专利名称：一些内孔填充有固体材料的桁架式周期性多孔材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及轻型多孔材料，尤其涉及桁架(truss)式周期性多孔材料。通过用合 适的固体材料填充桁架中设置的一部分内孔，可以最大限度且有效地抑制桁架元件的屈 曲，并且即使意外地发生了屈曲，也可防止强度急剧下降，从而确保桁架式周期性多孔材料 具有足够的结构稳定性。
背景技术：
通常，多孔材料是指其中设置有多个内孔的相当轻且强度高的材料。传统上，树脂泡沫、金属泡沫和烧结陶瓷等作为这些多孔材料被公开，并且被广泛 应用于所需要的多种工业领域中。根据其中设置的内孔是否彼此连通，这些多孔材料可被 分为开放式或闭合式。
其尺寸、形状和结构排列均勻且规则的多孔材料尤其被归类为周期性多孔材料。近来，最近作为这种周期性多孔材料介绍了具有桁架结构的材料(H. N. GWadley， N.A.Fleck, A.G.Evans,2003, Composite Science and Technology, Vol. 63, pp.2331-2343)。如果精确地计算从而具有最佳强度，则桁架结构可具有与蜂窝格构相同的机械特 性。此外，由于该桁架结构的内部中空，因此，这些中空空间可以根据时机需要而被有利地 使用。作为最普通的桁架结构，图1中示出了金字塔型(pyramid)桁架。金字塔型桁架被 构造成使四个规则的三角形点阵形成围绕顶点对称地倾斜的平面，并且规则的四边形点阵 形成底部(或顶部)平面。这类金字塔型桁架可有利地用于形成方形板结构。如图1中所示的另一种桁架结构，八角(octet)桁架具有这样的结构，其中，规则 的四面体和规则的八面体的主体元件交替地结合，并且这些主体元件形成的每个平面均形 成等边三角形(R. Buckminster Fuller, 1961 年的美国专利 No. 2，986，241)。在二^^一世纪，已通过变形所述八角桁架研制出如图1中所示的Kagome桁架 (S. Hyun,A. M. Karlsson,S. Torquato,A. G. Evans,2003,Int J. of Solids and structures, Vol. 40，pp.6989-6998)。与金字塔型桁架或八角桁架相比，已知图1中例示的Kagome桁架具有较小的强度 各向异性，并且在抵抗屈曲、屈曲后抵抗变形的稳定性以及吸能性能方面优异。同时，诸如钢琴丝的金属丝可被有利地使用于需要大批量生产、容易加工和高强 度领域中。近来，考虑到上述金属丝的特性而研制出利用金属丝来制造桁架式多孔材料的 新方法。例如，在韩国注册专利No. 0566729、0633657、0700212和0767186以及韩国专利申 请No. 2006-00119233中详细地公开了通过使用金属丝来制造周期性多孔材料的方法。图 2至图6示出了通过以上列举出的专利和专利申请中公开的技术制造的周期性多孔材料的 形状。然而，以上列举出的专利和专利申请中公开的桁架式周期性多孔材料当它们接收外部压缩或剪切载荷时通过桁架元件的屈曲而倾斜从而使材料自身断裂。具体地，当桁架元件的长径比大，或者桁架的金属丝是诸如钢琴丝之类的高强度 金属、高强度纤维或者通常用于复合材料中的纤维增强塑料时，可能容易发生弹性屈曲。在 这样的弹性屈曲的情况下，周期性材料的强度趋于快速降低。从而，采用这种高强度金属 丝、纤维或纤维增强塑料的桁架式多孔材料的稳定性和用于变形能的吸震能力变得较小， 在构架中使用时不够。从而，由于在韩国专利注册No. 0708483和韩国专利申请No. 2006-0119233中公开 的桁架式多孔材料采用金属丝作为桁架元件并且这些金属丝应本能地螺旋状弯曲从而形 成桁架结构，因此，它们更容易受屈曲的影响，这需要被解决
发明内容
(技术问题)本发明的目的是提供一种桁架式周期性多孔材料，其中，通过用合适的固体材料 填充桁架中设置的一部分内孔，可以最大限度且有效地抑制桁架元件的屈曲，并且即使意 外地发生了屈曲，也可防止强度急剧下降，从而确保桁架式周期性多孔材料具有足够的结 构稳定性。(技术方案)本发明的第一方面提供一种三维桁架式周期性多孔材料，在该三维桁架式周期性 多孔材料中，周期性地形成有多个内孔，其特征在于，一部分内孔填充有固体材料。根据本发明的第二方面，所述内孔可以以相同尺寸或两种不同尺寸周期性地形 成。根据本发明的第三方面，所述内孔可以以相同尺寸周期性地形成，并且所述固体 材料可被填充到交替选出的一部分内孔中。根据本发明的第四方面，所述内孔可以以相同尺寸周期性地形成，从而形成规则 的六面体桁架。