專利名稱：由連續(xù)線材直接編織的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及其制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及由連續(xù)線材形成的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)及其制造方法。尤其是，本發(fā)明涉及這樣一種網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中六個定向線材組在三維空間中以60度或120度角相互交叉，由此構(gòu)造與標準Octet和Kagome桁架相似并且具有例如強度、剛度等的良好機械性能的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還涉及以成本低廉的方式大規(guī)模生產(chǎn)上述三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。
背景技術(shù)：
通常，金屬泡沫已知為典型的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。該金屬泡沫是通過在液態(tài)或半固態(tài)金屬的內(nèi)部產(chǎn)生氣泡(閉孔)或通過將金屬澆鑄到由發(fā)泡樹脂制成的模具中(開孔)來制造的。
然而，這些金屬泡沫具有相對差的機械性能，例如強度和剛度。另外，由于其制造成本高，除了特殊目的例如空間工業(yè)或航空工業(yè)之外，其不能廣泛地用在實踐中。
作為上述金屬泡沫的替代材料，具有周期桁架網(wǎng)格的開孔式輕質(zhì)結(jié)構(gòu)已被開發(fā)出來。通過精確的數(shù)學和機械分析對該開孔式輕質(zhì)結(jié)構(gòu)進行設計以便使其具有最佳的強度和剛度，并因此使其具有良好的機械性能。用Octet桁架例示典型的桁架結(jié)構(gòu)，其中正四面體和正八面體相結(jié)合(參見R.Buckminster Fuller，1961，美國專利2,986,241)。
該桁架的每個單元均形成等邊三角形，因此在強度和剛度上具有優(yōu)勢。近來，作為Octet桁架的改型，Kagome桁架已被報道(參見S.Hyun，A.M.Karlsson，S.Torquato，A.G. Evans，2003.Int.J.of Solids andStructures，Vol.40，pp.6989-6998)。
參考圖1，比較二維Octet桁架101和二維Kagome桁架102，也就是說，與Octet桁架101的單位網(wǎng)格101a不同，Kagome桁架102的單位網(wǎng)格102a在每個表面上具有混和的等邊三角形和正六邊形。圖2和3分別顯示了三維Octet桁架201和三維Kagome桁架202的單層。
比較三維Octet桁架201的單位網(wǎng)格201a和三維Kagome桁架202的單位網(wǎng)格202a，三維Kagome桁架202的一個重要特征是其具有各向同性的機械性能。因此，不管其取向如何，基于Kagome桁架的結(jié)構(gòu)材料或其它材料具有均勻的機械和電性能。
另一方面，幾種方法已經(jīng)用于制造桁架式網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。首先，由樹脂形成桁架結(jié)構(gòu)，然后使用桁架結(jié)構(gòu)作為鑄模澆鑄金屬(見S.Chiras，D.R.Mumm，N.Wicks，A.G. Evans，J.W. Hutchinson，K.Dharmasena，H.N.G.Wadley，S.Fichter，2002，International Journal ofSolids and Structures，Vol.39，pp.4093-4115)。
其次，通過在薄金屬板中形成周期孔(periodic hole)來形成金屬網(wǎng)，通過卷曲該金屬網(wǎng)形成桁架芯，然后將面板彎曲到其上部和下部(見D.J.Sypeck and H.N.G. Wadley，2002，Advanced EngineeringMaterials，Vol.4，pp.759-764)。此時，在制造具有多于一層的多層結(jié)構(gòu)的情況下，另一個卷曲的桁架芯被置于上面板的上面而且另一個上面板再被安置在第二個芯的上面。在第三種方法中，首先使用彼此垂直的兩組定向線材編織線材網(wǎng)，然后層壓和結(jié)合該線材網(wǎng)(見D.J.Sypeckand H.G.N.Wadley，2001，J.Mater.Res.，Vol.16，pp.890-897)。
在第一個方法中，其制造過程復雜，導致制造成本增加。只有具有良好可鑄性的金屬可以應用，因此應用受到限制。得到的材料往往具有鑄造缺陷和欠缺的機械性能。在第二個方法中，在薄金屬板中制造周期孔的過程導致了材料的損耗。此外，即使在具有單層桁架的夾層板材的制造中沒有出現(xiàn)特別的問題，但必須重復層壓和結(jié)合桁架芯和面板以便制造多層結(jié)構(gòu)，由此產(chǎn)生許多結(jié)合點，這在結(jié)合成本和強度方面產(chǎn)生了不利的情況。
