具有负值或实际负值泊松比的复合元件及其制造方法

摘要

本发明提供一种复合元件、结构以及用于制作复合元件方法。该复合元件包括第一元件和第二元件，所述第一元件具有比所述第二元件高的弹性模量，所述第一元件和第二元件相对一轴线纵向延伸，其特征在于，所述第一元件设置成以螺旋方式环绕所述第二元件，所述第一元件上的拉伸或压缩载荷的变化使得所述第一元件的螺旋的直径随之产生变化，所述第一元件的螺旋的直径的变化使得所述第二元件具有螺旋的形式和/或使第二元件的螺旋的直径产生变化，所述第二元件的螺旋的直径随着第一元件的螺旋的直径的减少而增加，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的增加而减少。

权利要求

1.一种具有负值或实际负值泊松比的复合元件，所述复合元件包括第一元件和第二元件，所述第一元件具有比所述第二元件高的弹性模量，所述第一元件和第二元件相对一轴线纵向延伸，其特征在于，所述第一元件设置成以螺旋方式环绕所述第二元件，所述第一元件上的拉伸或压缩载荷的变化使得所述第一元件的螺旋的直径随之产生变化，所述第一元件的螺旋的直径的变化使得所述第二元件具有螺旋的形式和/或使第二元件的螺旋的直径产生变化，所述第二元件的螺旋的直径随着第一元件的螺旋的直径的减少而增加，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的增加而减少。

2.根据权利要求1所述的复合元件，其特征在于：所述第一元件通过缠绕和/或覆盖和/或旋纺来环绕第二元件设置。

3.根据权利要求1或2所述的复合元件，其特征在于：所述第一元件为具有相对高模量材料的纤维、杆或中空管，以及所述第二材料是与第一元件材料相比为中或低模量材料的纤维、杆或中空管。

4.根据上述权利要求1或2所述的复合元件，其特征在于：所述复合元件还包括核心元件，所述轴线设置成通过所述核心元件。

5.根据权利要求1或2所述的复合元件，其特征在于：当载荷变化时，径向位置的变化随着第二元件的至少一部分相对于所述轴线的位移增加，当载荷为拉伸载荷时，所述变化为增加，当载荷为压缩载荷时，所述变化为减少。

6.根据权利要求1或2所述的复合元件，其特征在于：当载荷变化时，径向位置的变化随着第二元件的至少一部分从所述轴线的位移减少，当载荷为拉伸载荷时，所述变化为减少，当载荷为压缩载荷时，所述变化为增加。

7.一种结构，包括根据权利要求1到6中任何一项设置的两个或更多的复合元件。

8.根据权利要求7所述的结构，其特征在于：

所述结构包括至少一对复合元件，每个复合元件都包括第一元件和第二元件，所述成对的复合元件设置成彼此邻接或彼此接触。

9.根据权利要求7或8所述的结构，其特征在于：所述结构通过重复包括多个复合元件的单元来形成。

10.根据权利要求7或8所述的结构，其特征在于：所述结构通过设置每个复合元件与两个或更多的另外复合元件邻接或接触而获得，以便形成平面或薄板型结构。

11.根据权利要求7或8所述的结构，其特征在于：所述结构通过设置每个复合元件与四个或更多的另外复合元件邻接或接触而获得。

12.根据权利要求7或8所述的结构，其特征在于：邻接的复合元件设置有在彼此相对的方向环绕第二元件缠绕的第一元件。

13.根据权利要求7所述的结构，其特征在于：

所述结构设置有一个或更多的核心元件。

14.根据权利要求13所述的结构，其特征在于：所述核心元件为纤维并且为实心或空心。

15.根据权利要求13或14所述的结构，其特征在于：所述第一元件、所述第二元件和所述核心元件设置为以便该第一元件、该第二元件和该核心元件彼此具有有限的运动或没有运动。

16.根据权利要求7或8所述的结构，其特征在于：所述结构包括一个或更多的补充材料。

17.根据权利要求16所述的结构，其特征在于：所述补充材料通过载荷的变化阻止第二元件的运动和/或促使第二元件返回到其在载荷变化之前占据的径向位置。

18.一种用于制作具有负值或实际负值泊松比的复合元件的方法，所述方法包括步骤：形成第一元件；形成第二元件，所述第一元件的弹性模量大于所述第二元件的弹性模量；其特征在于，第一元件以螺旋方式环绕第二元件设置，所述第一元件上的拉伸或压缩载荷的变化使得所述第一元件的螺旋的直径随之发生变化，所述第一元件的螺旋的直径的变化使得所述第二元件具有螺旋形式和/或使得第二元件的螺旋的直径产生变化，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的减少而增加，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的增加而减少。

