[发明专利]组装和应用中的预加应力正弦构件

说明书

正弦形构件单元和支撑构件单元是形成具有挠曲特性的预加应力组件的零件。正弦形构件是已经弹性变形的松弛材料构件。支撑构件维持所述正弦形构件的弹性变形状态。所述正弦形构件和所述支撑构件被组织成包含储存的弹性势能的预加应力曲线组件，所述弹性势能等于使它们的预加应力结构变形的力所做的功。所述组件的正弦形构件和支撑构件适于使用具有优异机械特性和挠曲强度的材料。这包括纳米复合材料。所述组件的预加应力状态增强其机械、电气和结构性能。组件/结构内的所述正弦形构件单元和所述支撑构件单元的大小、数量、密度和可能的几何构型是巨大的。这种正弦构建系统的产品具有机械和结构应用，并且可使用自动化过程制造。

背景技术

技术领域

本发明涉及具有储存的弹性势能的复合材料构件，其用于形成用于结构和机械应用的预加应力高性能材料组件。

现有技术简述

具有超出或等同于自然界中发现的那些的物理和行为特性的新材料激发了本发明。

当前的构建系统和方法可能无法有效地应用从自然界配制和调整并且超出材料科学的新材料的特性。为了得到最佳性能，构建系统及其部件材料的特性应当是互补的，并且可能是共同改造的。

材料科学的进步将导致对新颖系统和方法的改造，该新型系统和方法以最佳方式使用新材料的物理、工程和机械特性。根据本发明的系统和方法通过将高性能材料独特地预加应力到基本正弦形构件中以形成组件来有效地使用高性能材料。

互连预加应力正弦件的这种基本系统/方法提供了新型组装平台，该新颖组装平台能够储存弹性势能，以形成用于机械和结构应用的优异结构和机构。

预加应力

对材料构件和组件预加应力以增强其性能的方法已经应用了数千年。早在开发出结构工程的数学工具之前，材料预加应力的方法就已经以试错的方式使用。预加应力已被视为工程设计项目期间遇到的问题的非常规解决方案。新材料的开发可能会改变这种观念。

材料预加应力是指在材料或结构内引入内应力以提高其性能。预加应力已经并且被认为可用于大型基础设施，诸如桥梁、管道、飞机机身等。预加应力在包括微机电系统(MEMS)和纳机电系统(NEMS)的微米级和纳米级装置、结构和组件的开发中发挥着越来越大的作用。

目前的预加应力技术主要应用于钢结构和/或混凝土结构。混凝土在性质上是通用的并且成本低廉，但由于其强度特征和沉重重量，不能用于所有应用。出于该原因，预加应力结构钢在重量减轻是使结构正常工作的关键问题的应用中是有利的。

预加应力钢的理念已被证明在经济性和强度方面具有相当大的益处。然而，钢的预加应力从未像其混凝土对应物一样蓬勃发展。钢的预加应力尚未被充分利用，也很少被研究。发生这种情况的原因不明，但可能是因为钢构件不具有在预加应力配重组件内有效地起作用所必需的弹性特性。预加应力钢的缺点还可能在于必须保护和维护钢结构构件以防止腐蚀。

虽然预加应力钢是有用的，但由于预加应力高性能复合材料的轻重量、相对强度、挠曲特性和弹性变形能力，使用该复合材料要优越得多。

本发明的部件被设计成使用新复合材料。与钢不同，新的高性能碳基复合材料固有地耐腐蚀，具有高强度和轻重量。包括本发明产品的复合材料结构可用于钢筋混凝土或用于独立的机械或结构应用。将碳基复合材料结构用于钢筋混凝土，每年可节省数十亿美元因钢筋混凝土腐蚀引起的修复和更换成本。

许多行业正在转向使用复合材料，因为它们对任何应用都显示出单个最重要的考虑因素：与强度相比的低重量。复合材料技术的进步正在迅速发生；它们通过将碳纳米结构引入非导电聚合物来耦合材料的电气和机械特性的潜力将变得越来越重要。