從另一方面來說，在第三個方法中，形成的桁架基本上不具有標準正四面體或棱錐形狀，因此具有較差的機械強度。與第二個方法相似，為了制造多層結(jié)構(gòu)必須包括層壓和結(jié)合，因此對于結(jié)合成本和強度是不利的。
圖4顯示了由第三個方法制造的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其通過層壓線材網(wǎng)而形成。已知該方法能夠降低制造成本，但是兩個方向的線材象織物一樣編織，因此不能提供具有如同上述三維Octet桁架201或三維Kagome桁架202那樣的具有最佳機械和電性能的理想桁架結(jié)構(gòu)。因此，由于許多部分被結(jié)合，其在成本和強度上是不利的。
順便說一下，以薄二維層的形式制造普通的纖維加強復合材料，當需要厚材料時對其進行層壓。然而，由于多層之間的脫層現(xiàn)象，其強度往往會降低。因此，首先將纖維編織成三維結(jié)構(gòu)，然后使例如樹脂、金屬等的基體與該結(jié)構(gòu)相結(jié)合。圖5是三維纖維加強復合材料中的編織纖維的透視圖。如圖5所示，可以將代替纖維的材料(例如具有高硬度的金屬絲)編織成三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。然而，其也不具有上述的標準Octet或Kagome桁架結(jié)構(gòu)，因此其具有降低的機械強度和各向異性的材料性質(zhì)。因此，使用三維編織纖維的復合材料會具有較差的機械性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明用于解決現(xiàn)有技術(shù)中出現(xiàn)的上述問題，而且本發(fā)明的目的是提供三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中六個定向線材組在三維空間中以60度或120度角相互交叉，由此構(gòu)造與標準Octet和Kagome桁架相似的并且具有例如強度、剛度等的良好機械性能的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的另一個目的是提供以成本低廉的方式大規(guī)模生產(chǎn)該三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。
以將連續(xù)線材直接編織成三維結(jié)構(gòu)的方式來構(gòu)造本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，而不是簡單地層壓和結(jié)合平面線材網(wǎng)。因此，本發(fā)明的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)與標準Octet和Kagome桁架非常相似，因此表現(xiàn)出良好的機械和電性能。
為了達到上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供由在三維空間中以60度或120度角相互交叉的六組定向連續(xù)線材形成的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格包含由第一到第六線材形成的第一正四面體單元，該第一正四面體單元通過以下方式構(gòu)造第一線材、第二線材和第三線材在平面中交叉形成等邊三角形，第四線材與第二線材和第三線材的交叉點交叉，第五線材與第一線材和第二線材的交叉點交叉，第六線材與第三線材和第一線材、第四線材、第五線材的交叉點交叉，第六線材在單個的基準交叉點上相互交叉；在基準交叉點上與第一正四面體單元接觸并且具有與第一正四面體相似的形狀的第二正四面體單元，該第二正四面體通過以下方式構(gòu)造第四線材、第五線材和第六線材經(jīng)過基準交叉點并進一步延伸，一組線材中的每一根與選自延伸的第四、第五和第六線材中的兩根線材交叉，該線材組分別與第一線材、第二線材和第三線材平行；其中所述線材以60度或120度相互交叉，而且以三維模式重復該單位網(wǎng)格，由此形成桁架式結(jié)構(gòu)。
在六組定向線材中，當從頂點的前面觀察時，形成第一或第二正四面體單元頂點的三組定向線材可以順時針或逆時針交叉。
優(yōu)選第一和第二正四面體單元可以具有1∶1的相似比。
另外，第一和第二正四面體單元可以具有1∶1到1∶10的相似比。
線材可以選自金屬、陶瓷、合成樹脂和纖維加強合成樹脂。
