GR1010248B - Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components - Google Patents

Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components Download PDF

Info

Publication number
GR1010248B
GR1010248B GR20190100344A GR20190100344A GR1010248B GR 1010248 B GR1010248 B GR 1010248B GR 20190100344 A GR20190100344 A GR 20190100344A GR 20190100344 A GR20190100344 A GR 20190100344A GR 1010248 B GR1010248 B GR 1010248B
Authority
GR
Greece
Prior art keywords
dcm
materials
layers
loading
composite
Prior art date
Application number
GR20190100344A
Other languages
Greek (el)
Other versions
GR20190100344A (en
Inventor
Αντωνιος Ευαγγελου Γιαννακοπουλος
Παναγιωτης Κωνσταντινου Τσοπελας
Σπυριδουλα-Μαρια Βλαση Παπαθανασιου
Αθανασιος Βασιλειου Ζησης
Original Assignee
Αντωνιος Ευαγγελου Γιαννακοπουλος
Παναγιωτης Κωνσταντινου Τσοπελας
Σπυριδουλα-Μαρια Βλαση Παπαθανασιου
Αθανασιος Βασιλειου Ζησης
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Αντωνιος Ευαγγελου Γιαννακοπουλος, Παναγιωτης Κωνσταντινου Τσοπελας, Σπυριδουλα-Μαρια Βλαση Παπαθανασιου, Αθανασιος Βασιλειου Ζησης filed Critical Αντωνιος Ευαγγελου Γιαννακοπουλος
Priority to GR20190100344A priority Critical patent/GR1010248B/en
Publication of GR20190100344A publication Critical patent/GR20190100344A/en
Publication of GR1010248B publication Critical patent/GR1010248B/en

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form
    • B32B3/26Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B3/00Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form
    • B32B3/26Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer
    • B32B3/263Layered products comprising a layer with external or internal discontinuities or unevennesses, or a layer of non-planar form; Layered products having particular features of form characterised by a particular shape of the outline of the cross-section of a continuous layer; characterised by a layer with cavities or internal voids ; characterised by an apertured layer characterised by a layer having non-uniform thickness
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/02Physical, chemical or physicochemical properties
    • B32B7/022Mechanical properties
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03GSPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G7/00Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for
    • F03G7/06Mechanical-power-producing mechanisms, not otherwise provided for or using energy sources not otherwise provided for using expansion or contraction of bodies due to heating, cooling, moistening, drying or the like
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K99/0001Microvalves
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70Other properties
    • B32B2307/732Dimensional properties
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2419/00Buildings or parts thereof
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32LAYERED PRODUCTS
    • B32BLAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2605/00Vehicles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16KVALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K99/00Subject matter not provided for in other groups of this subclass
    • F16K2099/0082Microvalves adapted for a particular use
    • F16K2099/0094Micropumps

Abstract

The invention describes a novel composite (Dipolar Composite Material) that integrates dipolar loading in an inseparable way. DCM is a modular microstructure in the form of layers, with large Poisson ratio difference (at least 1.5). The composite provides locations of application of dipolar mechanical action, externally or internally between modules, leading to local or global curving of the layered system as a whole or at least of the fore-mentioned two fully connected layers. The dipolar loading is considered inseparable from the composite configuration and is imposed directly as surface loading and/or as body-type of loading due to inertial, thermal, electro-magnetic or chemical fields. Applications include various functional structural configurations and actuators, from macro to micro and down to nano scales. A vast range of materials can be utilized as components, with manufacturing methods like 3-D printing.

Description

Διπολικά Σύνθετα Υλικά ως Μηχανικοί Ενεργοποιητές και ως Λειτουργικά Δομικά στοιχεία Bipolar Composites as Mechanical Actuators and as Functional Structural Elements

Η εφεύρεση αναφέρεται στην ανάπτυξη μιας νέας ομάδας υλικών: στα Δίπολα Σύνθετα Υλικά (Dipolar Compostite Materials ή DCM) και τις εφαρμογές αυτών ως μηχανικοί ενεργοποιητές και ως δομικά στοιχεία με εξαιρετικές λειτουργίες. Τα υλικά DCM θα μπορούσαν να υπαχθούν στη κατηγορία των «μεταϋλικών», που είναι υλικά των οποίων η απόκριση ελέγχεται όχι μόνο από τις μηχανικές ιδιότητες αλλά κυρίως από τη γεωμετρία, τη κλίμακα και το προσανατολισμό των μικρότερων δομικών συνόλων που υπάρχουν στο σώμα τους. Τα υλικά αυτά παρουσιάζουν αξιοσημείωτες δυνατότητες παραμόρφωσης και μπορούν χρησιμοποιηθούν σε ειδικές περιπτώσεις ενεργοποιητών και δομικών λειτουργικών στοιχείων. Τα υλικά DCM αποτελούνται από στοιχεία (που επίσης καλούνται εδώ ενότητες) που παρουσιάζουν έντονες διαφορές στη μηχανική ιδιότητα που λέγεται «λόγος του Poisson», ιδιότητα που συσχετίζεται με την εμφάνιση παραμόρφωσης κάθετα στη διεύθυνση του εφαρμοζόμενου αυτοϊσορροπούμενου ομοαξονικού μηχανικού φορτίου (ή αλλιώς διπολική φόρτιση). Τα ίδια τα στοιχεία αποτελούνται από δομημένα υλικά φτιαγμένα από πολυμερή, κεραμικά ή μέταλλα. Η παραλλαγή του λόγου Poisson στα υλικά DCM ευνοεί την εμφάνιση διπολικών τάσεων που δρουν κατά έναν ασυνήθιστο τρόπο, σε αντίθεση με τις συμβατικές τάσεις που εμφανίζονται στα κλασικά σύνθετα υλικά. Οι διπολικές αυτές τάσεις οδηγούν σε παραμορφώσιμες διατάξεις που μπορεί να είναι πολύ βοηθητικές στους μηχανικούς ενεργοποιητές καθώς και σε ειδικά δομικά στοιχεία. The invention refers to the development of a new group of materials: Dipolar Composite Materials (Dipolar Compostite Materials or DCM) and their applications as mechanical actuators and as structural elements with excellent functions. DCM materials could fall under the category of "metamaterials", which are materials whose response is controlled not only by mechanical properties but mainly by the geometry, scale and orientation of the smallest structural assemblies present in their body. These materials exhibit remarkable deformation capabilities and can be used in special cases of actuators and structural functional elements. DCM materials are composed of elements (also called modules here) that exhibit marked differences in the mechanical property called "Poisson's ratio", a property related to the appearance of deformation perpendicular to the direction of the applied self-balancing coaxial mechanical load (or dipole loading). . The elements themselves consist of structured materials made of polymers, ceramics or metals. The variation of Poisson's ratio in DCM materials favors the appearance of dipole stresses that act in an unusual way, in contrast to the conventional stresses seen in classical composites. These bipolar stresses lead to deformable devices that can be very helpful in mechanical actuators as well as special structural elements.

Μια σημαντική κατηγορία υλικών DCM είναι αυτή των κυψελωτών υλικών και σε ορισμένες περιπτώσεις αυτή των «αυξητικών» υλικών, τα οποία εκδηλώνουν τόσο θετικό όσο και αρνητικό λόγο Poisson και ως εκ τούτου παρουσιάζονται πολύ μεγάλες διαφορές του λόγου αυτού μέσα στο ίδιο σύνθετο υλικό. [Τα «αυξητικά» υλικά είναι υλικά τα οποία έχουν αρνητικό λόγο Poisson, συνεπώς υφίστανται συστολή στην κάθετη διεύθυνση από τη διεύθυνση στην οποία συμπιέζονται, βλ. Lakes (1987)]. Μια ματιά σε προηγούμενη σχετική έρευνα εστιάζει σε έναν από τους παλιότερους ενεργοποιητές που μπορούν να συσχετιστούν με τη παρούσα εφεύρεση, ο οποίος είναι ο δίμορφος θερμοστάτης του Timoshenko (1925). Στην εν λόγω εργασία μελετήθηκε μια δοκός από σύνθετο υλικό και συγκεκριμένα αποτελούμενη από δύο συνδεδεμένες μεταλλικές λωρίδες με διαφορετικούς συντελεστές θερμικής διαστολής, η οποία με μια διαφοροποίηση της θερμοκρασίας μπορούσε να εκδηλώσει διαφορετική παραμόρφωση σε κάθε λωρίδα. Ως αποτέλεσμα, η δοκός αναγκάζεται να καμφθεί και αυτό αποτέλεσε μια συσκευή ελέγχου για τις περιπτώσεις των υπερβαλλουσών θερμοκρασιακών αλλαγών. Έκτοτε, πολλά σύνθετα υλικά αποτελούμενα από λωρίδες αναπτύχθηκαν, αποτελούμενα όχι μόνο από μεταλλικά υλικά, που υπό ηλεκτρικές, μαγνητικές και χημικές δράσεις εμφάνιζαν ιδιότητες ενεργοποιητών. Τα αυξητικά κυψελωτά υλικά, μερικές φορές αναφερόμενα και ως κυψέλες κλεψύδρας (ανάποδης κηρήθρας), έχουν μελετηθεί στο παρελθόν και έχουν ποικίλες εφαρμογές όπως σε προστατευτικά κιγκλιδώματα, σε θερμικούς μονωτές, σε τοιχώματα, σε σύνθετες δοκούς μορφής σάντουιτς κλπ. Ο συνδυασμός των συμβατικών κυψελών κηρήθρας (θετικός λόγος Poisson) και των κυψελών κλεψύδρας (ανάποδης κηρήθρας με αρνητικό λόγο Poisson) είναι πολύ σημαντικός και πρέπει να ληφθεί υπόψη προσεκτικά σε σχέση με την παρούσα περίπτωση. Οι Hou (2013) και Broccolo (2017) θεώρησαν εναλλασσόμενες στρώσεις υλικών συμβατικών κυψελών και κυψελών κλεψύδρας συνδεδεμένων μεταξύ τους ώστε να διαμορφώνουν ένα φάτνωμα, το οποίο εκτέθηκε σε θλίψη και ο στόχος ήταν να αποδώσει έναν συνολικά μηδενικό λόγο Poisson για το σύνθετο υλικό. Ο Lin (2002, 2007) εντόπισε μια συνεχή αλλαγή του λόγου Poisson στο κυψελωτό πολυστρωματικό υλικό (θετικός και αρνητικός λόγος Poisson) και διερεύνησε τη συνολική διαξονική συμπεριφορά υπό καμπτικό και αξονικό φορτίο. An important class of DCM materials is that of cellular materials and in some cases that of "incremental" materials, which exhibit both positive and negative Poisson's ratio and therefore exhibit very large variations of this ratio within the same composite. ["Incremental" materials are materials which have a negative Poisson's ratio, so they contract in the direction perpendicular to the direction in which they are compressed, see Lakes (1987)]. A look at previous related research focuses on one of the earliest actuators that can be related to the present invention, which is Timoshenko's (1925) dimorphic thermostat. In this work, a composite beam consisting of two connected metal strips with different coefficients of thermal expansion was studied, which with a temperature variation could manifest a different deformation in each strip. As a result, the beam is forced to bend and this was a control device for cases of extreme temperature changes. Since then, many strip composites have been developed, consisting not only of metallic materials, which under electrical, magnetic and chemical actions exhibited actuator properties. Incremental cellular materials, sometimes referred to as hourglass (reversed honeycomb) cells, have been studied in the past and have a variety of applications such as guardrails, thermal insulators, walls, composite sandwich beams, etc. The combination of conventional honeycomb cells (positive Poisson's ratio) and hourglass cells (inverted honeycomb with negative Poisson's ratio) is very important and must be considered carefully in relation to the present case. Hou (2013) and Broccolo (2017) considered alternating layers of conventional and hourglass cell materials bonded together to form a panel, which was subjected to compression and aimed to yield an overall zero Poisson's ratio for the composite. Lin (2002, 2007) identified a continuous change of Poisson's ratio in cellular laminate (positive and negative Poisson's ratio) and investigated the overall biaxial behavior under flexural and axial loading.

