PL239609B1 - Płyta pięciowarstwowa z dwoma rdzeniami wykonanymi z kompozytu auksetycznego - Google Patents

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.

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.

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.

Znane materiały auksetyczne wykazują ujemny współczynnik Poissona we wszystkich kierunkach lub w wybranych np. tylko wzdłuż jednego kierunku lub w jednej płaszczyźnie.

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.

Istotą wynalazku jest konstrukcja płyty pięciowarstwowej zbudowana z dwóch warstw okładziny zewnętrznej, dwóch warstw rdzenia, oraz rozdzielającej warstwy rdzenia warstwy wewnętrznej.

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.

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.

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.

PL 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.

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.

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.

Zastrzeżenie patentowe

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Płyta pięciowarstwowa zbudowana z dwóch warstw okładziny zewnętrznej, dwóch warstw rdzenia, oraz rozdzielającej warstwy rdzenia warstwy wewnętrznej, znamienna tym, że warstwy rdzenia wykonane są z kompozytu auksetycznego, przy czym kompozytowe rdzenie w całej objętości wypełnione są jednym z dwóch materiałów, nadto 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, przy czym 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.