線材的交叉點優(yōu)選可以通過任何一種選自液體粘合劑或噴霧型粘合基、硬釬焊、軟釬焊和焊接的方法結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供通過用樹脂、陶瓷或金屬填充根據(jù)本發(fā)明的三維線材編織網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間而制造的加強復合材料。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供通過用樹脂、陶瓷或金屬填充第一和第二正四面體單元中的較小正四面體單元的空間而制造的加強復合材料，該第一和第二正四面體單元構(gòu)成了本發(fā)明三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供制造由在三維空間內(nèi)以60度或120度角互相交叉的定向連續(xù)線材形成的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法。本發(fā)明的方法包括以下步驟通過在平面中使第一線材、第二線材和第三線材交叉形成等邊三角形；通過交叉第四線材與第二線材和第三線材，交叉第五線材與第一線材和第二線材，交叉第六線材與第三線材和第一線材，和通過單個基準交叉點交叉第四線材、第五線材、第六線材來形成第一正四面體單元；通過使第四線材、第五線材和第六線材經(jīng)過和延伸通過基準交叉點，然后使線材組中的每一個與選自延伸的第四、第五和第六線材的兩根線材交叉，該線材組分別與第一、第二和第三線材平行，形成在基準交叉點與第一正四面體單元接觸并具有與第一正四面體相似的形狀的第二正四面體；重復形成第一和第二正四面體單元，由此形成桁架式結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的方法中，在六組定向線材中，當從頂點的前面觀察時，形成第一或第二正四面體單元頂點的三組定向線材可以順時針或逆時針交叉。
在本發(fā)明的方法中，優(yōu)選，第一和第二正四面體單元可以具有1∶1的相似比。
此外，第一和第二正四面體單元可以具有1∶1到1∶10的相似比。
在本發(fā)明的方法中，線材可以選自金屬、陶瓷、合成樹脂和纖維加強合成樹脂。
本發(fā)明的方法還可以包括結(jié)合線材交叉點的步驟，其中線材交叉點可以通過任何一種選自液體粘合劑或噴霧型粘合劑、硬釬焊、軟釬焊和焊接的方法結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方法，提供通過用樹脂、陶瓷或金屬填充根據(jù)本發(fā)明的方法制造的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間而制造加強復合材料的方法。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供通過用樹脂、陶瓷或金屬填充第一和第二正四面體單元中的較小正四面體單元的空間而制造加強復合材料的方法，該第一和第二正四面體單元構(gòu)成了根據(jù)本發(fā)明方法制造的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有與標準Kagome或Octet桁架相似的形狀，因此具有良好的材料性能，能夠以連續(xù)和成本低廉的方式制造。
常規(guī)技術(shù)中，首先制造各層結(jié)構(gòu)，然后層壓或澆鑄成三維結(jié)構(gòu)。因此，由于其制造過程不連續(xù)，該常規(guī)技術(shù)在制造成本上是不利的。根據(jù)本發(fā)明，桁架式的三維結(jié)構(gòu)可以通過將連續(xù)線材編織成織物的全程方法連續(xù)制造，由此能夠大規(guī)模生產(chǎn)并降低成本。


本發(fā)明的進一步的目的和優(yōu)點可以由以下詳細說明結(jié)合附圖而更完整地理解，其中圖1是對常規(guī)的兩個桁架結(jié)構(gòu)進行比較的二維視圖，即，Octet桁架和Kagome桁架；圖2顯示了常規(guī)Octet桁架結(jié)構(gòu)中的單層平面圖和側(cè)視圖及其單位網(wǎng)格的透視圖；圖3顯示了常規(guī)Kagome桁架結(jié)構(gòu)中的單層平面圖和側(cè)視圖及其單位網(wǎng)格的透視圖；圖4是根據(jù)常規(guī)技術(shù)通過層壓線材網(wǎng)而制造的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖；圖5是顯示根據(jù)常規(guī)技術(shù)通過編織纖維而制造的纖維加強復合材料的三維透視圖和詳細結(jié)構(gòu)；圖6是由三個定向平行線材組構(gòu)成的與圖1中的二維Kagome桁架相似的線材編織網(wǎng)的平面視圖；圖7是當圖6的二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成與圖3中三維Kagome桁架相似的三維結(jié)構(gòu)時，對應于圖6中A部分的單位網(wǎng)格的透視圖；圖8是使用六個定向線材組構(gòu)造單位網(wǎng)格時，對應于圖3中的一個Kagome桁架的單位網(wǎng)格的透視圖；圖9是顯示使用六個定向線材組制造的Kagome桁架式三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖；圖10是從不同角度看到的圖9的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖；圖11是從頂點的前面觀察該頂點時，由圖9結(jié)構(gòu)中的三個定向線材組形成的正四面體頂點的透視圖；圖12是由圖11中的不同線材交叉方式形成的單位網(wǎng)格的透視圖；圖13是所述結(jié)構(gòu)在線材的交叉點之間的長度不同時，Octet桁架式三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖；圖14是圖13結(jié)構(gòu)中的單位網(wǎng)格的透視圖；和圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造過程的流程圖。