Broccolo, S., Laurenzi, S. and Scarpa, F., 2017. AUXHEX - A Kirigami inspired zero Poisson’s Ratio cellular structure. Composite Structures 176, 433-441. Broccolo, S., Laurenzi, S. and Scarpa, F., 2017. AUXHEX - A Kirigami inspired zero Poisson's Ratio cellular structure. Composite Structures 176, 433-441.

Hou, Y., Neville, R., Scarpa, F, Remillat, C., Gua, B. and Ruzzene, M., 2013. Graded conventional-auxetic Kirigami sandwich structures: Flatwise compression and edgewise loading. Composites Part B: Engineering 59, 33-42. Hou, Y., Neville, R., Scarpa, F, Remillat, C., Gua, B. and Ruzzene, M., 2013. Graded conventional-auxetic Kirigami sandwich structures: Flatwise compression and edgewise loading. Composites Part B: Engineering 59, 33-42.

Lakes, R. S., 1987. Negative Poisson’s ratio materials. Science, 238,551. Lakes, R. S., 1987. Negative Poisson's ratio materials. Science, 238,551.

Lim, T.C., 2007. On simultaneous positive and negative Poisson’s ratio laminates. Basic Solid State Physics 244, 910-918. Lim, T.C., 2007. On simultaneous positive and negative Poisson's ratio laminates. Basic Solid State Physics 244, 910-918.

Lim, T.C., 2002. Functionally graded beam for attaining Poisson-curving. Journal of Materials Science Letters 21, 1899- 1901. Lim, T.C., 2002. Functionally graded beam for achieving Poisson-curving. Journal of Materials Science Letters 21, 1899-1901.

Timoshenko S., 1925. Analysis of bi-metal thermostats. Journal of the Optical Society of America 11, 233-255. Timoshenko S., 1925. Analysis of bi-metal thermostats. Journal of the Optical Society of America 11, 233-255.

Αυτό που δεν είχε ληφθεί υπόψη στις προηγούμενες εργασίες είναι η πιθανή καμπύλωση (κάμψη) ενός πολυστρωματικού σύνθετου υλικού υπό τη δράση διπολικής φόρτισης (αυτοϊσορροπούμενο φορτίο που δρα κατά μήκος της ίδιας γραμμής φόρτισης). Τα προτεινόμενο υλικό DCM είναι διαφορετικό στο εν λόγω σημείο, καθώς μπορεί να ενσωματώσει την καμπύλωση αυτή και να οδηγήσει σε νέες και πολύ χρήσιμες λειτουργικότητες. Περαιτέρω έλεγχος του λόγου Poisson και των λοιπών μηχανικών ιδιοτήτων μπορεί να επιτευχθεί μέσω της επιλογής κατάλληλου μεγέθους κυψελών, κρυσταλλογραφικού προσανατολισμού κ.α. Επιπλέον, μέσω των δυνατοτήτων της τριδιάστατης εκτύπωσης τα υλικά DCM μπορούν εύκολα να κατασκευαστούν, με μικρό κόστος και σε όλες τις κλίμακες (από μάκρο-σύνθετα μέχρι μίκρο-σύνθετα υλικά), ενώ και άλλες φυσικο-χημικές διεργασίες μπορούν να παράξουν υλικά DCM μέχρι και σε νάνο-κλίμακες (για παράδειγμα με χημική εναπόθεση, με αντιδράσεις διάχυσης κ.α.). Η διπολική φόρτιση μπορεί να επιβληθεί απευθείας στην επιφάνεια φόρτισης μέσω μηχανικών συνδέσμων, αλλά μπορεί επίσης και να εμφανισθεί ως καθολική φόρτιση εξαιτίας αδρανειακών, θερμικών, ήλεκτρομαγνητικών ή χημικών πεδίων μέσα στο οποίο βρίσκονται τα υλικά αυτά. Τα υλικά DCM μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να λειτουργούν με σταθερότητα σε πολύ επιθετικά περιβάλλοντα καθώς δεν υπάρχει ανάγκη από ηλεκτρικούς ή θερμικούς μετατροπείς, γεγονός που απαιτείται στα πιεζοηλεκτρικά και θερμικά δίμορφα. Τέλος, τα υλικά DCM μπορούν να σχεδιαστούν ώστε να εκδηλώνουν επιπλέον πιεζοηλεκτρική, πιεζομαγνητική και φλεξοηλεκτρική απόκριση και να έχουν ειδικά σχεδιασμένη ανισοτροπία και ανομοιογένεια μάζας. Η αποδοτικότητα των συσκευών από DCM υλικά (λόγος του έργου που αποθηκεύεται στο υλικό και του έργου λειτουργικότητας) μπορεί να είναι πολύ μεγάλη (της τάξεως του 0.75) ενώ οι τυπικοί ηλεκτρο-μηχανικοί ενεργοποιητές που βασίζονται στην πιεζοηλεκτρικότητα έχουν μέγιστη αποδοτικότητα γύρω στην τιμή 0.40. Ένα ακόμη προτέρημα των ενεργοποιητών DCM είναι η απλότητα της φόρτισης τους (απλή πίεση) και η απόκριση που σε πολλές περιπτώσεις έχει τη μορφή καμπύλης γεωμετρίας (κάμψης). Συνοψίζοντας, το προτεινόμενο σύστημα μετατρέπει τα αυτοϊσορροπούμενα (διπολικά) φορτία σε παραμόρφωση κάμψης, γεγονός που οδηγεί στην αποκάλυψη χρήσιμων ιδιοτήτων για τους ενεργοποιητές και για τα δομικά στοιχεία όπως θα παρουσιαστεί και παρακάτω. Η εφεύρεση χρησιμοποιεί στρώσεις από υλικά με μεγάλες διαφορές της τιμής του λόγου Poisson με διπολική φόρτιση κατά τρόπο άρρηκτα συνδεδεμένο που δεν έχει θεωρηθεί ξανά μέχρι τώρα. Ως εκ τούτου προκύπτει το όνομα Διπολικά Σύνθετα Υλικά (Dipolar Composite Materials ή DCM). What has not been considered in previous work is the possible curvature (bending) of a multilayer composite under the action of bipolar loading (self-balanced load acting along the same line of loading). The proposed DCM hardware is different at this point, as it can incorporate this curvature and lead to new and very useful functionalities. Further control of Poisson's ratio and other mechanical properties can be achieved through the selection of appropriate cell size, crystallographic orientation, etc. Furthermore, through the capabilities of 3D printing DCM materials can be easily manufactured, at low cost and at all scales (from macro-composites to micro-composites), while other physico-chemical processes can produce DCM materials up to at nano-scales (for example by chemical deposition, by diffusion reactions, etc.). Dipolar loading can be imposed directly on the loading surface through mechanical couplings, but it can also appear as universal loading due to inertial, thermal, electromagnetic or chemical fields in which these materials are located. DCM materials can be designed to operate stably in very aggressive environments as there is no need for electrical or thermal transducers, which is required in piezoelectric and thermal bimorphs. Finally, DCM materials can be engineered to exhibit additional piezoelectric, piezoelectric, and flexoelectric response and to have tailored mass anisotropy and inhomogeneity. The efficiency of devices made of DCM materials (ratio of the work stored in the material and the work of functionality) can be very large (of the order of 0.75) while typical electro-mechanical actuators based on piezoelectricity have a maximum efficiency of around 0.40. Another advantage of DCM actuators is their simplicity of loading (simple pressure) and response which in many cases takes the form of curved geometry (bending). In summary, the proposed system converts self-balancing (bipolar) loads into bending deformation, which leads to revealing useful properties for actuators and structural elements as will be presented below. The invention uses layers of materials with large differences in the value of Poisson's ratio with bipolar loading in an inextricably linked manner that has not been considered before. Hence the name Dipolar Composite Materials (DCM).