说明书

具有负值或实际负值泊松比的复合元件及其制造方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种关于复合材料和结构的改进，具体地说，涉及一种具有增长性质的复合材料和结构(即，具有负值或实际负值泊松比(Poisson’s ratio))，以及制作增长性质复合材料的方法以及增长复合材料的应用。

背景技术

[0002] 与大多数传统材料不同，增长材料垂直于其拉伸的轴线扩展，这就使该材料具有各种有用的性质。现有的增长材料和用于其生产的技术，如在WO00/53830中的具体说明，面临着以可靠的方式在和/或适用于工业化的规模上制作增长材料的重大问题。其他此先前技术的材料都由单一的材料形成，因此，最终具有有限的性质。本发明的目的在于解决先前技术材料以及其生产技术问题。

发明内容

[0003] 本发明的目的之一在于提供一种改进的增长复合材料，一种制作增长复合材料的方法以及此增长复合材料的应用。制作方法设想的目的为适用于工业规模生产或以大规模的范围制作。本发明的目的之一在于提供一种增长复合材料，以及一种制作在其结构和性质上可靠的材料，且其可以提供更广范围的材料性质和用途。

[0004] 根据本发明的一个方面，其提供一种具有负值或实际负值泊松比的复合元件，所述复合元件包括第一元件和第二元件，所述第一元件具有比所述第二元件高的弹性模量，所述第一元件和第二元件相对一轴线纵向延伸，其特征在于，所述第一元件设置成以螺旋方式环绕所述第二元件，所述第一元件上的拉伸或压缩载荷的变化使得所述第一元件的螺旋的直径随之产生变化，所述第一元件的螺旋的直径的变化使得所述第二元件具有螺旋的形式和/或使第二元件的螺旋的直径产生变化，所述第二元件的螺旋的直径随着第一元件的螺旋的直径的减少而增加，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的增加而减少。

[0005] 本发明的上述方面可以包括在本文中任何地方说明的特征、选择或可能性，具体说明如下。

[0006] 复合元件和/或由其制作的结构可以具有任何负值泊松比。此系统可以具有在0和-5之间的泊松比。特别可以提供在-3和-4之间的泊松比。

[0007] 第一元件可以为具有相对高模量材料的纤维、杆或中空管。第一元件可以由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酸胺(例如，凯夫拉尔TM)、聚酰胺(例如，尼龙)、聚酯、聚烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、金属丝、棉花或其他材料形成。形成第一元件的材料可以为天然或人造、无机或有机材料。第一元件可以用固化薄膜密封，例如，固化的硅氧烷薄膜。在第一元件为中空管的情况下，所述管可以包含其他材料。

[0008] 第二元件可以为纤维、杆或中空管，特别由中或低模量材料组成。优选材料可以变形但不折断。第二元件可以由硅氧烷、液硅橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶或无论是天然还是人造的任何其他弹性材料制作。在第二元件为中空管的情况下，此管可以包含其他材料。所述其他材料可以是也可以不是增长材料。其他材料可以具有与所述管不同的性质。

[0009] 在优选方式中，第一元件比第二元件的模量高。第一元件可以具有在第二元件的直径的0.01和1倍之间的直径。第一元件的截面面积可以在第二元件的截面面积的0.001和1倍之间。

[0010] 第一元件和/或第二元件可以由连续的材料形成。在优选方式中，第一元件和/或第二元件可以拉长。第一元件和/或第二元件至少可以为其最大界面尺寸或范围的100倍长。

[0011] 所述轴线可以设置在由第一元件和第二元件组成的复合元件的中心。所述轴线可以设置在两个或更多的元件之间。所述轴线可以设置通过核心元件，特别是可以在设置一个或多个第一元件和/或第二元件环绕其上的核心元件的中心。

[0012] 第一元件环绕第二元件的缠绕(wrapping)以覆盖或卷绕(winding)的形式设置。第一元件环绕第二元件的缠绕可以为盘绕或螺旋形式。盘绕或螺旋可以沿第二元件具有恒定的斜度(pitch)。斜度可以相对于轴线在0度和90度之间。