具體實施例方式
下面將參照附圖詳細描述本發(fā)明。
圖6是由三個定向平行線材組構(gòu)成的與圖1中二維Kagome桁架相似的線材編織網(wǎng)的平面圖，圖7是當圖6的二維結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成與圖3中三維Kagome桁架相似的三維結(jié)構(gòu)時，對應于圖6中A部分的單位網(wǎng)格的透視圖，圖8是使用六個定向線材組構(gòu)造單位網(wǎng)格時，對應于圖3中的一個Kagome桁架的單位網(wǎng)格的透視圖，圖9是顯示使用六個定向線材組制造的Kagome桁架式三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖，圖10是從不同角度所看到的圖9的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖，圖11是從頂點的正面觀察該頂點時，由圖9結(jié)構(gòu)中的三個定向線材組形成的正四面體頂點的透視圖，圖12是由圖11中的不同線材交叉方式形成的單位網(wǎng)格的透視圖，圖13是所述結(jié)構(gòu)在線材的交叉點之間長度不同時，Octet桁架式三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的透視圖，圖14是圖13結(jié)構(gòu)中的單位網(wǎng)格的透視圖，以及圖15是顯示根據(jù)本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制造過程的流程圖。
首先，本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的構(gòu)造將在下面說明。
圖6是由三個定向線材組1、2和3構(gòu)成的線材編織網(wǎng)的平面圖，其與圖1中二維Kagome桁架相似。在該網(wǎng)中，使用線材組1、2和3在三個軸向上編織，每個交叉點的兩條線以60度或120度交叉。構(gòu)成Kagome桁架的每個桁架元件被連續(xù)線材替代，因此，除了連續(xù)線材在其每個交叉點交叉時產(chǎn)生的曲率外，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)與標準的Kagome桁架非常相似。
圖7是圖6中由A標記的部分的三維視圖。彼此相對的等邊三角形被轉(zhuǎn)化成正四面體，并且三根線材而不是兩根線材以60度或120度相互交叉。該結(jié)構(gòu)由六個定向線材組4-9構(gòu)造，其被布置成在三維空間中彼此具有相同的方位角。
由六個定向線材組4-9組成的單位網(wǎng)格通常包括兩個具有相似形狀的正四面體單元，其對于共同的頂點是對稱的并且彼此相對。該單位網(wǎng)格的結(jié)構(gòu)將在下面詳細描述。
線材組4、5和6在平面上相互交叉以形成等邊三角形。線材7交叉線材5和線材6的交叉點，線材8交叉線材4和線材5的交叉點，線材9交叉線材6和線材4的交叉點。在這里，線材組6、9和7相互交叉以形成等邊三角形，線材組4、8、9相互交叉以形成等邊三角形，線材組5、7、8相互交叉以形成等邊三角形。因此，六個定向線材組4-9排列形成正四面體單元(第一正四面體)。
以這樣的方法將其它線材組4′、5′和6′配置為置于第一正四面體單元的頂點(基準頂點)之上，其由位于線材組4、5和6相互交叉的平面之上的線材組7、8和9交叉形成。將具有和線材組4、5和6相同定向的其它線材組4′、5′和6′布置為使的其中的每一個均與選自線材組7、8和9的兩根線材交叉以便由此形成等邊三角形。因此，將線材組4′、5′、6′、7、8和9布置為形成另一個正四面體單元(第二正四面體)。因此，三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)10的單位網(wǎng)格由由線材組4、5、6、7、8和9形成的第一正四面體單元和由線材組4′、5′、6′、7、8和9形成的第二正四面體單元組成。第一和第二正四面體單元分別被構(gòu)造為在由線材組7、8和9形成的交叉點的上面和下面而且彼此相對。在這里，第一和第二正四面體單元具有相似的形狀。如果相似比(長度比值)為1∶1，其構(gòu)成了與Kagome桁架相似的結(jié)構(gòu)。如果相似率遠高于1∶1，第一正四面體單元遠小于第二正四面體單元，直到被看作單個點的程度，則由此形成與Octet桁架相似的結(jié)構(gòu)。
