PL239608B1

PL239608B1 - A five-layer plate with two auxetic cores of different arrangement

Info

Publication number: PL239608B1
Application number: PL419205A
Authority: PL
Inventors: Hubert Jopek; Tomasz Stręk
Original assignee: Politechnika Poznanska
Priority date: 2016-10-21
Filing date: 2016-10-21
Publication date: 2021-12-20
Also published as: PL419205A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest płyta pięciowarstwowa z rdzeniami wykonanymi z dwufazowej struktury kompozytowej, charakteryzującej się ujemnym współczynnikiem Poissona w co najmniej jednym kierunku głównym. Płyta pięciowarstwowa składa się z pięciu warstw: dwóch warstw zewnętrznych (okładzin) (1, 2), dwóch warstw rdzenia (4, 5) oraz warstwy rozdzielającej rdzenie (3), przy czym każdy z rdzeni może składać się z jednej lub większej liczby pasm.The subject of the application is a five-layer plate with cores made of a two-phase composite structure, characterized by a negative Poisson's ratio in at least one main direction. The five-layer plate consists of five layers: two outer layers (claddings) (1, 2), two core layers (4, 5) and a layer separating the cores (3), where each of the cores may consist of one or more strands.

Description

Przedmiotem wynalazku jest płyta pięciowarstwowa z rdzeniami wykonanym z dwufazowej struktury kompozytowej charakteryzującej się ujemnym współczynnikiem Poissona w co najmniej jednym kierunku głównym. Przez płytę rozumie się tu element konstrukcyjny (bryła) którego jeden z wymiarów (grubość) jest znacznie mniejszy od dwóch pozostałych. Płyta pięciowarstwowa składa się z pięciu warstw: dwóch warstw zewnętrznych (okładzin) dwóch warstw rdzenia oraz warstwy rozdzielającej rdzenie, przy czym każdy z rdzeni może składać się z jednej lub większej liczby pasm.The present invention relates to a five-layer panel with cores made of a two-phase composite structure characterized by a negative Poisson's ratio in at least one principal direction. A slab is understood here as a structural element (solid), one of the dimensions (thickness) of which is much smaller than the other two. The five-layer board consists of five layers: two outer layers (claddings) of two core layers and a core separating layer, where each core may consist of one or more strands.

Materiały charakteryzujące się ujemnym współczynnikiem Poissona nazywane są auksetykami i są obiektem intensywnych badań od lat osiemdziesiątych dwudziestego wieku - Lim T.-C., Auxetic Materials and Structures (Springer, Singapore, 2015). Z opisów patentowych znane jest zastosowanie tych materiałów w urządzeniach absorbujących drgania oraz tłumiących dźwięk US 2012/315456A1. Znany jest również wpływ struktury auksetycznej na zwiększoną sztywność materiału poddanego obciążeniu. Przedstawione w literaturze przedmiotu struktury auksetyczne charakteryzują się tym, że nie są wypełnione materiałem stałym w całej swojej objętości. Najczęściej są to struktury o charakterze zbliżonej do kratownicy lub plecionki w której znajduje się pusta przestrzeń (domyślnie wypełniona powietrzem). W szczególności znane są również kompozyty dwufazowe, które składają się z plastikowej osnowy oraz zbrojenia w postaci przestrzennej struktury (kratownicy/plecionki) auksetycznej US 8652602 B1. Znane są również materiały, w których uzbrojeniem jest płaska struktura auksetyczna US 8652602 B1. Znane są wyniki badań symulacyjnych dotyczących materiałów kompozytowych, w których jedna z faz jest materiałem o ujemnym współczynniku Poissona lub dwufazowych materiałów auksetycznych, co ujawniają publikacje: Strek, T., Jopek, H., Maruszewski, B. T. and Nienartowicz, M. (2014), Computational analysis of sandwich-structured composites with an auxetic phase. Phys. Status Solidi B, 251: 354-366. doi: 10.1002/pssb,201384250; Strek, T., Jopek, H. and Nienartowicz, M. (2015), Dynamic response of sandwich panels with auxetic cores. Phys. Status Solidi B, 252:1540-1550. doi: 10.1002/pssb.201552024; Strek, T., Jopek, H. and Idczak, E. (2016), Computational design of two-phase auxetic structures. Phys. Status Solidi B. doi: 10.1002/pssb.201600120; Jopek, H. and Strek, T. (2015), Thermal and structural dependence of auxetic properties of composite materials. Phys. Status Solidi B, 252:1551-1558. doi: 10.1002/pssb.201552192.Materials with a negative Poisson's ratio are called auxetics and have been the subject of intense research since the 1980s - Lim T.-C., Auxetic Materials and Structures (Springer, Singapore, 2015). From the patents it is known the use of these materials in vibration absorbing and sound damping devices US 2012 / 315456A1. The influence of the auxetic structure on the increased stiffness of the material subjected to loading is also known. The auxetic structures presented in the literature are characterized by the fact that they are not filled with solid material in their entire volume. Most often these are structures similar to a lattice or braid with an empty space (by default filled with air). In particular, two-phase composites are also known, which consist of a plastic matrix and reinforcement in the form of a spatial structure (lattice / braid) auxetic US 8652602 B1. Materials are also known in which the armament is the flat auxetic structure US 8652602 B1. The results of simulation studies on composite materials in which one of the phases is a material with a negative Poisson's coefficient or two-phase auxetic materials are known, as shown in the publications of: Strek, T., Jopek, H., Maruszewski, BT and Nienartowicz, M. (2014) , Computational analysis of sandwich-structured composites with an auxetic phase. Phys. Status Solidi B, 251: 354-366. doi: 10.1002 / pssb, 201384250; Strek, T., Jopek, H. and Nienartowicz, M. (2015), Dynamic response of sandwich panels with auxetic cores. Phys. Status Solidi B, 252: 1540-1550. doi: 10.1002 / pssb.201552024; Strek, T., Jopek, H. and Idczak, E. (2016), Computational design of two-phase auxetic structures. Phys. Status Solidi B. doi: 10.1002 / pssb.201600120; Jopek, H. and Strek, T. (2015), Thermal and structural dependence of auxetic properties of composite materials. Phys. Status Solidi B, 252: 1551-1558. doi: 10.1002 / pssb.201552192.