Με στόχο να αναλυθούν και να γίνουν κατανοητά τα υλικά DCM θα χρησιμοποιήσουμε τα παρακάτω επισυναπτόμενα σκίτσα ώστε να εξηγήσουμε τη φύση της διπολικής φόρτισης, τις πιθανές παραμορφώσεις ενός απομονωμένου στοιχείου (ενότητας) υλικού DCM, τα πιθανά συγκροτήματα διαφορετικών στοιχείων (ενοτήτων) υλικού DCM καθώς και τις βασικές γενικές διατάξεις στις οποίες τα υλικά αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν σαν ενεργοποιητές και ως δομικά στοιχεία. Η συνολική απόκριση ενός μοναδικού στοιχείου υλικού DCM θα δειχθεί αναλυτικά για τη περίπτωση απλών δομών και αριθμητικά για τη περίπτωση σύνθετων γεωμετριών (π.χ. καμπύλες επιφάνειες, ασυνέχειες κ.α.) και/ή διπολικών φορτίσεων. Τέλος, θα παρουσιάσουμε το πρωτότυπο μιας πραγματικής επίπεδης δοκού που είναι φτιαγμένη από υλικό DCM, κατασκευασμένης μέσω της 3-D εκτύπωσης με τη βοήθεια ενός ημι-άκαμπτου πολυμερούς υλικού, η οποίο υπόκειται σε διαφορετικές διπολικές φορτίσεις ώστε να παρουσιαστεί το φαινόμενο κάμψης που περιγράψαμε. Οι αιτίες της διπολικής φόρτισης δε θα παρουσιαστούν, καθώς περιλαμβάνουν αλληλεπίδραση με άλλα εφαπτόμενα στοιχεία ή με εξωτερικά πεδία όπως παρουσιάστηκε στη προηγούμενη παράγραφο. Τα ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά συστήματα που μπορούν να προσαρμοστούν στους ενεργοποιητές DCM δε θα δειχθούν επίσης, αφού ανήκουν σε διαφορετικές κατηγορίες εφευρέσεων. Οι παραγωγικές μέθοδοι των υλικών DCM περιλαμβάνουν τεχνολογίες επικάλυψης, εξώθησης, χύτευσης, χημικής/φυσικής εναπόθεσης και τριδιάστατης εκτύπωσης (είναι προτιμώμενη). Ωστόσο οι τεχνικές αυτές δε θα συζητηθούν περαιτέρω. Τα Σχήματα 1-7 δείχνουν ορισμένα παραδείγματα του DCM υλικού ως μοναδικού στοιχείου (13, 14, 15, 16, 17, 18, 40) με στρώσεις που περιλαμβάνουν τουλάχιστο μία (1) αυξητική και μια (2) μηαυξητική/συμβατική στρώση. Εναλλακτικά, όπως θα δειχθεί και στα ακόλουθα παραδείγματα, οι δύο στρώσεις θα πρέπει ιδανικά να έχουν μια απόλυτη διαφορά της τιμής του λόγου Poisson τουλάχιστο 1.50 και ως εκ τούτου η διάκριση ενός αυξητικού και μη-αυξητικού υλικού είναι αδιάφορη. Το σχήμα δείχνει διδιάστατες διατάξεις, όμως είναι εύκολο να γίνει γενίκευση της θεώρησής τους στις τρεις διαστάσεις (για παράδειγμα στη περίπτωση των αιμοπεταλίων). Ο αριθμός των στρώσεων είναι τουλάχιστο δύο και ο λόγος του μήκους τους με το πλάτος θα πρέπει να είναι τουλάχιστο 4/1 (π.χ. η μια τουλάχιστο διάσταση μέσα στη κάθε στρώση υλικού θα πρέπει να είναι όχι μικρότερη από τέσσερις φορές το πάχος της στρώσης). Η διπολική φόρτιση επιβάλλεται ως θλιπτικές συγκεντρωμένες δυνάμεις (3) και/ή ως εφελκυστικές δυνάμεις (4). Αλλες μορφές διπολικών δυνάμεων μπορούν να εμφανιστούν ως εφαπτομενικές δυνάμεις με συγκεντρωτική (6, 7, 8) ή αποκεντρωτική (9) διεύθυνση. Τέλος, η διπολική φόρτιση μπορεί να εφαρμοστεί με τη μορφή δύο ίσων αλλά αντιθέτως δρώμενων ροπών (5). Σε όλες τις περιπτώσεις, τα διπολικά φορτία ή ροπές είναι ίσα και με αντίθετη φορά, ωστόσο δρουν πάνω στην ίδια διεύθυνση. Ένα στοιχείο (ενότητα) DCM (18) δε χρειάζεται να είναι ευθύγραμμο και δεν απαιτείται οι στρώσεις που το απαρτίζουν να είναι ίσου και σταθερού πάχους ή ομογενείς και ισότροπες. Επιπλέον, τα διπολικά φορτία μπορούν να είναι κατανεμημένα (10, 11) και μπορούν να προέρχονται από αντιδράσεις κινηματικών περιορισμών που τους επιβάλλονται. Για παράδειγμα, το στοιχείο που απεικονίζεται στο (40) μπορεί να επιφέρει διπολική φόρτιση ως συνδυασμό δύο διαφορετικών κατανομών φόρτισης (41, 42, 43, 44) αλλά με το ίδιο συνολικό φορτίο στην ίδια διεύθυνση φόρτισης και αντίθετη φορά (βλ. το αποτέλεσμα σε επόμενη διάταξη (23) στο Σχ. 9). Τα διπολικά φορτία μπορούν να εφαρμόζονται στα άκρα (38), Σχ. 24, των στοιχείων DCM υλικών, όπως θα φανεί σε επόμενο παράδειγμα (Σχ. 24) και μπορεί να επιτευχθεί με διάφορους τύπους σφικτήρων (37, 38), Σχ. 24, ή οποιασδήποτε άλλη διπολικής μορφής επιβαλλόμενη μετακίνηση ή περιορισμό. In order to analyze and understand DCM materials we will use the following attached sketches to explain the nature of dipole charging, the possible deformations of an isolated DCM material element (module), the possible assemblies of different DCM material elements (modules) as well as the basic general arrangements in which these materials can be used as actuators and as structural elements. The overall response of a single DCM material element will be shown analytically for the case of simple structures and numerically for the case of complex geometries (eg curved surfaces, discontinuities, etc.) and/or dipole charges. Finally, we will present the prototype of a real flat beam made of DCM material, fabricated through 3-D printing with the aid of a semi-rigid polymer material, which is subjected to different dipole loadings to exhibit the bending effect we have described. The causes of bipolar charging will not be presented, as they involve interaction with other tangential elements or with external fields as presented in the previous paragraph. Electrical and electronic systems that can be adapted to DCM actuators will also not be shown, since they belong to different classes of inventions. Production methods of DCM materials include coating, extrusion, casting, chemical/physical deposition and 3D printing (preferred) technologies. However, these techniques will not be discussed further. Figures 1-7 show some examples of the DCM material as a single element (13, 14, 15, 16, 17, 18, 40) with layers including at least one (1) augmentative and one (2) non-incremental/conventional layer. Alternatively, as will be shown in the following examples, the two layers should ideally have an absolute difference of Poisson's ratio value of at least 1.50 and therefore the distinction of an accretive and a non-accretive material is irrelevant. The figure shows two-dimensional arrangements, but it is easy to generalize their consideration to three dimensions (for example in the case of platelets). The number of layers is at least two and the ratio of their length to width should be at least 4/1 (eg a minimum dimension within each layer of material should be no less than four times the thickness of layer). Bipolar loading is imposed as concentrated compressive forces (3) and/or as tensile forces (4). Other forms of dipole forces can appear as tangential forces with a concentric (6, 7, 8) or decentering (9) direction. Finally, bipolar loading can be applied in the form of two equal but oppositely acting moments (5). In all cases, the dipole charges or moments are equal and opposite in direction, yet act in the same direction. A DCM element (module) (18) does not need to be straight and its constituent layers are not required to be of equal and constant thickness or homogeneous and isotropic. In addition, dipole charges can be distributed (10, 11) and can arise from reactions of kinetic constraints imposed on them. For example, the element shown in (40) can induce bipolar charging as a combination of two different charge distributions (41, 42, 43, 44) but with the same total charge in the same charging direction and opposite direction (see the result in next arrangement (23) in Fig. 9). Bipolar loads can be applied to the ends (38), Fig. 24, of the DCM material elements, as will be seen in a later example (Fig. 24) and can be achieved with various types of clamps (37, 38), Fig. 24, or any other bipolar form of forced movement or restraint.

Τα Σχήματα 8-16 απεικονίζουν διάφορα συγκροτήματα από στοιχεία υλικών DCM που δημιουργούν ένα μεγαλύτερο DCM σύνθετο υλικό. Για παράδειγμα, το συγκρότημα (19) δείχνει ένα «σειριακού τύπου» σύνθετο υλικό DCM, ενώ το συγκρότημα (20) δείχνει ένα «παράλληλου τύπου». Το βασικό χαρακτηριστικό μιας σύνθεσης DCM στοιχείων είναι ότι τα στοιχεία αυτά είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους με στοιχεία/συνδέσμους (12) που συγκεντρώνουν την αλληλεπίδραση των ενοτήτων σε τέσσερα συγκεκριμένα σημεία. Το υλικό των συνδέσμων (12) μπορεί να είναι παρόμοιο με αυτό των DCM ενοτήτων, αλλά μπορεί και να είναι από άλλο υλικό που να διασφαλίζει την αντοχή τους. Τα συνδετικά στοιχεία (12) μπορούν βασικά να μεταφέρουν δυνάμεις, αλλά αλλά θα πρέπει να είναι αρκετά εύκαμπτα ώστε να μη μεταφέρουν μεγάλες ροπές (κινηματικοί περιορισμοί τύπου άρθρωσης) και είναι βασικά στελέχη των συγκροτημάτων από DCM στοιχεία. Ένα πιο γενικό συγκρότημα του τύπου (21) μπορεί να θεωρηθεί με διαφορετικούς τύπους και προσανατολισμούς DCM στοιχείων καθώς και με διαφορετικούς «σημειακούς» συνδέσμους (12). Το μεγαλύτερο μέγεθος του (12) δε θα πρέπει να ξεπερνά το 1⁄4 του μεγέθους από το μικρότερο συνδεδεμένο στοιχείο DCM. Στη περίπτωση ενός δυσδιάστατου (επίπεδου) DCM συγκροτήματος (π.χ. (19) και (20)) ο αριθμός των συνδέσμων (12) όπως περιγράφηκε παραπάνω πρέπει να είναι ακριβώς τέσσερις, δύο σε κάθε παρειά του πολυστρωματικού στοιχείου, με τις στρώσεις να διαμορφώνονται υποχρεωτικά μεταξύ των δύο ζευγών συνδέσμων. Προς αυτή τη κατεύθυνση το επίπεδο DCM στοιχείο με τους 4 συνδέσμους αντιμετωπίζεται σαν γραμμικό τετραπλευρικό στοιχείο (45) για την πλήρη κάλυψη του διδιάστατου χώρου, αλλιώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν καμπύλα στοιχεία (46). Στη περίπτωση ενός τρισδιάστατου DCM συγκροτήματος, οι σύνδεσμοι (12) θα πρέπει να είναι ακριβώς έξι, τρεις σε κάθε πλευρά του πολυστρωματικού στοιχείου, όχι πάνω στην ίδια γραμμή, αλλά με τις στρώσεις να διαμορφώνονται υποχρεωτικά ανάμεσα στις τριάδες των σημείων σύνδεσης. Προς αυτή τη κατεύθυνση το τρισδιάστατο DCM στοιχείο με τους 6 συνδέσμους αντιμετωπίζεται σαν γραμμικό εξαεδρικό στοιχείο (47) για τη πλήρη κάλυψη του τρισδιάστατου χώρου, αλλιώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν καμπύλα στοιχεία (48). Μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν DCM στοιχεία της μορφής πεντάεδρων (73), επτάεδρων (74), πλακιδίων ή οποιοδήποτε άλλο πολύεδρο σχήμα αντίστοιχης λογικής. Η απόσταση μεταξύ των σημείων σύνδεσης εξαρτάται από την εφαρμογή για την οποία προορίζεται το στοιχείο. Figures 8-16 illustrate various assemblies of DCM material elements that create a larger DCM composite. For example, assembly (19) shows a "series-type" DCM composite, while assembly (20) shows a "parallel-type". The main feature of a DCM composition of elements is that these elements are connected to each other by elements/links (12) that concentrate the interaction of the modules in four specific points. The material of the links (12) can be similar to that of the DCM units, but it can also be of another material to ensure their strength. The connecting elements (12) can basically transfer forces, but they should be flexible enough not to transfer large moments (joint-type kinematic constraints) and are basic members of DCM element assemblies. A more general assembly of type (21) can be considered with different types and orientations of DCM elements as well as with different "point" links (12). The largest size of (12) should not exceed 1⁄4 the size of the smallest connected DCM element. In the case of a two-dimensional (planar) DCM assembly (eg (19) and (20)) the number of links (12) as described above must be exactly four, two on each side of the multilayer element, with the layers being are obligatorily formed between the two bond pairs. In this direction the flat DCM element with the 4 links is treated as a linear quadrilateral element (45) to fully cover the two-dimensional space, otherwise curved elements (46) can be used. In the case of a three-dimensional DCM assembly, the links (12) should be exactly six, three on each side of the multilayer element, not on the same line, but with the layers necessarily formed between the triads of the connection points. In this direction the 3D DCM element with the 6 links is treated as a linear hexahedral element (47) to fully cover the 3D space, otherwise curved elements (48) can be used. DCM elements in the form of pentahedra (73), heptahedrons (74), tiles or any other similar polyhedral shape can also be used. The distance between the connection points depends on the application for which the component is intended.