根据本发明的第五方面，所述内孔可以以两种不同尺寸周期性地形成，并且所述 固体材料可仅填充到尺寸较小的内孔中。根据本发明的第六方面，所述内孔可以以两种不同尺寸周期性地形成，并且桁架 的类型可以是从由金字塔型桁架、八角桁架、Kagome桁架、用金属丝编织的准Kagome桁架 或者用金属丝编织的准八角桁架构成的组中选择的任何一种类型。根据本发明的第七方面，所述固体材料可由从以下组中选择的一种材料固化而 成，该组由用于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂或液体金属构成。(有益效果)根据本发明所述的多孔材料，其中，周期性地形成有多个内孔并且一部分内孔填 充有固体材料，该多孔材料具有以下有益效果。首先，可以抑制当所述桁架式周期性多孔材料接收外部压缩或剪切载荷时桁架元 件发生屈曲。而且，通过即使在发生屈曲之后也防止周期性材料的强度快速下降，可以提高 作为构架的稳定性和对变形能的衰减能力。第二，由于尽管仅一部分内孔填充有固体材料，也可使所有桁架元件彼此约束，因此，可最大限度地抑制所述桁架元件的屈曲，并且可同时适当地保持内部孔隙率。第三，由于可以以简单且已知的技术(诸如软焊、硬焊和树脂结合)来制造所述桁架式周期性多孔材料，因此，可降低生产成本，并且可便于大批量生产。第四，通过采用将三维桁架在所述液体合成树脂或液体金属中变湿然后取出的方 法作为用固体材料填充一部分内孔的方法，可以有利地实现批量生产并降低成本，在该方 法中，液体合成树脂或液体金属由于重量、其粘性和在液态下的毛细现象而仅保留在较小 内孔中，并且通过自然/强制冷却或加热而固化。
图1是示出一层金字塔型桁架、八角桁架和Kagome桁架的结构的例示性立体图。图2是示出在韩国专利注册No. 0566729中公开的、采用金属丝作为桁架元件的多 层准八角桁架式周期性多孔材料的立体图。图3是示出在韩国专利注册No. 0633657中公开的、采用金属丝作为桁架元件的一 层准八角桁架式周期性多孔材料的立体图。图4是示出在韩国专利注册No. 0700212中公开的、采用预成形为螺旋弹簧状金属 丝的一层桁架式周期性多孔材料的立体图。图5是示出在韩国专利注册No. 0767186中公开的、采用金属丝作为桁架元件并且 设置在底板上的桁架式周期性多孔材料的立体图。图6是示出在韩国专利申请No. 2006-0119233中公开的、采用金属丝作为桁架元 件的多层准Kagome桁架式周期性多孔材料的立体图。图7是示出规则的六角形桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充 有固体材料。图8是示出金字塔型桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充有固 体材料。图9是示出八角桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充有固体材 料。图10是示出Kagome桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充有固 体材料。图11是示出采用连续金属丝作为桁架元件的准Kagome桁架式多孔材料的示例性 立体图，其中一部分内孔填充有固体材料。图12至14是示出用于制造根据本发明的实施方式的多孔材料的方法的流程图。
具体实施例方式以下，将参照附图详细地描述本发明的优选实施方式。本发明提供三维桁架式周期性多孔材料，在该周期性多孔材料中，周期性地形成 有多个内孔，并且一部分内孔填充有固体材料。填充一部分内孔的固体材料可以是用于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂、 金属、陶瓷或者其复合材料。在将用于软焊或硬焊的焊糊用作内孔的填充材料的情况下，该焊糊可优选地在通过注射布置在一部分内孔中之后，通过加热并熔化其内存在的填料金属而固化。而且，在采用液体合成树脂或金属用作内孔的填料的情况下，这些填料在通过注 射布置在一部分内孔中之后，可以经过预定时间而自然地固化，或者可通过强制加热或冷 却而固化。具体地，在内孔被设置成两种不同级别的情况下，例如对于三维Kagome桁架，可 通过使桁架在液体合成树脂或液体金属中变湿然后取出的方法来用填料填充桁架内的一 部分内孔。在该方法中，通过控制填料自身的特性(例如密度、粘性、表面张力和对桁架元 件的亲和性等)并通过利用毛细现象可使液体合成树脂或液体金属仅保留在较小的内孔 中。如上所述，一旦将填料布置在一部分内孔中，则可通过自然/强制冷却或加热而使填料 固化。