Znane materiały auksetyczne wykazują ujemny współczynnik Poissona we wszystkich kierunkach lub w wybranych np. tylko wzdłuż jednego kierunku lub w jednej płaszczyźnie.Known auxetic materials show a negative Poisson's ratio in all or some directions, e.g. only along one direction or in one plane.

Materiały kompozytowe to bardzo popularne rozwiązania stosowane np. w konstrukcjach budynków (w szczególności hal produkcyjnych i magazynowych), w konstrukcjach zbiorników, w poszyciach samolotów, kadłubów łodzi, i wielu innych. Znanych jest wiele konstrukcji kompozytowych różniących się od siebie zarówno ilością i rodzajem użytych materiałów, jak i geometrią samej struktury - co wskazują chociażby opisy patentowe US 2014/0101816, US 2013/0284732, US 2006/0129227.Composite materials are very popular solutions used, for example, in the construction of buildings (in particular production halls and warehouses), in the construction of tanks, in the sheathing of planes, boat hulls, and many others. There are many composite constructions known, differing from each other in the amount and type of materials used, as well as the geometry of the structure itself - as indicated, for example, by US 2014/0101816, US 2013/0284732, US 2006/0129227.

Istotą wynalazku jest konstrukcja płyty pięciowarstwowej składającej się z dwóch warstw okładziny zewnętrznej oraz rozdzielającej dwie warstwy rdzenia warstwy wewnętrznej. Przy czym dwie warstwy rdzeniami wykonanymi z kompozytu auksetycznego, co oznacza, że rdzenie charakteryzują się ujemnym współczynnikiem Poissona w co najmniej jednym kierunku w płaszczyźnie przekroju płyty. Orientacja przestrzenna pasm w ramach jednego rdzenia jest taka sama, natomiast orientacja rdzeni jest różna to znaczy, że rdzenie są obrócone względem siebie w płaszczyźnie płyty o kąt β e (0,π/2).The essence of the invention is the construction of a five-layer panel consisting of two layers of the outer cladding and separating the two core layers of the inner layer. There are two layers with cores made of auxetic composite, which means that the cores are characterized by a negative Poisson's ratio in at least one direction in the plane of the panel cross-section. The spatial orientation of the strands within one core is the same, while the orientation of the cores is different, i.e. the cores are rotated in relation to each other in the plate plane by the angle β e (0, π / 2).

Kompozyt jest w całej swej objętości wypełniony materiałami, bez pustych przestrzeni (pomijalne są tutaj defekty wypełnienia oraz pory występujące w materiale osnowy którym mogą być materiały porowate takie jak spieniany poliuretan, polistyren, poliizocyjanurat itp.). W tym przypadku każdy z rdzeni kompozytu w całej objętości wypełniony jest jednym z dwóch materiałów, przy czym moduły Younga użytych materiałów różnią się od siebie w taki sposób, że materiał zbrojenia charakteryzuje się co najmniej stukrotnie wyższą wartością modułu Younga niż materiał osnowy.The composite is filled with materials in its entirety, without any voids (filling defects and pores occurring in the matrix material, which may be porous materials such as foamed polyurethane, polystyrene, polyisocyanurate, etc., are negligible here). In this case, each of the composite cores is filled with one of the two materials in its entirety, and the Young's modulus of the materials used differ from each other in such a way that the reinforcement material is characterized by at least one hundred times higher Young's modulus than the matrix material.

Korzystnym rozwiązaniem według wynalazku jest kiedy struktura uzbrojenia rdzenia ma kształt zapewniający właściwości auksetyczne, co oznacza, ze wymiar charakterystyczny H jest mniejszy niż wymiar B, zaś wymiar B jest mniejszy niż wymiar A.A preferred solution according to the invention is that the core reinforcement structure has a shape ensuring auxetic properties, which means that the characteristic dimension H is smaller than the B dimension, and the B dimension is smaller than the A dimension.