[0013] 第二元件可以为线性的，第一元件环绕其缠绕。第二元件还可以环绕第一元件缠绕。第二元件可以为盘绕或螺旋形式。第一元件盘绕或螺旋的斜度与第二元件盘绕或螺旋的斜度相同。

[0014] 第一元件上拉伸或压缩载荷的变化可以随着沿所述轴线或平行于轴线作用的载荷变化。载荷的变化可以随着载荷增加。载荷的变化也可以随着载荷减少。第一元件可以具有由零增加到使其产生变化的载荷值的载荷，或可以具有由第一值减少到使其变化的第二低值。载荷可以作用在第一元件的端部和/或可以在中间位置引入。

[0015] 第二元件的径向位置可以垂直于所述轴线进行测量。在优选方式中，当载荷变化时，径向位置的变化随着第二元件的至少一部分相对于所述轴线的位移增加，具体地说，当载荷为拉伸载荷时变化为增加，当载荷为压缩载荷时变化为减少。在优选方式中，当载荷变化时，径向位置的变化随着第二元件的至少一部分从所述轴线的位移减少，具体地说，当载荷为拉伸载荷时，变化为减少，当载荷为压缩载荷时，变化为增加。当载荷变化时，第二元件的一些部分的位置可能不具有位移增加的特征。

[0016] 在优选方式中，此结构包括至少一对复合元件，每个复合元件都包括第一元件和第二元件。成对的复合元件可以彼此邻接或彼此接触设置。接触可以在复合元件的第一元件之间和/或复合元件的第二元件之间。两个或更多的复合元件可以环绕核心元件设置。复合元件的第一和/或第二元件可以与核心元件邻接或接触设置。

[0017] 体结构(bulk structure)可以由包括多个复合元件的单元的重复形成。核心元件可以设置在复合元件之间和/或由多个复合元件形成的单元之间。核心元件可以设置在环绕核心元件设置的具有两个或更多复合元件的单元的核心。复合元件可以均匀间隔环绕核心元件。每个复合元件可以与其他核心元件邻接或接触。体结构可以由包括多个复合元件或多个核心元件的单元的重复组成。

[0018] 体结构可以通过下述方式提供，其中每个复合元件与两个或更多的另外复合元件邻接或接触设置。平面或薄片型的体结构可以通过下述方式提供，其中通过沿彼此并排由第一复合元件形成的重复单元，以及在任何一侧设置另一复合元件。核心元件可以设置在此结构中的多个复合元件之间。在优选方式中，每个单元都与两个其他的单元邻接或接触。

[0019] 体结构可以通过下述方式提供，其中每个复合元件设置成与四个另外复合元件邻接或接触。体结构可以由包括四个复合元件的单元形成，特别是环绕一个核心元件设置。在优选方式中，每个单元都与四个或八个其他单元邻接或接触。

[0020] 体结构可以通过下述方式提供，其中每个复合元件设置成与五个另外复合元件邻接或接触。体结构可以由包括五个复合元件的单元形成，特别是环绕一个核心元件设置。在优选方式中，每个单元都与五个其他单元邻接或接触。

[0021] 体结构可以通过下述方式提供，其中每个复合元件设置成与六个另外复合元件邻接或接触设置。体结构可以由包括六个复合元件的单元形成。核心元件可以设置在六个复合元件之间。六个复合元件以均匀间隔环绕核心元件。在优选方式中，每个单元都与六个其他的单元邻接或接触。

[0022] 包括具有单元和体结构的邻接复合元件可以通过在彼此相对方向环绕第二元件缠绕的第一元件而提供。

[0023] 在本发明的一种优选实施方式中，结构设置为由第一复合元件以及另一复合元件形成，第一复合元件具有在一个方向缠绕第二元件的第一元件，而另一复合元件具有在另一方向缠绕第二元件的第一元件。在优选方式中，至少一个复合元件顺时针缠绕，且至少一个复合元件逆时针缠绕，在理想情况下，以便两个彼此相对的复合元件为彼此镜像。核心元件可以设置在两个或更多的复合元件之间。

[0024] 在本发明的可选择实施方式中，结构设置为由两个或更多的复合元件形成，其中复合元件中的两个或更多或全部都具有在同样的方向环绕第二元件缠绕的第一元件，以便其不为镜像。核心元件可以设置在两个或更多的复合元件之间。