在本發(fā)明的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有與Octet桁架相似的結(jié)構(gòu)的情況下，較小的四面體單元與較大的四面體單元的相似比優(yōu)選低于1∶10。如果相似比高于1∶10，線材必須被彎曲以形成小半徑的曲率以便構(gòu)造較小的正四面體單元，由此導致不易制成該結(jié)構(gòu)。此外，構(gòu)成較大的四面體單元的邊緣線材變得過于細長，這會產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象。
為了以三維連續(xù)模式形成大量的單位網(wǎng)格10，線材被布置為在由線材組4-9形成的正四面體單元的每一個其它頂點上構(gòu)造相反的正四面體單元。因此，三維網(wǎng)格輕質(zhì)桁架結(jié)構(gòu)可以以在三維空間重復形成并結(jié)合上述單位網(wǎng)格的方式構(gòu)造。
因此，與圖3所示的一個三維Kagome桁架相似的單位網(wǎng)格可以通過六個定向線材的上述線材排列構(gòu)造，其顯示在圖8中。
圖9圖示了三維Kagome桁架集合體，其使用線材以上述方式構(gòu)造。其顯示了桁架式的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)11，其中圖7或8中的單位網(wǎng)格被重復結(jié)合。
如圖10所示，根據(jù)視向不同地顯示了桁架式的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)11。尤其是，圖10底部的圖幾乎與二維Kagome桁架相似，而且從六個定向線材組中的一根線材的方向觀察。也就是說，當沿著六根線材中的每根線材的軸向觀察時，本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)11顯示為同樣的形狀，上述六根線材以同樣的角度(60度或120度)相互交叉。
三根線材交叉的每個交叉點相應于正四面體單元的頂點。如圖11所示，當從頂點的右前方觀察時，線材以兩種不同的模式交叉。如圖11上部和下部的圖所分別顯示的，三根線材可以以順時針或者逆時針重疊的方式交叉。在線材以順時針重疊的模式交叉的情況下，構(gòu)成單位網(wǎng)格的正四面體具有如圖12的上部圖所示的凹面形狀。如果線材以逆時針重疊的模式交叉，單元網(wǎng)格具有凸面形狀。然而，兩種情況都可以形成作為本發(fā)明目的的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，并具有與下面所述的標準Kagome桁架或Octet桁架相似的結(jié)構(gòu)。
順便說一句，圖10所示的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)在所有交叉點之間具有相同長度的線材。如果正四面體單元的一個邊緣的線材長度較短，而它鄰近正四面體單元的一個邊緣的線材長度相對地較長，那么可以獲得與圖2的標準Octet桁架相似的結(jié)構(gòu)。在這種情況下，構(gòu)成網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格的這兩個正四面體單元的相似比不為1∶1。
圖13圖示了與上述Octet桁架相似的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)12。
圖14是圖13的單位網(wǎng)格的放大透視圖，其中較小的四面體單元和較大的四面體單元彼此相對。在應用粘合劑以將線材固定在原位的情況下，較小四面體單元的內(nèi)部空間被粘合劑填滿并因此充當Octet桁架的單位網(wǎng)格13的頂點。
根據(jù)本發(fā)明，制造三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法將在下文描述。
圖15是顯示本發(fā)明三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的制備過程的流程圖。根據(jù)本發(fā)明的制造方法，通過在平面上交叉三根線材4、5和6形成基本的等邊三角形。然后，用下述方式構(gòu)造基本的正四面體(第一正四面體單元)線材7交叉線材5和6的交叉點，線材8交叉線材4和5的交叉點，線材9交叉線材6和4的交叉點，三根線材6、9和7交叉以形成等邊三角形，三根線材4、8和9交叉以形成等邊三角形，三根線材5、7和8交叉以形成等邊三角形。接下來，在由線材4-9形成的第一四面體單元的頂點上方，通過交叉三根線材4′、5′和6′形成另一個基本的等邊三角形，三根線材4′、5′和6′的每根線材具有分別與線材4、5和6相同的定向。
此后，用下述方式構(gòu)造另一個正四面體(第二正四面體單元)三根線材4′、8和9、三根線材5′、7和8、以及三根線材6′、9和7分別交叉以便形成等邊三角形。因此，在由三根線材7、8和9形成的交叉點(頂點)的兩側(cè)，第一四面體單元(由線材4、5、6、7、8和9形成)和第二四面體單元(由線材4′、5′、6′、7、8和9形成)構(gòu)造為彼此相對并形成單位網(wǎng)格。在與上面相同的方式中，線材被布置為使得相反的四面體單元可以在由六根線材4-9形成的第一正四面體單元的其它頂點上形成，因此可以重復形成大量的單位網(wǎng)格，由此制造本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。在這種情況下，第一和第二四面體單元具有相似的形狀。在其相似率為1∶1的情況下，其形成了相似于Kagome桁架的結(jié)構(gòu)。如果相似率遠高于1∶1，其形成了相似于上述的Octet桁架的結(jié)構(gòu)。