Τα Σχήματα 17-20 απεικονίζουν ορισμένες δομικές διατάξεις στις οποίες έχουν εφαρμογή τα DCM υλικά. Μια καμπύλη δοκός (22) μπορεί να κατασκευαστεί από ένα ή πολλά διαφορετικά είδη DCM, τα οποία εφαρμόζονται σε όλη ή σε τμήματα αυτής. Οι στρώσεις των υλικών DCM πρέπει να διαμορφώνονται κατά μήκος του άξονα της δοκού. Η διάταξη (23) δείχνει μια πιθανή εφαρμογή των στοιχείων DCM σε μια πλάκα και η διάταξη (24) μια πιθανή εφαρμογή σε ένα κέλυφος. Σε αυτές τις περιπτώσεις, οι στρώσεις ακολουθούν το επίπεδο της πλάκας ή του μέσου επιπέδου του κελύφους. Ένα ή διαφορετικά είδη DCM υλικών μπορούν να καλύψουν σημεία της πλάκας ή του κελύφους. Αυτό που είναι κρίσιμο στα παραπάνω δομικά στοιχεία είναι ότι τα μέρη τους που είναι φτιαγμένα από DCM υλικά θα πρέπει να φορτίζονται με διπολικές φορτίσεις, ενώ ταυτόχρονα μπορούν να δρουν και άλλα είδη φορτίσεων. Figures 17-20 illustrate some structural arrangements in which DCM materials are applicable. A curved beam (22) can be made from one or several different types of DCM, applied to all or parts thereof. The layers of DCM materials must be formed along the axis of the beam. Layout (23) shows a possible application of the DCM elements on a plate and layout (24) a possible application on a shell. In these cases, the layers follow the plane of the plate or the midplane of the shell. One or more types of DCM materials can cover parts of the plate or shell. What is critical in the above structural elements is that their parts made of DCM materials should be charged with bipolar charges, while other kinds of charges can act at the same time.

Η διάταξη (25) περιγράφει μια πιθανή επίστρωση από DCM υλικά σε ένα υφιστάμενο υπόστρωμα. Σε αυτή τη περίπτωση, τα υλικά που δεν είναι DCM δεν είναι απαραίτητο να είναι σε πλήρη επαφή με το υπόστρωμα (26). Ωστόσο, όλες οι επιστρώσεις DCM θα πρέπει να είναι πλήρως προσκολλημένες στο υπόστρωμα (27). Ο λόγος είναι ότι η απαραίτητη διπολική φόρτιση που απαιτείται στα DCM υλικά παρέχεται από τις τοπικές αντιδράσεις του υποστρώματος πάνω στο DCM υλικό, δημιουργώντας έτσι διπολικότητα. Layout (25) describes a possible coating of DCM materials on an existing substrate. In this case, the non-DCM materials need not be in full contact with the substrate (26). However, all DCM coatings should be fully adhered to the substrate (27). The reason is that the necessary dipolar charge required in DCM materials is provided by the local reactions of the substrate on the DCM material, thus creating dipolarity.

Η εφεύρεση που περιγράφεται παρακάτω, παρουσιάζει το πιο απλό DCM στοιχείο, που είναι ένα σύνθετο υλικό αποτελούμενο από δύο στρώσεις που υπόκεινται σε ένα κατανεμημένο διπολικό φορτίο με αποτέλεσμα να προκαλείται κάμψη του σύνθετου υλικού. Τρία αναλυτικά παραδείγματα ακολουθούν, που βασίζονται σε αναλυτικούς υπολογισμούς και σε αριθμητικές επιλύσεις. Αυτά τα θεμελιώδη παραδείγματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη κατανόηση της κεντρικής ιδέας των δυνατοτήτων των υλικών DCM ως ενεργοποιητές. Το τελευταίο παράδειγμα παρουσιάζει το πρωτότυπο από ένα DCM υλικό, το οποίο βασίζεται σε μια κυψελωτή μικροδομή και το οποίο κατασκευάσαμε με τη τεχνολογία της τριδιάστατης εκτύπωσης, αποδεικνύοντας την ιδέα και δείχνοντας πόσο εύκολα, γρήγορα (μέσα σε λίγες ώρες) και σχεδόν ανέξοδα πως μπορεί να κατασκευαστεί ένα υλικό DCM. The invention described below presents the simplest DCM element, which is a composite material consisting of two layers subjected to a distributed dipole load resulting in bending of the composite material. Three detailed examples follow, based on analytical calculations and numerical solutions. These fundamental examples can be used to understand the central idea of the potential of DCM materials as actuators. The last example shows the prototype from a DCM material, which is based on a cellular microstructure and which we made with 3D printing technology, proving the concept and showing how easily, quickly (within a few hours) and almost inexpensively it can be a DCM material is made.

Παράδειγμα 1 : Λύση ενός ελαστικού στοιχείου από DCM υλικό υπό ομοιόμορφη διπολική φόρτιση. Example 1 : Solution of an elastic element made of DCM material under uniform bipolar loading.

Το πιο απλό στοιχείο DCM υλικού που θεωρήθηκε είναι μια δοκός δύο στρώσεων (28), Σχ. 21, με μια διπολική φόρτιση υπό μορφή ομοιόμορφης θλίψης (ή εφελκυσμού) στην άνω και κάτω παρειά της (Σχήμα 4<α>). Πρόκειται για ένα πρόβλημα επίπεδης έντασης, όπου τα στοιχεία παραμόρφωσης εxy, εyz, εΖΧπαίρνουν μηδενικές τιμές, ενώ για να αποφύγουμε επιρροές άλλων φαινομένων θεωρούμε το πρόβλημα γραμμικό. Οι καταστατικές (τάση-παραμόρφωση) εξισώσεις ενός ισότροπου υλικού για κάθε στρώση είναι: The simplest DCM material element considered is a two-layer beam (28), Fig. 21, with a dipole loading in the form of uniform compression (or tension) on its top and bottom faces (Fig. 4<a>). It is a plane stress problem, where the deformation elements εxy, εyz, εζX take zero values, while to avoid influences of other phenomena we consider the problem linear. The constitutive (stress-strain) equations of an isotropic material for each layer are:

εrr, = 1/Ei[σxx, -v σvv,i] [1] εrr, = 1/Ei[σxx, -v σvv,i] [1]

εyy,i= 1/Ei[σyy,i-ν, ] [2] εyy,i= 1/Ei[σyy,i-ν, ] [2]

Όπου i=1,2 δείχνει τον αριθμό της στρώσης (όπως περιγράφηκε παραπάνω), Eiείναι το μέτρο ελαστικότητας, ε είναι η παραμόρφωση και σ η τάση. Οι συνοριακές συνθήκες αυτού του προβλήματος είναι: σxy= σyz= σzx= Ο, ενώ ισχύει ότι σyy- 0 και σΧΧ^ 0. Οι συνθήκες ισορροπίες σε όρους δυνάμεων και ροπών εκφράζονται ως εξής: Where i=1,2 indicates the layer number (as described above), Ei is the modulus of elasticity, ε is the strain and σ is the stress. The boundary conditions of this problem are: σxy= σyz= σzx= Ο, while it is true that σyy- 0 and σΧΧ^ 0. The equilibrium conditions in terms of forces and moments are expressed as follows:

Η παραμόρφωση στη γενική της μορφή εκφράζεται ως εξής: The distortion in its general form is expressed as follows:

Όπου, k είναι η καμπυλότητα της δοκού (k= 1/ρ; ρ είναι η ακτίνα καμπυλότητας) και ε0είναι η ομοιόμορφη σταθερή αξονική παραμόρφωση κατά μήκος του άξονα της δοκού. Where, k is the curvature of the beam (k= 1/ρ; ρ is the radius of curvature) and ε0 is the uniform constant axial strain along the axis of the beam.

Συνδιάζοντας τις παραπάνω σχέσεις, οι ακόλουθες εκφράσεις της καμπυλότητας k και της αξονικής παραμόρφωσης ε0προκύπτουν: Combining the above relations, the following expressions for curvature k and axial strain ε0 are obtained:

Οι εξισώσεις [6] και [7] μπορούν να θεωρηθούν ως βασικές για τον σχεδίασμά των DCM υλικών. Η κλασική ελαστικότητα συνεχούς μέσου περιορίζει το εύρος των τιμών του λόγου Poisson μεταξύ -1 < ν < 0.5. Τα ισότροπα κυψελωτά υλικά μορφής κηρήθρας εκδηλώνουν έναν ισοδύναμο λόγο Poisson ισο με 1, ενώ τα αντίστοιχα ανισότροπα μπορούν να φτάνουν μέχρι τιμές 2 ή και μεγαλύτερες. Στα αυξητικά υλικά (π.χ. κυψελωτά υλικά μορφής κλεψύδρας, χειραλικής μορφής κ.α.) ο ισοδύναμος λόγος Poisson μπορεί να φτάσει τιμές έως και -2. Σημαντική παρατήρηση για το σχεδίασμά των στοιχείων απο DCM υλικά αποτελεί το γεγονός η καμπυλότητα της δοκού εξαρτάται από από τη διαφορά του λόγου Poisson μεταξύ των δύο στρώσεων υλικού και η διαφορά αυτή μεγιστοποιείται όταν οι δύο στρώσεις έχουν αντίθετο πρόσιμο. Equations [6] and [7] can be considered as basic for the design of DCM materials. The classical elasticity of a continuous medium limits the range of values of Poisson's ratio between -1 < ν < 0.5. Isotropic cellular honeycomb materials exhibit an equivalent Poisson's ratio of 1, while corresponding anisotropic ones can reach values of 2 or even greater. In augmentative materials (e.g. cellular hourglass-shaped, chiral-shaped materials, etc.) the equivalent Poisson's ratio can reach values up to -2. An important observation for the design of elements made of DCM materials is the fact that the curvature of the beam depends on the difference in Poisson's ratio between the two layers of material and this difference is maximized when the two layers have opposite shear.

Η βελτιστοποίηση της απόκρισης ενός DCM στοιχείου απαιτεί τη μεγιστοποίηση της καμπυλότητας “k” για τους σκοπούς της λειτουργικότητας και την ελαχιστοποίηση της αξονικής παραμόρφωσης “εo” για τους σκοπούς της αντοχής (ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι αξονικές τάσεις της δοκού). Για τη μεγιστοποίηση της καμπυλότητας οι ακόλουθες σχέσεις πρέπει να ισχύουν ταυτόχρονα: Optimizing the response of a DCM element requires maximizing the curvature “k” for serviceability purposes and minimizing the axial strain “εo” for strength purposes (to minimize beam axial stresses). To maximize curvature the following relations must hold simultaneously:

Για να μηδενιστεί η αξονική παραμόρφωση (εo), η ακόλουθη σχέση θα πρέπει να ισχύει επιπλέον: To set the axial strain (εo) to zero, the following relation should hold in addition:

Συνδυάζοντας τα παραπάνω, αποδεικνύεται ότι ο ισοδύναμος λόγος Poisson δυο ελαστικών ισότροπων στρώσεων υλικού μιας δοκού πρέπει να είναι ίσος σε τιμή αλλά να έχει αντίθετο πρόσημο (ν1= -ν2με την αρνητική τιμή του λόγου Poisson να αντιστοιχεί σε στρώση με αυξητικό υλικό), το ισοδύναμο μέτρο ελαστικότητας πρέπει να έχει την ίδια τιμή (Ε1*= Ε2*= Ε*) και τα ύψη των δύο στρώσεων θα πρέπει να είναι ίσα (h1= h2= h). Η βέλτιστη καμπυλότητα της δοκού, k, υπολογίζεται ως εξής: Combining the above, it turns out that the equivalent Poisson's ratio of two elastic isotropic material layers of a beam must be equal in value but opposite in sign (ν1= -ν2 with the negative value of the Poisson's ratio corresponding to a layer with incremental material), the equivalent modulus of elasticity must have the same value (E1*= E2*= E*) and the heights of the two layers should be equal (h1= h2= h). The optimal curvature of the beam, k, is calculated as follows:

Ως εκ τούτου, ένα ακόμη βασικό πλεονέκτημα των στοιχείων DCM είναι ότι οι αξονικές παραμορφώσεις μπορούν να περιοριστούν απόλυτα, αυξάνοντας έτσι την αντοχή τους. Το προτιμητέο DCM στοιχείο δύο στρώσεων έχει τις ιδιότητες που προαναφέρθηκαν. Η παραμορφωμένη εικόνα του στοιχείου DCM φαίνεται στο Σχήμα 21b με τη βοήθεια ενός κανάβου βοηθητικών γραμμών. Therefore, another key advantage of DCM elements is that axial deformations can be absolutely limited, thus increasing their strength. The preferred two-layer DCM cell has the aforementioned properties. The distorted image of the DCM element is shown in Figure 21b with the help of an auxiliary line canvas.