根据本发明的实施方式，可以以下述方式在周期性地存在于三维桁架式多孔材料 内的一部分内孔中填充固体材料。在根据本发明的实施方式中，内孔可以以相同尺寸或两 种不同尺寸周期性地形成。这里，优选的是，用固体材料填充相对较小的孔而不是大的孔。(第一实施方式)图7是示出规则的六边形桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充 有固体材料。根据图7的第一实施方式，在上下左右方向上相继交替地选出的一部分内孔100 填充有固体材料200。尽管通常已知正则六面体桁架的结构稳定性相当低，但根据该实施方式的填料 200约束所有桁架元件，从而桁架元件自身的屈曲可被抑制，并且使得整个多孔材料的结构 稳定性可明显地提高。同时，由于全部内孔的四分之一被填充有固体材料，因此，多孔材料 的多孔性一定程度上降低。如上所述，还优选的是，在该实施方式中，填充一部分内孔100的固体材料200可 从由用于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂或液体金属构成的组中选择。(第二实施方式)图8是示出金字塔型桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充有固 体材料。根据图8的第二实施方式，在构成金字塔型桁架的锥体孔和四面体孔100之中仅 四面体孔填充有固体材料300。由于所有的桁架元件均受固体材料的约束，因此，桁架元件自身和整个多孔材料 的结构稳定性都明显提高。不利地，所有内孔100的整个容积的大约1/3被填充有固体材料300，因此其多孔 性也降低。在该实施方式中，与前述实施方式一样，填充一部分内孔100的固体材料300可从 由用于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂或液体金属构成的组中选择。(第三实施方式)图9是示出八角桁架式多孔材料的示例性立体图，其中一部分内孔填充有固体材 料。 根据图9的第三实施方式，在构成八角桁架的规则八面体孔和四面体孔100中仅四面体孔填充有固体材料400。由于所有桁架元件均受固体材料400的约束，因此，桁架元件自身和整个结构的 结构稳定性被明显提高。不利地，所有内孔100的整个容积的大约1/3被填充有固体材料400，因此其多孔 性也降低。并且在该实施方式中，与前述实施方式一样，填充一部分内孔100的固体材料 400可从由用于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂或液体金属构成的组中选择，这些材 料优选通过注射被嵌入到孔100中。根据关于八角桁架的另一个可行实施方式，可采用由金属丝形成并且设置有八面 体和准规则四面体的准八角桁架作为桁架式多孔材料。在该情况下，固体材料可优选地仅 填充呈准规则四面体形状的内孔。(第四实施方式)图10是示出Kagome桁架式多孔材料的示例性立体图，其中，一部分内孔填充有固 体材料。根据图10的第四实施方式，在构成Kagome桁架的八面体孔和规则四面体孔100 中仅四面体孔被填充有固体材料500。与前述实施方式一样，由于所有的桁架元件均受固体材料500约束，因此，桁架元 件自身和整个结构的结构稳定性都明显提高。在该实施方式中，所有内孔100的整个容积的大约1/24被填充固体材料500，因此 其多孔性也降低。在该实施方式中，多孔性的下降率比前述的第一至第三实施方式的多孔 性的下降率更大。类似地，与前述实施方式一样，填充一部分内孔100的固体材料500可从由用于软 焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂或液体金属构成的组中选择，这些材料优选通过注射 被嵌入孔100中。(第五实施方式)图11是示出采用连续的金属丝作为桁架元件的准Kagome桁架式多孔材料的示例 性立体图，其中，一部分内孔填充有固体材料。如韩国专利注册No. 0708483和韩国专利申请No. 2006-0119233中所公开的那样， 根据图11的第五实施方式的准Kagome桁架可利用连续的金属丝构造而成，并且仅具有与 规则四面体相似的形状的内孔有选择地填充有固体材料600。尽管由于作为桁架元件的金属丝经受弯曲因此准Kagome桁架的结构固有地易受 屈曲的影响，但该屈曲通过用固体材料600部分地填充桁架内的内孔而可被明显地抑制。类似地，与前述实施方式一样，填充一部分内孔100的固体材料600可优选地由用 于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体合成树脂或液体金属构成的组中选择。具体地在准Kagome桁架的情况下，当内孔被部分地填充有固体材料时，可有效地 省略约束桁架元件所必须的单独的结合过程。可如下制造根据本发明的前述实施方式的多孔材料。 图12示出用于制造根据本发明的实施方式的多孔材料的方法，在该方法中，用于 软焊或硬焊的熔融焊糊被用作填充内孔的固体材料。在第一步骤中，三维桁架结构在步骤 SlOO中被构造成具有多个内孔。
