求1所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述人工有序结构功能层的厚度小于所述基层的厚度，所述人工有序结构功能层嵌套于所述基层中并靠近所述基层的一个侧面设置。
4.如权利要求1所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述人工有序结构功能层的厚度小于所述基层的厚度，所述人工有序结构功能层嵌套于所述基层中并位于所述基层厚度方向的中间位置。
5.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述基层的材料为单一均质高分子材料或纳米复合材料或纤维改性复合材料；所述高分子材料包括乙烯基硅橡胶、苯基硅橡胶、氟硅橡胶、腈硅橡胶、室温硫化硅橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、异戊橡胶、聚氨酯、聚氯乙烯、改性环氧树脂、不饱和聚酯、聚醚醚酮、聚芳酯 、聚醚酞亚胺、聚酞亚胺、聚苯硫醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯中的一种或多种；所述纳米复合材料包括纳米二氧化硅、纳米碳酸钙、纳米二氧化钛、纳米三氧化二铝、纳米橡胶颗粒中的一种或多种；所述纤维改性复合材料包括玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、植物纤维中的一种或多种。
6.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述人工有序结构功能层的材料包括金属、碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、植物纤维中的一种或多种。
7.如权利要求6所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述金属包括铝、铜、钢、镍中的一种或多种。
8.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述有序分布的单元结构的尺度为mm级到微米级别。
9.如权利要求8所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述有序分布的单元结构的尺寸为：厚度为1～100μm，线边长度1～5mm，线边截面尺寸为1～100μm。
10.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述有序分布的单元结构是软结构。
11.如权利要求10所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述有序分布的单元结构为具有负泊松比效应的结构、网格结构或卷曲纤维结构。
12.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述有序分布的单元结构是双向领结单元结构或三边单元结构或星形单元结构。
13.如权利要求12所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，各双向领结单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接和单元结构直接连接；各三边单元结构的连接方式包括通过三边单元结构的边角处直接连接；各星形单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接。
14.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述有序分布的单元结构是曲折多边形单元结构。
15.如权利要求14所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，各曲折多边形单元结构的连接方式包括单元结构之间通过线材连接和单元结构直接连接。
16.如权利要求1至4任一项所述的可拉伸复合振膜，其特征在于，所述可拉伸复合振膜的总厚度为5μm～2mm，弹性模量范围为100kPa～10GPa。
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