Για τη βέλτιστη απόκριση, όπως παρουσιάστηκε στις προηγούμενες παραγράφους (E1= Ε2= Ε , h1= h2= h and V1= -v2), ο λόγος των οριζόντιων και κατακόρυφων ορθών τάσεων, σxx/σyy, μπορεί να υπολογιστεί ώστε να εκτιμηθούν οι παραμένουσες τάσεις σε ένα σύνθετο υλικό DCM. Οι εν λόγω παραμένουσες τάσεις ελέγχουν και την αντοχή του στοιχείου. Καθ’ύψος της κάθε στρώσης υλικού ισχύει: For the optimal response, as presented in the previous paragraphs (E1= Ε2= Ε , h1= h2= h and V1= -v2), the ratio of horizontal and vertical positive stresses, σxx/σyy, can be calculated to estimate the remaining stresses in a DCM composite. These residual stresses also control the strength of the element. The following applies to the height of each layer of material:

όπου ϊ=Τ, 2 αντιστοιχεί στον αριθμό της στρώσης που συσχετίζεται με τους αριθμούς (1) και (2) σε όλα τα σχήματα (αυξητικά και μη). Προκύπτει ότι σε αυτή τη περίπτωση η μέγιστες οριζόντιες ορθές τάσεις εμφανίζονται στη περιοχή της διεπιφάνειας των στρώσεων του δίμορφου στοιχείου (29), Σχ. 21 και 22. Η πιθανή τοπική where y=T, 2 corresponds to the layer number associated with numbers (1) and (2) in all schemes (incremental and non-incremental). It turns out that in this case the maximum horizontal normal stresses appear in the region of the interface of the layers of the bimodal element (29), Fig. 21 and 22. The possible local

πλαστικοποίηση στη διεπιφάνεια (29), Σχ. 21 και 22, δημιουργεί ένα lamination at interface (29), Fig. 21 and 22, creates a

νέα μηχανισμό απόσβεσης ενέργειας όπου το DCM στοιχείο αντιστοιχεί new energy damping mechanism where the DCM element corresponds

σχεδόν αναστρέψιμα, δημιουργώντας εφαρμογές για σεισμικούς almost reversibly, creating applications for seismic

αποσβεστήρες και αποσβεστήρες ταλάντωσης. dampers and vibration dampers.

Παράδειγμα 2: Η αποδοτικότητα των DCM σαν ενεργοποιητές. Example 2: The efficiency of DCMs as activators.

To DCM υλικό σαν μοναδικό στοιχείο όταν χρησιμοποιείται ως DCM material as a unique element when used as

ενεργοποιητής μετατρέπει τη διπολική μηχανική ενέργεια σε μηχανική actuator converts bipolar mechanical energy into mechanical energy

ενέργεια κάμψης. Ως εκ τούτου, η αποδοτικότητά του αναμένεται να bending energy. Therefore, its efficiency is expected to

είναι υψηλή. Για να δώσουμε κάποια ποιοτικά αποτελέσματα, θα is high. To give some qualitative results, we will

εξετάσουμε το Παράδειγμα 1 (28), Σχήμα 21α και θα προσδιορίσουμε consider Example 1 (28), Figure 21a and determine

την αποδοτικότητα ως τον λόγο του έργου που αποθηκεύεται σε ένα efficiency as the ratio of the project stored in one

DCM στοιχείο (δοκός), υπό ομοιόμορφη διπολική πίεση στην άνω και DCM element (beam), under uniform dipole pressure on the upper and

κάτω παρειά, ώστε να αποκτήσει μια συγκεκριμένη καμπυλότητα και lower cheek, so that it acquires a certain curvature and

του έργου που απαιτείται ώστε η ίδια δοκός να πάρει την ίδια of the work required for the same beam to take the same

καμπυλότητα υπό καθαρή κάμψη. curvature under pure bending.

Σε μια απλά στηριζόμενη δίμορφη δοκό μήκους L, με ιδιότητες που In a simply supported bimodal beam of length L, with properties that

αντιστοιχούν στη βέλτιστη λύση όπως παρουσιάστηκε στο Παράδειγμα correspond to the optimal solution as presented in Example

1 (Ει*= Ε2*= Ε*, h1= h2= h and v*= ν1*= -v2*) το συνολικό έργο που 1 (Ei*= E2*= E*, h1= h2= h and v*= v1*= -v2*) the total work that

αποθηκεύεται υπό ομοιόμορφη θλίψη ή εφελκυσμό εκφράζεται από την stored under uniform compression or tension is expressed by the

ακόλουθη σχέση: following relationship:

Wayy= 1⁄2Layyu [13] Wayy= 1⁄2Layyu [13]

όπου L είναι το μήκος της δοκού και u είναι η βράχυνση στη διεύθυνση where L is the length of the beam and u is the shortening in the direction

y (u=2hεyy). Η προκύπτουσα καμπυλότητα της δίμορφης δοκού με τις y (u=2hεyy). The resulting curvature of the dimorphic beam with the

προαναφερθείσες ιδιότητες δίδεται από τη σχέση: k = ~εyy. Το συνολικό aforementioned properties is given by the relation: k = ~εyy. The total

έργο θεωρώντας τη δοκό υπό καθαρή κάμψη δίδεται από την ακόλουθη work considering the beam under pure bending is given by the following

έκφραση: expression:

wMzz= 1⁄2L Mzzk [14] wMzz= 1⁄2L Mzzk [14]

όπου Μα= Ε ι k είναι η ροπή κάμψης που επιβάλλεται, I=2h<3>/3 where Ma= E i k is the imposed bending moment, I=2h<3>/3

(θεωρώντας μοναδιαίο πλάτος του DCM στοιχείου) είναι η ροπή (considering unit width of the DCM element) is the torque

αδράνειας της διατομής της δοκού και “k” είναι η στοχευόμενη inertia of the beam cross-section and “k” is the target

καμπυλότητα. Ο λόγος των έργων δίδεται από: curvature. The reason for the works is given by:

Ο λόγος αυτός είναι μια εκτίμηση της αποδοτικότητας του κυψελωτού δίμορφου υλικού. Για τιμή του λόγου Poisson ν — ±1, που αντιστοιχεί σε ισοτροπία για πολλές κυψελωτές στρώσεις, ο παραπάνω λόγος ενεργειών είναι ίσος με 0.75 (75%), που είναι μια εντυπωσιακή απόδοση για το στοιχείο DCM. This ratio is an estimate of the efficiency of the cellular dimorphic material. For a value of Poisson's ratio ν — ±1, corresponding to isotropy for many cellular layers, the above efficiency ratio is equal to 0.75 (75%), which is an impressive performance for the DCM element.

Παράδειγμα 3 : Επιπλέον αναλυτικά αποτελέσματα ενός DCM στοιχείου υπό ομοιόμορφη διπολική φόρτιση. Example 3 : Additional analytical results of a DCM element under uniform bipolar loading.

Το Σχήμα 22 δείχνει μέσω ενός αριθμητικού παραδείγματος τη χρήση των κυψελωτών υλικών (30) σε ένα DCM στοιχείο (30). Δύο κυψελωτές στρώσεις χρησιμοποιούνται για απλότητα: μια (32), Σχ.22, κανονική κηρήθρας (θετικός λόγος Poisson) και μια (31), Σχ.22, κλεψύδρας (αρνητικός λόγος Poisson, αυξητικά υλικά). Ένα διπολικό ομοιόμορφα κατανεμμημενο θλιπτικό φορτίο (33), Σχ.22α, εφαρμόζεται στην πάνω και κάτω παρειά του σύνθετου υλικού. Υπό την δράση αυτού του φορτίου το σύνθετο υλικό καμπυλώνει, όπως φαίνεται στο Σχήμα 22b. Figure 22 shows through a numerical example the use of cellular materials (30) in a DCM element (30). Two honeycomb layers are used for simplicity: one (32), Fig.22, regular honeycomb (positive Poisson's ratio) and one (31), Fig.22, hourglass (negative Poisson's ratio, augmenting materials). A bipolar uniformly distributed compressive load (33), Fig.22a, is applied to the top and bottom faces of the composite. Under the action of this load the composite material curves, as shown in Figure 22b.

Για να διευκρινιστεί η επιρροή της διπολικής φόρτισης, επιλύουμε ένα απλό DCM στοιχείο (30), Σχ.23α, με δύο στρώσεις ίσου πάχους και ίδιου μέτρου ελαστικότητας, αλλά με διαφορετική τιμή του λόγου Poisson: 0.5 για τη μη αυξητική στρώση (2) και -1.0 για την αυξητική στρώση (1). Το σύνθετο υλικό φορτίζεται με ένα διπολικό φορτίο συμπίεσης μορφής «τσιμπήματος» (35), όπως φαίνεται στο Σχήμα 23α (ένας κάναβος γραμμών προστίθεται στα υλικά για να οπτικοποιήσει τις λεπτομέρειες παραμόρφωσης). Ως αποτέλεσμα, το σύνθετο υλικό αποκρίνεται με μια μη ομοιόμορφη καμπτική συμπεριφορά, όπως φαίνεται στο Σχήμα 23b. To clarify the influence of dipole loading, we solve a simple DCM element (30), Fig.23a, with two layers of equal thickness and modulus of elasticity, but with a different value of Poisson's ratio: 0.5 for the non-incremental layer (2) and -1.0 for the incremental layer (1). The composite is loaded with a bipolar "pinch" compression load (35), as shown in Figure 23a (a line canvas is added to the materials to visualize the deformation details). As a result, the composite responds with a non-uniform flexural behavior, as shown in Figure 23b.

Συνοψίζοντας, από τα παραδείγματα 1 και 3 προκύπτει οτι η έντονη καμπυλότητα των DCM υλικών (αν και όχι πάντα η βέλτιστη) μπορεί επίσης να επιτευχθεί εφόσον οι στρώσεις τους εξασφαλίζουν μεγάλη απόλυτη διαφορά στις τιμές του λόγου Poisson και συγκεκριμένα τουλάχιστο τιμή 1.5. Summarizing, from examples 1 and 3 it follows that the strong curvature of DCM materials (although not always optimal) can also be achieved if their layers ensure a large absolute difference in the Poisson's ratio values, specifically a minimum value of 1.5.

Παράδειγμα 4: Ένα απλό πρότυπο στοιχείο DCM. Example 4: A simple DCM component template.