Wynalazek w przykładzie realizacji przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 i fig. 2 prezentują geometrię płyty. Rdzenie płyty umieszczone są następująco: jeden rdzeń 4 pomiędzy okładziną 1 i warstwą rozdzielającą 3, natomiast drugi rdzeń 5 pomiędzy warstwą rozdzielającą 3 a okładziną 2. Auksetyczny kompozyt stanowiący materiał rdzeni jest materiałem periodycznym, w którym poThe invention is illustrated in an exemplary embodiment in the drawing, in which Figs. 1 and 2 show the geometry of the plate. The board cores are positioned as follows: one core 4 between the cladding 1 and the separation layer 3, while the other core 5 between the separation layer 3 and the cladding 2. The auxetic composite constituting the core material is a periodic material in which

PL 239 608 B1 jedyncza komórka elementarna powtarza się w obydwu kierunkach przekroju poprzecznego rdzenia płyty tworząc pasma, nie zmienia natomiast swojego kształtu wzdłuż trzeciego wymiaru (długości płyty). Jedno pasmo, to część rdzenia w której pojedyncze komórki elementarne ułożone w płaszczyźnie równoległej do płaszczyzny płyty. Rdzeń płyty może składać się z dowolnej liczby takich pasm.The single unit cell repeats itself in both directions of the cross-section of the core of the plate, forming strands, but does not change its shape along the third dimension (plate length). One strand is the part of the core in which single unit cells are arranged in a plane parallel to the plane of the plate. The core of the board may consist of any number of such strands.

Orientacja przestrzenna pasm w ramach jednego rdzenia jest taka sarna, natomiast orientacja rdzeni jest różna tzn. rdzenie są obrócone w płaszczyźnie płyty względem siebie o kąt β e (0,π/2). Korzystny wariant płyty pięciowarstwowej zbudowany jest w ten sposób, ze rdzenie są obrócone względem siebie w płaszczyźnie płyty o kąt π/2. Taki wariant zaprezentowany jest na fig. 1, fig. 2.The spatial orientation of the strands within one core is that of a deer, while the orientation of the cores is different, i.e. the cores are rotated in the plane of the plate relative to each other by the angle β e (0, π / 2). A preferred variant of the five-layer panel is constructed in such a way that the cores are rotated relative to each other in the plane of the panel by the angle π / 2. Such a variant is shown in Fig. 1, Fig. 2.

Komórka elementarna rdzeni płyty pięciowarstwowej przedstawiona została na fig. 3 i fig. 4, Rdzenie płyty składają się i dwóch materiałów przy czym zbrojenie 6 wykonane jest z materiału o dużej sztywności (wysoki moduł Younga - E1 np. stal), podczas gdy drugi materiał (osnowa) 7 jest podatny i charakteryzuje się zdecydowanie niższymi wartościami modułu Younga E2. Korzystne jest, aby stosunek modułów Younga obydwu materiałów E1/E2 > 100. Materiał okładzin oraz warstwy rozdzielającej może być dowolnym materiałem o wysokiej sztywności np. może być tym samym materiałem co materiał zbrojenia rdzenia płyty.The unit cell of the cores of the five-layer plate is shown in Fig. 3 and Fig. 4, The cores of the plate consist of two materials, the reinforcement 6 being made of a material of high stiffness (high Young's modulus - E1, e.g. steel), while the other material ( matrix) 7 is compliant and is characterized by significantly lower values of Young's modulus E2. It is preferred that the ratio of Young's modulus of both materials E1 / E2> 100. The material of the facing and the separation layer may be any high stiffness material e.g. it may be the same material as the reinforcement material of the panel core.

Płyta pięciowarstwowa z rdzeniami z kompozytu auksetycznego zaproponowana w wynalazku charakteryzuje się wysoką sztywnością oraz dobrymi właściwościami tłumiącymi, co pozwala na zastosowanie jej w do konstrukcji poszycia kadłubów oraz do budowy ścian i dachów hal budowanych w technologii wykorzystującej płyty warstwowe.The five-layer panel with auxetic composite cores proposed in the invention is characterized by high stiffness and good damping properties, which allows it to be used in the construction of hull plating and for the construction of walls and roofs of halls built in the technology using sandwich panels.

Zastrzeżenie patentowePatent claim

Claims

Patent claim

1. A five-layer panel composed of two layers of the outer cladding and the inner layer separating the two core layers, characterized in that the two core layers are made of auxetic composite, the spatial orientation of the strands within one core is the same, while the orientation of the cores is different, i.e. that the cores are rotated in relation to each other in the plate plane by the angle β e (0, -π / 2) -Ι moreover, the composite cores are filled with one of the two materials in their entire volume, and the Young's modulus of the materials used differ from each other in such a way that the reinforcement material is characterized by at least one hundred times higher Young's modulus than the matrix material, and the core reinforcement structure has a shape ensuring auxetic properties, which means that the characteristic dimension H is smaller than the B dimension, and the B dimension is smaller than the A dimension.