在通过步骤SlOO制备三维桁架结构之后，在步骤SllO中将用于软焊或硬焊的焊 糊以如上述多孔材料的第一至第五实施方式中所公开的那样的任何一种方式注射到一部 分内孔中。在通过步骤SllO将用于软焊或硬焊的焊糊注射到一部分内孔中之后，在步骤 S120中将该焊糊加热到熔融状态。在步骤S120中，包含在焊糊中的填料金属被加热并被熔 化，使得熔融焊糊无空隙地填充对应的内孔。在下一步骤中，自然或人工地冷却填充有熔融焊糊的孔，使得轻型三维桁架式多 孔材料可包括周期性内孔并且获得优异的抗屈曲性。根据制造本发明的多孔材料的另一个实施方式，如图13所示，可将液体合成树脂 或液体金属用作填充多孔材料的内孔的固体材料。首先，在步骤S200中，三维桁架结构被 构造成具有多个内孔。
在通过步骤S200制备三维桁架结构之后，在步骤S210中将液体合成树脂或液体 金属以如上述多孔材料的第一至第五实施方式中所公开的那样的任何一种方式注射到一 部分内孔中。在通过步骤S210将液体合成树脂或液体金属注射到一部分内孔中之后，在步骤 S220中将该液体合成树脂或液体金属自然或人工地冷却而固化。接着，通过这些步骤获得的轻型三维桁架式多孔材料可具有周期性内孔并且获得 优异的抗屈曲性。同时，在多孔材料的内孔周期性地形成有诸如Kagome桁架的两种不同尺寸的情 况下，如图14所示，可通过一系列步骤获得根据本发明的三维桁架式多孔材料，这些步骤 包括制备三维Kagome桁架结构的步骤S300 ；将桁架结构浸入液体合成树脂或液体金属中 的步骤S310;以及在将桁架结构从液体取出后固化保留在一部分内孔中的液体合成树脂 或液体金属的步骤S320。这样获得的三维桁架式多孔材料可优选地设有选择性地填充有固 体材料的较小尺寸的一组孔。在该情况下，如上所述，通过控制填料自身的特性(例如密度、粘性、表面张力和 对Kagome桁架结构的桁架元件的亲和性等)并通过利用毛细现象可使液体合成树脂或液 体金属仅保留在较小的内孔中。尽管已参照本发明的示例性实施方式具体地示出并描述了本发明，但是本领域普 通技术人员应当理解，可在形式和细节上对本发明进行各种变化，而不脱离如所附权利要 求限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种三维桁架式周期性多孔材料，在该三维桁架式周期性多孔材料中，周期性地形 成有多个内孔，其特征在于，一部分所述内孔填充有固体材料。
2.根据权利要求1所述的三维桁架式周期性多孔材料，其中，所述内孔以相同尺寸或 两种不同尺寸周期性地形成。
3.根据权利要求2所述的三维桁架式周期性多孔材料，其中，所述内孔以相同尺寸周 期性地形成，并且所述固体材料被填充到交替选出的一部分所述内孔中。
4.根据权利要求3所述的三维桁架式周期性多孔材料，其中，所述内孔以相同尺寸周 期性地形成，从而形成规则的六面体桁架。
5.根据权利要求2所述的三维桁架式周期性多孔材料，其中，所述内孔以两种不同尺 寸周期性地形成，并且所述固体材料仅填充到尺寸较小的内孔中。
6.根据权利要求5所述的三维桁架式周期性多孔材料，其中，所述内孔以两种不同尺 寸周期性地形成，并且桁架的类型是从由金字塔型桁架、八角桁架、Kagome桁架、用金属丝 编织的准Kagome桁架或者用金属丝编织的准八角桁架构成的组中选择的任何一种类型。
7.根据权利要求1、3和5中任何一项所述的三维桁架式周期性多孔材料，其中，所述固 体材料由从以下组中选择的一种材料固化而成，该组由用于软焊或硬焊的熔融焊糊、液体 合成树脂或液体金属构成。
全文摘要
公开了一种三维桁架式周期性多孔材料，其中，周期性地形成有多个内孔，并且一部分内孔填充有如金属、陶瓷、合成树脂或复合材料之类的固体材料，用于防止当向桁架结构施加外部压缩或剪切载荷时桁架元件屈曲。通过用合适的固体材料仅填充设置在桁架中的一部分内孔，可以最大限度且有效地抑制桁架元件的屈曲，并且即使意外地发生了屈曲，也可防止强度急剧下降，从而确保桁架式周期性多孔材料具有足够的结构稳定性。
文档编号B21F27/10GK102105239SQ200880130490
公开日2011年6月22日 申请日期2008年9月24日 优先权日2008年7月25日
发明者姜基洲, 边俊亨 申请人:全南大学校产学协力团