Το Σχήμα 24 δείχνει ένα απλό (δύο στρώσεων) πρότυπο (36), Σχ.24, που κατασκευάστηκε με τη βοήθεια της 3-D εκτύπωσης. Σημειώνεται ότι η διάταξη θυμίζει την αντίστοιχη (130) του Σχ. 22α. Ένα διπολικό φορτίο (37), Σχ. 24α, παρόμοιο με αυτό που έχει απεικονιστεί στο Σχ. Figure 24 shows a simple (two-layer) template (36), Fig. 24, made using 3-D printing. It is noted that the arrangement resembles the corresponding one (130) of Fig. 22a. A bipolar charge (37), Fig. 24a, similar to that illustrated in Fig.

23α φαίνεται στο Σχ. 24α όπου το φορτίο «τσίμπημα» (διπολικό) εφαρμόζεται στη μέση του DCM μέσω ενός σφιγκτήρα (37) ο οποίος προσαρμόζεται σε διάφορα επίπεδα σύσφιξης και συνεπώς εισάγει διαφορετικά διπολικά φορτία. Το Σχ. 24b δείχνει το σύνθετο υλικό DCM φορτισμένο μέσω ενός σφιγκτήρα στην άκρη του μήκους του (38), Σχ. 24b, δίνοντας μια πολύ χρήσιμη καμπτική απόκριση η οποία αποδεικνύεται ότι είναι ανάλογη του διπολικού φορτίου (γραμμική απόκριση). Κατά την αποφόρτιση και οι δύο διατάξεις DCM υλικών επέστρεψαν στην αρχική ευθεία διάταξή τους (αναστρεψιμότητα), ικανοποιώντας έτσι μια σημαντική ιδιότητα που απαιτείται για την ικανότητα χρήσης των υλικών DCM ως ενεργοποιητές. Υπερβολικά μεγάλα φορτία μπορούν να οδηγήσουν σε καταστροφή των σύνθετων μέσω της πλαστικοποίησης ή ρηγμάτωσης και τότε το στοιχείο θα μπορούσε να είναι χρήσιμο ως απορροφητής μηχανικής ενέργειας ή ελεγκτής ζημιών. 23a is shown in Fig. 24a where the "pinch" (bipolar) load is applied to the middle of the DCM by means of a clamp (37) which adjusts to various levels of clamping and therefore introduces different bipolar loads. Fig. 24b shows the DCM composite loaded through a clamp at the edge of its length (38), Fig. 24b, giving a very useful flexural response which is shown to be proportional to the dipole load (linear response). Upon discharge both DCM materials arrangements returned to their original straight arrangement (reversibility), thus satisfying an important property required for the ability to use DCM materials as actuators. Excessively large loads can lead to composite failure through delamination or cracking, and then the element could be useful as a mechanical energy absorber or damage controller.

Οι συνολικές διαστάσεις του συγκεκριμένου πρότυπου είναι: μήκος 23 εκ., ύψος 5 εκ., πλάτος 1 εκ. και πάχος κυψέλης 1.5 χιλ.. Ωστόσο, όλες οι διαστάσεις μπορούν να μεγεθυνθούν (σε τάξη μεγέθους μέτρων) ή να σμικρυνθούν (σε τάξη μεγέθους χιλιοστών) διατηρώντας το φαινόμενο της καμπύλωσης. Το υλικό των κυψελών ήταν το Z-PLA ακρυλικό πολυμερές (μέτρο ελαστικότητας 1.83 GPa και λόγος Poisson 0.3) και προφανώς αυτό δεν αποτελεί περιορισμό αφού και άλλα υλικά όπως μέταλλα, ελαστομερή κ.α. μπορούν να χρησιμοποιηθούν ανάλογα με τις απαιτήσεις που προκύπτουν απ’ τη χρήση (π.χ. αντοχή, υψηλές θερμοκρασίες, ελαστικότητα κ.α.). Η κυψελωτή γεωμετρία αποτελούνταν από δύο στρώσεις με το ίδιο πάχος και το ίδιο ισοδύναμο μέτρο ελαστικότητας 0.029GPa. Ωστόσο, ο λόγος Poisson της αυξητικής στρώσης (κυψέλες κλεψύδρας) (1) ήταν -1.0 και της μη αυξητικής στρώσης (2) ήταν 1.0. The overall dimensions of this particular model are: length 23 cm, height 5 cm, width 1 cm and cell thickness 1.5 mm. However, all dimensions can be enlarged (in the order of meters) or reduced (in the order of millimeters) maintaining the curvature effect. The material of the cells was Z-PLA acrylic polymer (modulus of elasticity 1.83 GPa and Poisson's ratio 0.3) and apparently this is not a limitation since other materials such as metals, elastomers etc. they can be used depending on the requirements arising from the use (e.g. strength, high temperatures, elasticity, etc.). The cellular geometry consisted of two layers with the same thickness and the same equivalent modulus of elasticity of 0.029GPa. However, the Poisson's ratio of the growth layer (hourglass cells) (1) was -1.0 and that of the nongrowth layer (2) was 1.0.

Εφαρμογές Applications

Παρακάτω, παρουσιάζουμε κάποιες προτιμητέες εφαρμογές που μπορούν να θεωρηθούν και να σχεδιαστούν τόσο σαν διδιάστατες ή αξονομετρικές όσο και ως τρισδιάστατες. Τα σχέδια αυτά απεικονίζονται στα Σχήματα 25-37. Οι γεωμετρίες των Σχ. 25-37 μπορούν να θεωρηθούν σαν πλάγιες όψεις στη περίπτωση των επίπεδων (δυσδιάστατων) διατάξεων με την εκτός επιπέδου διάσταση να είναι μικρή σε σχέση με τις διαστάσεις του επιπέδου ή μεγάλη σε σχέση με τις εντός επιπέδου διαστάσεις και σε αυτή τη τελευταία πείρπτωση η διπολική φόρτιση θεωρείται ότι επεκτείνεται ως γραμμικό φορτίο στην εκτός επιπέδου διεύθυνση. Οι αξονοσυμμετρικές διαστάσεις μπορούν εύκολα να παρουσιαστούν με επίπεδα σχήματα, υποθέτοντας ότι η όψη που δίδεται είναι πλαϊνή και η αξονοσυμμετρική γραμμή είναι πάνω στο επίπεδο του σχήματος. Τέλος, τριασδιάστατες εκδοχές των εικονιζόμενων επίπεδων σχημάτων είναι εύκολο να σχεδιαστούν και δε θα συζητηθούν περαιτέρω. Η απόκριση των προτεινόμενων διατάξεων είναι σχεδόν αυταπόδεικτη, εάν τα προηγούμενα παραδείγματα έχουν γίνει κατανοητά. Θα επικεντρωθούμε σε διατάξεις με ένα ή δύο απλά DCM υλικά, ωστόσο προφανείς επεκτάσεις αυτών μπορούν αν γίνουν με περισσότερα DCM στοιχεία (19), (20), (21) και/ή με μεταβλητά στοιχεία (18), (48), (47), (46), (45), (73), (74), (14), (13), (12), (11), (15), (16). Below, we present some preferred applications that can be viewed and designed as both 2D or axonometric as well as 3D. These designs are illustrated in Figures 25-37. The geometries of Figs. 25-37 can be considered as side views in the case of planar (2D) arrangements with the out-of-plane dimension being small relative to the in-plane dimensions or large relative to the in-plane dimensions and in this case last case the dipole charge is assumed to extend as a linear charge in the out-of-plane direction. Axisymmetric dimensions can easily be represented by planar figures, assuming that the view given is a side view and the axisymmetric line is on the plane of the figure. Finally, 3D versions of the illustrated planar shapes are easy to design and will not be discussed further. The response of the proposed provisions is almost self-evident if the preceding examples have been understood. We will focus on layouts with one or two simple DCM materials, however obvious extensions of these can be made with more DCM elements (19), (20), (21) and/or with variable elements (18), (48), (47) ), (46), (45), (73), (74), (14), (13), (12), (11), (15), (16).

Μια μικροδιάταξη βαλβίδας (49), Σχ. 26, χρησιμοποιεί ένα ανακυκλιζόμενα εφαρμοσμένο διπολικό φορτίο (59) , Σχ. 26, σε δύο συνδεδεμένα μεταξύ τους DCM στοιχεία δημιουργώντας μια ανακυκλιζόμενη ανάποδη κάμψη και όταν βρίσκεται εμβαπτισμένο σε ρευστό , λειτουργεί σα μικροβαλβίδα. Αλλα DCM στοιχεία μπορούν να είναι συνδεδεμένες σε σειρά (19), Σχ. 8, και μπορούν να δημιουργήσουν μια συσκευή μικροαναδευτή ρα για ρευστά. A microvalve arrangement (49), Fig. 26, uses a recirculating applied bipolar load (59), Fig. 26, across two interconnected DCM elements creating a recirculating reverse bend and when immersed in fluid, acts as a microvalve. Other DCM elements can be connected in series (19), Fig. 8, and can create a fluid micro-stirring device.

