PL239609B1

PL239609B1 - A five-layer plate with two cores made of auxetic composite

Info

Publication number: PL239609B1
Application number: PL419206A
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: PL419206A1

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 (3, 4) oraz warstwy rozdzielającej rdzenie (5), 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 (3, 4) and a layer separating the cores (5), where each of the cores may consist of one or more strands.

Description

Przedmiotem wynalazku jest płyta pięciowarstwowa z rdzeniami wykonanym i 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. Takie płyty warstwowe, wykorzystywane są szeroko przede wszystkim w przemyśle budowlanym, składają się z rdzenia wykonanego z metalu, najczęściej ze stali, gdyż jest to materiał o dużej sztywności a więc wysokim module Younga. Jako okładziny natomiast wykorzystane są typowe materiały do produkcji płyt warstwowych lub inny charakteryzujący się sztywnością tego samego rzędu np. blacha stalowa czy zbrojny laminat.The present invention relates to a five-layer panel with cores made of and of a two-phase composite structure characterized by a negative Poisson's ratio in at least one principal direction. A plate is understood here as a structural element (solid), one of the dimensions (thickness) of which is much smaller than the other two. A five-layer board consists of five layers: two outer layers (claddings), two core layers and a core separating layer, where each core may consist of one or more strands. Such sandwich panels are widely used primarily in the construction industry, consist of a core made of metal, most often steel, because it is a material with high stiffness, and thus high Young's modulus. As claddings, typical materials for the production of sandwich panels or other materials of the same order of stiffness, e.g. steel sheet or reinforced laminate, are used.

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 2012/31545 6A1. 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., Matuszewski, 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 2012/31545 6A1. 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. There are known results of simulation studies on composite materials, in which one of the phases is a material with a negative Poisson's ratio or two-phase auxetic materials, as shown in the publications of: Strek, T., Jopek, H., Matuszewski, 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 that differ from each other both in the amount and type of materials used, and in 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 zbudowana z dwóch warstw okładziny zewnętrznej, dwóch warstw rdzenia, oraz rozdzielającej warstwy rdzenia warstwy wewnętrznej.The essence of the invention is the construction of a five-layer panel consisting of two layers of external cladding, two layers of a core, and a separating core layer of an internal layer.

Warstwy rdzenia wykonane są z kompozytu auksetycznego, co oznacza, że rdzenie charakteryzują się ujemnym współczynnikiem Poissona w co najmniej jednym kierunku w płaszczyźnie przekroju płyty.The core layers are made of auxetic composite, which means that the cores have a negative Poisson's ratio in at least one direction in the plate cross-sectional plane.

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 fully filled with materials, without any voids (filling defects and pores present 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, że 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 dimension B, and the dimension B is smaller than the dimension A.

PL 239 609 B1PL 239 609 B1

Wynalazek w przykładzie realizacji przedstawiono na rysunku, na którym fig. 1 i fig. 2 prezentują geometrię płyty. Rdzenie płyty 3 i 4 umieszczone są następująco: jeden rdzeń pomiędzy okładziną 1 i warstwą rozdzielającą 5, natomiast drugi rdzeń pomiędzy warstwą rozdzielającą 5 a okładziną 2. Auksetyczny kompozyt stanowiący materiał rdzeni jest materiałem periodycznym, w którym pojedyncza 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 invention is illustrated in an exemplary embodiment in the drawing, in which Figs. 1 and 2 show the geometry of the plate. The cores of the panel 3 and 4 are placed as follows: one core between the cladding 1 and the separating layer 5, while the other core between the separating layer 5 and the cladding 2. The auxetic composite constituting the core material is a periodic material in which a single unit cell repeats in both directions of the cross-section the transverse core of the board forming strips, but it does not change its shape along the third dimension (board length). One strand is the part of the core where 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.

Komórka elementarna rdzenia płyty pięciowarstwowej przedstawiona została na fig. 3 i fig. 4. Rdzenie płyty składają się z dwóch materiałów, przy czym zbrojenie 6 wykonane jest z materiału o dużej sztywności (wysoki moduł Younga - E1 np. stali), 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 jak i warstwy rozdzielającej może być dowolnym materiałem o wysokiej sztywności np. może być tym samym materiałem co materiał zbrojenia rdzenia płyty.The elementary cell of the core 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 core of the panel.

Płyta pięciowarstwowa z rdzeniem z kompozytu auksetycznego zaproponowana w wynalazku charakteryzuje się wysoką sztywnością oraz dobrymi właściwościami tłumiącymi, co pozwa la na zastosowanie jej w konstrukcji poszycia kadłubów oraz do budowy ścian i dachów hal budowanych w technologii wykorzystującej płyty warstwowe.The five-layer panel with an auxetic composite core 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 board composed of two layers of external cladding, two layers of the core, and a separating layer of the core of an internal layer, characterized in that the core layers are made of auxetic composite, and the composite cores are filled with one of the two materials in their entire volume, moreover the modules Young's materials 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 dimension B and dimension B is smaller than dimension A.