桁架式三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的線材材料不受特別的限制，但可以使用金屬、陶瓷、纖維、合成樹脂、纖維加強合成樹脂等。
另外，上述線材4、5、6、4′、5′、6′、7、8和9之間的交叉點可以被堅固地結(jié)合。在這種情況下，結(jié)合方式不受特別的限制，但可以使用液體或噴霧型粘合劑、硬釬焊、軟釬焊、焊接等。
此外，線材的直徑和網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的尺寸不受限制。例如，可以使用直徑10毫米的鐵棒以便構(gòu)造用于建筑物的結(jié)構(gòu)材料等。
另一方面，如果使用幾毫米的線材，得到的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可以用作用于加強復合材料的框架結(jié)構(gòu)。例如，用作本發(fā)明的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎框架，可以將液態(tài)或半固態(tài)樹脂或金屬填充到該結(jié)構(gòu)的空間中，然后固化，由此制備具有良好的剛度和韌度的塊狀加強復合材料。
此外，在使用圖12所示的Octet型三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的情況下，可以用樹脂或金屬填充構(gòu)成單位網(wǎng)格的兩個四面體單元中的較小的那個以便制備多孔的加強復合材料。該加強復合材料是各向同性的或近似各向同性的，因而具有與其定向無關的均勻的材料性質(zhì)。因此，其可以切割成任何任意形狀。并且，所述線材在所有的方向上被鎖定，因此防止了在傳統(tǒng)的復合材料中出現(xiàn)的例如線材的脫層或拔出的損傷。工業(yè)實用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明，具有與標準Kagome或Octet桁架相似的形狀并因而具有良好的材料性質(zhì)的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)可以以連續(xù)的和成本低廉的方式制造。
在常規(guī)技術(shù)中，首先制造每層結(jié)構(gòu)，然后層壓或澆鑄成三維結(jié)構(gòu)。因此，常規(guī)技術(shù)由于其不連續(xù)的過程在制造成本上是不利的。根據(jù)本發(fā)明，借助將連續(xù)線材編織成織物的全程方法連續(xù)制造桁架式三維結(jié)構(gòu)，由此能夠大規(guī)模的生產(chǎn)并降低成本。
當參考特別闡明的實施方式描述本發(fā)明時，其不受實施方式的限制而僅受所附權(quán)利要求的限制。在不脫離本發(fā)明的范圍和實質(zhì)的情況下，對實施方式的改變和修改對本領域技術(shù)人員來說是顯而易見的。
權(quán)利要求
1.三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其由在三維空間中以60度或120度角相互交叉的六組定向連續(xù)線材形成，該網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格包括a)由第一到第六線材形成的第一正四面體單元，該第一正四面體單元由以下方式構(gòu)造第一線材4、第二線材5和第三線材6在平面中交叉形成等邊三角形，第四線材7與第二線材5和第三線材6的交叉點交叉，第五線材8與第一線材4和第二線材5的交叉點交叉，并且第六線材9與第三線材6和第一線材4、第四線材7、第五線材8的交叉點交叉，第六線材9在單個的基準交叉點上相互交叉；和b)在基準交叉點上與第一正四面體單元接觸并且具有與第一正四面體單元相似的形狀的第二正四面體單元，該第二正四面體單元通過以下方式構(gòu)造第四線材7、第五線材8和第六線材9經(jīng)過基準交叉點并進一步延伸，線材組4′、5′和6′中的每一根均與選自延伸的第四、第五和第六線材的兩根線材交叉，所述線材組4′、5′和6′分別與第一線材4、第二線材5和第三線材6平行；c)其中所述線材以60度或120度相互交叉，而且該單位網(wǎng)格以三維模式重復，由此形成桁架式結(jié)構(gòu)。
2.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中，在所述六組定向線材中，當從頂點的前方觀察時，形成所述第一或所述第二正四面體單元頂點的三組定向線材順時針或逆時針交叉。
3.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二正四面體單元具有1∶1的相似比。