Μια μικροαντλία (50), Σχ. 50, δημιουργείται όταν ένα ταλαντευόμενο διπολικό φορτίο (60), Σχ. 50, εφαρμόζεται σε ένα απλό στοιχείο DCM δημιουργώντας μια αντισυμμετρική κάμψη, χρήσιμη στο να σπρώχνει το ρευστό ώστε να δημιουργήσει διαφορική πίεση στον όγκο του ρευστού. Η συσκευή μπορεί να επεκταθεί με τη σύνδεση άλλων στοιχείων DCM σε σειρά, δημιουργώντας μικρομηχανισμούς που κάνουν κινήσεις «ερπυσμού» και μπορεί να είναι χρήσιμοι στο να καθαρίσουν μικροσωλήνες και ανθρώπινες αρτηρίες ή αρτηρίες ζώων. Η «επιδερμική» επικάλυψη ενός υποστρώματος με στρώση DCM υλικού (61), Σχ. 32, δημιουργεί εφαρμογές σε πέδηση (51), Σχ. 32, ώστε η επιφάνεια υπό τη δράση εφαπτομενικής διπολικής δράσης (8), Σχ. 32, να προεξέχει εκτός επιπέδου, με αποτέλεσμα να δημιουργεί εμπόδια στα σώματα που γλιστρούν ή κυλίονται πάνω στην επιφάνεια αυτή. Σημειώνεται ότι η δράση είναι ένα φαινόμενο πρώτης πρώτης τάξης αφού η διπολική φόρτιση είναι εφελκυστική. Μια τέτοια δράση μπορεί να παραχθεί (52), Σχ. 33, από το συνδυασμό διπολικής φόρτισης που δρα κάθετα σε μια επιφάνεια (61), Σχ. 33. Η επικάλυψη DCM μπορεί να υλοποιηθεί σε πολύ μικρές κλίμακες με κατάλληλη χρήση δύο στρώσεων μορφής βαφής, αλλά μπορεί να εφαρμοστεί και σε κλίμακες έργων πολιτικού μηχανικού με τη βοήθεια κυψελωτών υλικών μεγάλης κλίμακας (31, 32), Σχ. 36, με τη μορφή των DCM στρώσεων (53), Σχ. 36. Μια άλλη εφαρμογή είναι η δημιουργία συνθηκών εμπόδισης της σχετικής μετακίνησης μεταξύ επιφανειών, με τη προσαρμογή της μέγιστης τιμής του εφαρμοζόμενου κάθετου φορτίου (63), δημιουργώντας ειδικές κορυφές και κοιλάδες για πλατφόρμες μίκρο και νάνο οργάνων μέτρησης μέχρι και για ειδικές εφαρμογές οδικών φατνωμάτων για στρατιωτικούς σκοπούς, ναυτικά και αεροπορικά οχήματα καθώς και θεμέλια κτιρίων. Τα προαναφερθέντα αποτελέσματα δε μπορούν να εμφανιστούν χωρίς τη στρώση DCM υλικών. Περαιτέρω κατανόηση του αποτελέσματος της επίπεδης επιφάνειας γίνεται με την επόμενη εφαρμογή (η εξωτερική κάμψη προέρχεται από τις επιφανειακές αντιδράσεις). Τέτοιες συσκευές, όταν υπάρχει κίνηση μέσα σε ρευστό, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ώστε να προσαρμοστεί η αεροδυναμική ή υδροδυναμική του σώματος στο οποίο τοποθετούνται. A micropump (50), Fig. 50, is created when an oscillating dipole charge (60), Fig. 50, is applied to a simple DCM element creating an antisymmetric bend useful in pushing the fluid to create a differential pressure across the fluid volume . The device can be extended by connecting other DCM elements in series, creating micromechanisms that make "creeping" movements and may be useful in cleaning microtubules and human or animal arteries. "Skinning" a substrate with a layer of DCM material (61), Fig. 32, creates applications in braking (51), Fig. 32, so that the surface under the action of tangential dipole action (8), Fig. 32, protrudes out of plane, as a result of which it creates obstacles for bodies that slide or roll on this surface. Note that the action is a first-order phenomenon since the dipole charge is tensile. Such an action can be produced (52), Fig. 33, by the combination of a dipole charge acting perpendicular to a surface (61), Fig. 33. DCM coating can be realized on very small scales by suitable use of two layers of paint form , but it can also be applied on the scales of civil engineering projects with the help of large-scale cellular materials (31, 32), Fig. 36, in the form of DCM layers (53), Fig. 36. Another application is the creation of barrier conditions of the relative movement between surfaces, by adjusting the maximum value of the applied vertical load (63), creating specific peaks and valleys for micro- and nano-instrument platforms up to and including special road surface applications for military, naval and aircraft purposes as well as foundations of buildings. The aforementioned results cannot be seen without the DCM layer of materials. Further understanding of the planar surface effect is made with the next application (external bending comes from surface reactions). Such devices, when there is movement within a fluid, can be used to adjust the aerodynamics or hydrodynamics of the body in which they are placed.

Πιο απλές συσκευές πέδησης μπορούν να σχεδιαστούν όπως φαίνεται στο (58), Σχ. 27 όπου εφαπτομενικά διπολικά φορτία (6, 7, 8), Σχ. 27, επίσης οδηγούν σε κάμψη του στοιχείου που παρεμβάλλεται σε άλλα μηχανικά τμήματα και κλειδώνει τη κίνησή τους (58), Σχ. 27. Simpler braking devices can be designed as shown in (58), Fig. 27 where tangential dipole loads (6, 7, 8), Fig. 27, also lead to bending of the element which interferes with other mechanical parts and locks their movement (58), Fig. 27.

Η εφαρμογή με μηδενική κάμψη (54), Σχ. 28, είναι εμφανής όταν τα DCM στοιχεία είναι κατάλληλα σφιγμένα στο ένα άκρο τους και η ροπή κάμψης (65), Σχ. 28, εφαρμόζεται στο άλλο άκρο τους. Όπως εξηγήθηκε στο Παράδειγμα 24b, η εφαρμογή σφιγκτήρων στα DCM στοιχεία δημιουργεί διπολική φόρτιση και ως αποτέλεσμα μια καθολική κάμψη. Το τελικό αποτέλεσμα του συνδυασμού της εν λόγω σύσφιξης και της ροπής κάμψης μπορεί να σχεδιαστεί ώστε να αποδίδει μηδενική τελική παραμόρφωση λόγω κάμψης στη δοκό. Αυτό μπορεί να αποτελεί μια ενδιαφέρουσα λειτουργία για κατασκευές ειδικών σκοπών και μπορεί να επεκταθεί σε πλάκες και σε κελύφη. Σε ένα παρόμοιο σκηνικό, ο έλεγχος της παραμόρφωσης ενός δομικού στοιχείου (55), Σχ. The zero-bending fit (54), Fig. 28, is evident when the DCM elements are properly clamped at one end and the bending moment (65), Fig. 28, is applied at the other end. As explained in Example 24b, applying clamps to the DCM elements creates bipolar loading and as a result a global bending. The end result of the combination of said clamping and bending moment can be designed to yield zero ultimate bending strain in the beam. This can be an interesting feature for special purpose structures and can be extended to plates and shells. In a similar setting, checking the deformation of a structural element (55), Fig.

29, που έχει κατασκευαστεί από DCM υλικά μπορεί να επιτευχθεί με κολάρα (66) ώστε να συγκρατεί τη δοκό σε ευθεία διάταξη υπό τη δράση εξωτερικών φορτίων (65), Σχ. 29, βλέπε Σχ. 24α για τη βασική κατανόηση της υπέρθεσης της καμπτικής συμπεριφοράς. Τα κολάρα και οι σφιγκτήρες επιβάλλουν την απαιτούμενη διπολική φόρτιση. 29, made of DCM materials can be achieved with collars (66) to hold the beam in a straight arrangement under external loads (65), Fig. 29, see Fig. 24a for a basic understanding of superposition of flexural behavior . Collars and clamps impose the required bipolar loading.

Μια επέκταση του φαινομένου μηδενικής κάμψης μπορεί να γίνει σε επιλεγμένα στατικά ορισμένα συστήματα δοκών, πλακών και κελυφών. Ένα παράδειγμα είναι το πλαίσιο (57), Σχ. 34, που αποτελείται από δύο DCM δοκούς που συνδέονται με ένα άκαμπτο σύνδεσμο (68), Σχ. 34 τουλάχιστο 5 φορές πιο δύσκαμπτους από το υλικό των DCM στοιχείων. Οι ίδιοι άκαμπτοι σύνδεσμοι (68), Σχ. 34, πρέπει να συνδέονται και στο τέλος των στοιχείων του πλαισίου. Ενδιάμεσα κολάρα (66), Σχ. 34, μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τη βέλτιστη απόκριση. Όπως και σε προηγούμενες εφαρμογές (54, 55), Σχ. An extension of the zero bending effect can be made to selected statically certain beam, slab and shell systems. An example is the frame (57), Fig. 34, consisting of two DCM beams connected by a rigid joint (68), Fig. 34 at least 5 times stiffer than the material of the DCM elements. The same rigid connectors (68), Fig. 34, must also be connected to the end of the frame elements. Intermediate collars (66), Fig. 34, may also be used for optimum response. As in previous applications (54, 55), Fig.

28 και 29, το μέγιστο εξωτερικό φορτίο (69), Σχ. 34, μπορεί να βρεθεί ώστε να κρατήσει το πλαίσιο «κλειδωμένο» στην αρχική του θέση. Το πλαίσιο (57), Σχ. 34, είναι στατικά ορισμένο και στη περίπτωση όπου δε χρησιμοποιούνται στοιχεία DCM το πλαίσιο θα είχε επαρκή δυνατότητα για σχετική μετακίνηση της κυλιόμενης στήριξης και για περιστροφή της αρθρωτής στήριξης (75), Σχ. 34. Αλλες πιθανές εφαρμογές του DCM υλικού είναι να επιτρέπει τη πλαστικοποίηση της διεπιφάνειας (29), γεγονός που καθιστά τα DCM υλικά επαρκή ως σεισμικοί αποσβεστήρες διέγερσης και αποσβεστήρες ταλάντωσης χρήσιμους σε πολλά πλαίσια, θεμέλια κτιρίων, δρόμους ή άλλες κατασκευές πολιτικού μηχανικού. Συστήματα πλακών, όπως στο Παράδειγμα (77), Σχ. 35, μπορούν να υλοποιηθούν με τη σύνδεση πλακών (ή και κελυφών) με άκαμπτους συνδέσμους (68), Σχ. 35 και σφιγκτήρες (78), Σχ. 34, πάνω σε ένα υπόστρωμα (π.χ. θεμελίωση) ή άλλες κατασκευές. 28 and 29, the maximum external load (69), Fig. 34, can be found to keep the frame "locked" in its original position. The frame (57), Fig. 34, is statically fixed and in the case where DCM elements are not used the frame would have sufficient capacity for relative movement of the rolling support and for rotation of the hinged support (75), Fig. 34. Other possible applications of DCM material is to allow interface plasticization (29), which makes DCM materials adequate as seismic excitation dampers and vibration dampers useful in many frames, building foundations, roads, or other civil engineering structures. Plate systems, as in Example (77), Fig. 35, can be realized by connecting plates (or even shells) with rigid connectors (68), Fig. 35 and clamps (78), Fig. 34, on a substrate (eg foundation) or other structures.

Τα μικροεπιταχυνσιόμετρα (56), Σχ. 30 και 31, μπορούν να χρησιμοποιήσουν από DCM στοιχεία με διπολικές φορτίσεις που προκαλούνται μέσω μιας μάζας που έχει τοποθετηθεί (67) πάνω σε ένα σώμα και επιταχύνεται μέσω ενός εξωτερικού πεδίου (π.χ. σεισμός, βαρύτητα, κίνηση σώματος). Micro-accelerometers (56), Figs. 30 and 31, can use DCM elements with dipole charges induced through a mass placed (67) on a body and accelerated through an external field (e.g. earthquake, gravity , body movement).

Καινοτόμα δυναιιόιιετοα μπορούν να σχεδιαστούν με τα DCM υλικά, καθώς επίσης και νανοδιατάξεις ως συσκευές ακρίβειας (70), Σχ. 30 και 31, π.χ. μίκρο και νάνο διεισδυτές και χαράκτες, συσκευές φόρτισης μίκρο δοκών ατοιιικών μικροσκοπίων. Η σύσφιξη (64), Σχ. 37, προσαρμόζεται και ελέγχεται ώστε να κρατά το DCM στοιχείο ευθύγραμμο και ως αποτέλεσμα όλη η δοκός από DCM στοιχεία να γίνεται υπερβολικά δύσκαμπτη. Έτσι η αντίδραση στο άλλο άκρο της δοκού (71), Σχ. 37, εξαιτίας της παραμόρφωσης του στοιχείου (72), Σχ. Innovative capabilities can be designed with DCM materials, as well as nanoarrays as precision devices (70), Fig. 30 and 31, e.g. micro and nano penetrants and etchers, micro beam charging devices for atomic microscopes. The clamp (64), Fig. 37, is adjusted and controlled to keep the DCM element straight and as a result the entire beam of DCM elements becomes excessively stiff. Thus the reaction at the other end of the beam (71), Fig. 37, due to the deformation of the element (72), Fig.

37, μπορεί να ρυθμιστεί με εξαιρετική ακρίβεια. 37, can be adjusted with great precision.