4.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述第一和第二正四面體單元具有1∶1到1∶10的相似比。
5.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述線材是選自金屬、陶瓷、合成樹脂和纖維加強合成樹脂中的任意一種。
6.如權(quán)利要求1所述的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)，其中所述線材的交叉點通過選自液體或噴霧型粘合劑、硬釬焊、軟釬焊和焊接的任意一種方法結(jié)合。
7.加強復合材料，其通過用樹脂、陶瓷或金屬填充根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間來制備。
8.加強復合材料，其通過用樹脂、陶瓷或金屬填充構(gòu)成根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格的第一和第二正四面體單元中的較小正四面體單元的空間來制備。
9.制造三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的方法，該線材由在三維空間中以60度或120度角相互交叉的六組定向連續(xù)線材形成，該方法包括以下步驟a)通過在平面中交叉第一線材4、第二線材5和第三線材6形成等邊三角形；b)通過交叉第四線材7與第二線材5和第三線材6，交叉第五線材8與第一線材4和第二線材5，交叉第六線材9與第三線材6和第一線材4、交叉第四線材7、第五線材8，第六線材9通過單個基準交叉點來形成第一正四面體單元；c)通過將第四線材7、第五線材8和第六線材9經(jīng)過和延伸通過基準交叉點，使線材組4′、5′和6′中的每一根與選自延伸的第四、第五和第六線材的兩根線材交叉，而且所述線材組4′、5′和6′分別與第一線材4、第二線材5和第三線材6平行，形成在基準交叉點與第一正四面體單元接觸并具有與第一正四面體單元相似的形狀的第二正四面體單元；和d)重復形成第一和第二正四面體單元，由此形成桁架式結(jié)構(gòu)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在所述六組定向線材中，當從頂點的前方觀察時，形成所述第一或第二正四面體單元頂點的三組定向線材順時針或逆時針交叉。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一和第二正四面體單元具有1∶1的相似比。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述第一和第二正四面體單元具有1∶1到1∶10的相似比。
13.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述線材是選自金屬、陶瓷、合成樹脂和纖維加強合成樹脂中的任意一種。
14.如權(quán)利要求9所述的方法，進一步包括結(jié)合線材交叉點的步驟，其中所述線材的交叉點通過選自液體或噴霧型粘合劑、硬釬焊、軟釬焊和焊接的任意一種方法結(jié)合。
15.制造加強復合材料的方法，其用樹脂、陶瓷或金屬填充根據(jù)權(quán)利要求9-14中任一項制造的三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的空間。
16.制造加強復合材料的方法，其用樹脂、陶瓷或金屬填充構(gòu)成根據(jù)權(quán)利要求12制造三維線材編織的網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的單位網(wǎng)格的第一和第二正四面體單元中的較小正四面體單元的空間。
全文摘要
本文公開了由連續(xù)線材組形成的三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。在該網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)中，六個定向線材組在三維空間中以60或120度角相互交叉，由此構(gòu)造與標準Octet或Kagome桁架相似的具有例如強度、剛度等的良好機械性能的結(jié)構(gòu)。還公開了以成本低廉的方式大規(guī)模生產(chǎn)該結(jié)構(gòu)的方法。該三維網(wǎng)格輕質(zhì)結(jié)構(gòu)具有與標準Octet或Kagome桁架相似的形態(tài)。當需要時，線材的交叉點通過焊接、硬釬焊、軟釬焊、或液體－或－噴霧型粘合劑的方式結(jié)合，以便提供具有輕重量和良好機械強度和剛度的結(jié)構(gòu)材料，通過填充該結(jié)構(gòu)的部分或整個內(nèi)部空間可以將其制成纖維加強復合材料。
文檔編號B21F27/00GK1874859SQ200480032465
公開日2006年12月6日 申請日期2004年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月7日
發(fā)明者姜基洲, 李庸賢 申請人:姜基洲, 李庸賢