Claims (10)

ΑΞΙΩΣΕΙΣ 1. Προτείνεται ένα καινοτόμο σύνθετο υλικό (DCM: Dipolar Composite Material) με μια απλή (13, 14, 15, 16, 17, 18, 40, 45, 46, 47, 48, 73, 74) ή συνδεδεμένη μικροδομή σε ενότητες (19, 20, 21) με τη μορφή στρώσεων, με κάθε ενότητα να έχει τουλάχιστο δύο πλήρως συνδεδεμένες στρώσεις (1, 2), με προτίμηση η μία από αυτές να αποτελείται από αυξητικό υλικό με υψηλή τιμή αρνητικού λόγου Poisson και η άλλη να αποτελείται από ένα μηαυξητικό υλικό με υψηλή τιμή θετικού λόγου Poisson και γενικά δύο τουλάχιστο στρώσεις που να έχουν διαφορά στις απόλυτες τιμές του λόγου Poisson κατά προτίμηση πάνω από 1.5. Οι στρώσεις δεν απαιτείται να είναι επίπεδες ή σταθερού πάχους σε όλες τις διευθύνσεις. Το σύνθετο υλικό παρέχει σημεία εφαρμογής διπολικής μηχανικής δράσης (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 41, 42, 43, 37, 38, 60, 65), απευθείας ή έμμεσα με τη βοήθεια συνδέσμων συγκεκριμένου τύπου (12), με τη διπολική μηχανική φόρτιση να οδηγεί σε τοπική ή καθολική καμπύλωση του πολυστρωματικού συστήματος σαν σύνολο ή τουλάχιστο των δύο πλήρως συνδεδεμένων στρώσεων. Η διπολική φόρτιση θεωρείται αναπόσπαστο τμήμα από το σύνθετο υλικό και εφαρμόζεται απευθείας ως επιφανειακή φόρτιση και/ή ως φόρτιση πεδίου εξαιτίας αδρανειακών, θερμικών, ηλεκτρομαγνητικών ή χημικών πεδίων.1. An innovative composite material (DCM: Dipolar Composite Material) is proposed with a simple (13, 14, 15, 16, 17, 18, 40, 45, 46, 47, 48, 73, 74) or linked microstructure in modules ( 19, 20, 21) in the form of layers, with each module having at least two fully connected layers (1, 2), preferably one of them consisting of growth material with a high value of negative Poisson's ratio and the other consisting of a non-augmenting material with a high value of positive Poisson's ratio and generally at least two layers that have a difference in the absolute values of the Poisson's ratio preferably above 1.5. Layers are not required to be flat or of constant thickness in all directions. The composite provides points of application of bipolar mechanical action (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 41, 42, 43, 37, 38, 60, 65), directly or indirectly by means of links of a specific type (12), with bipolar mechanical loading leading to local or global curvature of the multilayer system as a whole or at least of the two fully connected layers. Dipole loading is considered an integral part of the composite and is applied directly as surface loading and/or as field loading due to inertial, thermal, electromagnetic or chemical fields. 2. Όπως και στην Αξίωση 1, με τα DCM υλικά να σχηματίζουν δομικά στοιχεία στη μορφή ευθύγραμμης ή καμπυλωτής δοκού (22), επίπεδης πλάκας (23), ή κελύφους (24). Η λειτουργικότητα σχετίζεται με την επιθυμητή παραμόρφωση και/ή την ανάπτυξη αρχικών τάσεων που μπορούν να βελτιώσουν τη συνολική αντοχή.2. As in Claim 1, with the DCM materials forming structural elements in the form of a straight or curved beam (22), flat plate (23), or shell (24). Workability relates to desired deformation and/or development of initial stresses that can improve overall strength. 3. Όπως και στην Αξίωση 1, τα DCM υλικά εφαρμόζονται σαν επιφανειακές βαφές ή επιφανειακές επιστρώσεις σε επιφάνειες άλλων υποστρωματικών υλικών (25).3. As in Claim 1, the DCM materials are applied as surface paints or surface coatings to surfaces of other substrate materials (25). 4. Όπως και στην Αξίωση 1, με τις στρώσεις (1, 2) να μπορούν να είναι κυψελωτά υλικά (31, 32), μια μοριακή στρώση, ένα ύφασμα, μια διάτρητη στρώση, ένα αφρώδες υλικό, ένα πολυμερές, ένα κεραμικό υλικό, ένα ελαστομερές. Τα υλικά μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να συμπεριφέρονται ελαστικά για να επιτυγχάνουν αναστρεψιμότητα, ή να συμπεριφέρονται πλαστικά ή βισκοπλαστικά στη διεπιφάνεια των στρώσεων (29) ώστε τα DCM να παίζουν το ρόλο των απορροφητών ενέργειας σε μηχανικούς αποσβεστήρες.4. As in Claim 1, wherein the layers (1, 2) can be cellular materials (31, 32), a molecular layer, a fabric, a perforated layer, a foam material, a polymer, a ceramic material, an elastomer. Materials can be tuned to behave elastically to achieve reversibility, or to behave plastically or viscoplastically at the interlayer interface (29) so that DCMs play the role of energy absorbers in mechanical dampers. 5. Όπως και στις Αξιώσεις 2 ή 3, με το δομικό στοιχείο να πρόκειται να χρησιμοποιηθεί ως σύστημα ενεργοποίησης (49, 50, 54, 56, 65, 70), κατά προτίμηση βαλβίδες πίεσης, συσκευές μικροκαθαρισμού, διακόπτες, επιφάνειες μικροσκοπίων, μικροεπιταχυνσιόμετρα, δυναμόμετρα, μετρητές παραμορφώσεων και μικροαντλίες.5. As in Claims 2 or 3, with the structural element to be used as an actuation system (49, 50, 54, 56, 65, 70), preferably pressure valves, micro-cleaning devices, switches, microscope surfaces, micro-accelerometers, dynamometers, strain gauges and micropumps. 6. Όπως και στην Αξίωση 3, με τα DCM υλικά να μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως αντιχαρακτικές και αντιδιεισδυτικές προστατευτικές στρώσεις (51, 52, 53).6. As in Claim 3, wherein the DCM materials can be used as anti-etch and anti-penetration protective layers (51, 52, 53). 7. Όπως και στις Αξιώσεις 2 ή 3, όπου οι DCM στρώσεις να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σύστημα πέδησης από μάκρο μέχρι μίκρο κλίμακα (58).7. As in Claims 2 or 3, wherein the DCM layers can be used in a braking system from macro to micro scale (58). 8. Όπως και στην Αξίωση 2, με τα στατικά ορισμένα δομικά στοιχεία να μπορούν να διαμορφώσουν δομικά συστήματα (57, 77) πλαισίων, φατνωμάτων, διαφραγμάτων, επιπέδων και θεμελίωσης που επιδεικνύουν καθόλου ή πολύ μικρή μετακίνηση λόγω κάμψης.8. As in Claim 2, with the static certain structural elements being able to form structural systems (57, 77) of frames, panels, baffles, planes and foundations which exhibit no or very little flexural movement. 9. Όπως και στην Αξίωση 3, όπου η στρώση DCM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον έλεγχο αεροδυναμικής και υδροδυναμικής συμπεριφοράς της καμπυλωμένης επιφάνειας.9. As in Claim 3, wherein the DCM layer can be used to control aerodynamic and hydrodynamic behavior of the curved surface. 10.Όπως και στην Αξίωση 3, όπου η στρώση DCM μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υποστήριξη της ανθρώπινης κίνησης ή κίνησης των ζώων ως ενεργοποιητής τεχνητού δέρματος, ως αγγειακός επίδεσμος και ως ορθοπεδικός νάρθηκας.10. As in Claim 3, wherein the DCM layer can be used to support human or animal movement as an artificial skin actuator, a vascular bandage and an orthopedic splint.
GR20190100344A 2019-08-09 2019-08-09 Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components GR1010248B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GR20190100344A GR1010248B (en) 2019-08-09 2019-08-09 Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GR20190100344A GR1010248B (en) 2019-08-09 2019-08-09 Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components

Publications (2)

Publication Number Publication Date
GR20190100344A GR20190100344A (en) 2021-03-16
GR1010248B true GR1010248B (en) 2022-06-15

Family

ID=69844853

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
GR20190100344A GR1010248B (en) 2019-08-09 2019-08-09 Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components

Country Status (1)

Country Link
GR (1) GR1010248B (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2867102A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-09 Cetim Cermat Composite material with controlled, continuous deflection used e.g. in actuators, comprises active, heated layer bonded with inactive, thermally-conductive layer
US20060208135A1 (en) * 2005-03-18 2006-09-21 Liguore Salvatore L Systems and methods for reducing noise in aircraft fuselages and other structures
US20160144091A1 (en) * 2013-06-13 2016-05-26 The Nottingham Trent University Electroactive actuators

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2867102A1 (en) * 2004-03-02 2005-09-09 Cetim Cermat Composite material with controlled, continuous deflection used e.g. in actuators, comprises active, heated layer bonded with inactive, thermally-conductive layer
US20060208135A1 (en) * 2005-03-18 2006-09-21 Liguore Salvatore L Systems and methods for reducing noise in aircraft fuselages and other structures
US20160144091A1 (en) * 2013-06-13 2016-05-26 The Nottingham Trent University Electroactive actuators

Also Published As

Publication number Publication date
GR20190100344A (en) 2021-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ling et al. Enhanced mathematical modeling of the displacement amplification ratio for piezoelectric compliant mechanisms
Sheng et al. Thermoelastic vibration and buckling analysis of functionally graded piezoelectric cylindrical shells
Reddy et al. Three-dimensional solutions of smart functionally graded plates
Virk et al. SILICOMB PEEK Kirigami cellular structures: mechanical response and energy dissipation through zero and negative stiffness
Mantari et al. A novel higher-order shear deformation theory with stretching effect for functionally graded plates
Benadouda et al. An efficient shear deformation theory for wave propagation in functionally graded material beams with porosities
Grima et al. Smart hexagonal truss systems exhibiting negative compressibility through constrained angle stretching
Chen et al. Zero Poisson's ratio flexible skin for potential two-dimensional wing morphing
EP3441304B1 (en) Adaptive structural core for morphing panel structures
Dong et al. Development of a highly efficient bridge-type mechanism based on negative stiffness
Zhang et al. A linear inertial piezoelectric actuator using a single bimorph vibrator
Song et al. Design and analysis of a smart soft composite structure for various modes of actuation
Talha et al. Thermo-mechanical buckling analysis of finite element modeled functionally graded ceramic-metal plates
Aragh et al. Effect of continuously grading fiber orientation face sheets on vibration of sandwich panels with FGM core
Wankhade et al. Free vibration and stability analysis of piezolaminated plates using the finite element method
Li et al. A linear piezoelectric actuator with the parasitic motion of equilateral triangle flexure mechanism
Zhang et al. An elastic analysis of a honeycomb structure with negative Poisson’s ratio
Na et al. Compact piezoelectric tripod manipulator based on a reverse bridge-type amplification mechanism
Mizzi et al. Design of shape memory alloy sandwich actuators: an analytical and numerical modelling approach
Scheller Electroactive morphing for the aerodynamic performance improvement of next generation airvehicles
Zhang et al. Two-dimensional exact analysis for piezoelectric curved actuators
Gu et al. Modeling the laminated carbon fiber reinforced shape memory polymer composites by using a refined plate theory
Ho et al. Structural health monitoring of an asymmetrical SMA reinforced composite using embedded FBG sensors
GR1010248B (en) Dipolar composite materials used as mechanical actuators and functional structural components
Wickramasinghe et al. Design and verification of a smart wing for an extremely-agile micro-air-vehicle

Legal Events

Date Code Title Description
PG Patent granted

Effective date: 20220707