[0025] 此结构可以设置有一个或更多的核心元件，特别是设置在至少两个复合元件之间的核心元件。核心元件可以为纤维。核心元件可以为实心或中空。中空的核心元件可以包含附加材料或填充有附加材料。核心元件和/或附加材料可以由另外的增长材料形成。第一元件和/或第二元件可以与核心元件分离。所有三个元件可以彼此分离。在优选方式中，第一和第二元件设置为以便元件彼此没有运动。核心元件也可以设置在复合结构内，以便不会出现核心元件超过第一和/或第二元件上的运动。

[0026] 此结构可以包括一个和多个补充材料。所述补充材料可以为或可以包括硅氧烷泡沫、聚氨酯泡沫或其他此类材料。在优选方式中，补充材料与所有复合元件接触，或至少与第一和/或第二元件接触。补充材料可以通过在第一元件上的拉伸或压缩载荷的变化变形，和/或可以阻止由载荷变化造成的第二元件的运动。补充材料可以使第二元件返回到在载荷变化之前其占据的径向位置。补充材料可以放大结构和/或材料的负泊松比或增长效应。

[0027] 在优选方式中，拉伸载荷的增加或压缩载荷的减少使得第一元件变为更加线性，而第二载荷变为较少的线性。在优选方式中，拉伸载荷的减少或压缩载荷的增加使得第一元件变为较少的线性，而第二载荷变为更加线性。

[0028] 此结构可以吸收能量，例如适合于吸收冲击和/或吸音应用。此结构可以形成或编织成汽车零件、运动设备、航空航天元件、造型元件、压电材料、纺织品、编织品等。在具体情况下，结构可以形成或编织成汽车缓冲器、汽车内部件、汽车和航空航天轮胎、用于飞行服装的管子、身体盔甲、用于修复术或其他医学使用的生物材料、填料、用于电子装置的阻尼材料，包括手持装置、个人计算机、通讯设备、照相机等。

[0029] 此结构还可以在有关目的为支撑重物或强迫穿过宽的表面面积的拉紧载荷的应用中起作用。此复合结构可以形成或编织成用于胎壳结构的网、带、纺织品、编织品等。

[0030] 根据本发明的一个方面，其提供了一种用于制作具有负值或实际负值泊松比的复合元件的方法，所述方法包括步骤：形成第一元件；形成第二元件；例如通过缠绕和/或旋纺和/或覆盖以设置第一元件环绕第二元件一圈或更多圈，所述一圈或更多圈沿第二元件的纵向间隔。

[0031] 根据本发明的一个方面，提供了一种用于制作具有负值或实际负值泊松比的复合元件的方法，所述方法包括步骤：形成第一元件；形成第二元件；例如通过缠绕和/或旋纺和/或覆盖以设置第一元件环绕第二元件一圈或更多圈，第一元件的弹性模量大于第二元件的弹性模量。

[0032] 根据本发明的一个方面，其提供了一种用于制作具有负值或实际负值泊松比的复合元件的方法，所述方法包括步骤：形成第一元件；形成第二元件，所述第一元件的弹性模量大于所述第二元件的弹性模量；其特征在于，第一元件以螺旋方式环绕第二元件设置，所述第一元件上的拉伸或压缩载荷的变化使得所述第一元件的螺旋的直径随之发生变化，所述第一元件的螺旋的直径的变化使得所述第二元件具有螺旋形式和/或使得第二元件的螺旋的直径产生变化，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的减少而增加，所述第二元件的螺旋的直径随着所述第一元件的螺旋的直径的增加而减少。

[0033] 本发明上述方面可以包括在本文中任何地方说明的选择的特征或可能性，具体说明如下：

[0034] 第一元件和/或第二元件和/或核心元件可以例如通过有或没有张力的模具挤出或拉挤(pultruded)成。第一元件和/或第二元件和/或核心元件可以通过喷丝头或类似的螺旋缠绕/覆盖装置形成。第二元件可以在第一元件环绕第二元件缠绕的同时伸展。

[0035] 第一元件和/或第二元件可以形成，然后被施用例如被缠绕。第一元件也可以在其形成时环绕第二元件施加。第一元件和第二元件可以形成复合元件。两个或多个复合元件可以捆扎在一起。复合元件可以捆扎在一起例如通过将其环绕一个或更多的核心元件进行包装以形成结构。

[0036] 上述方法可以包括设置或不设置用于一个或更多元件的空间(Void)填充步骤的基体。此空间可以用纤维和/或填充材料或基体填充。硅氧烷泡沫、聚氨酯泡沫液硅橡胶、天然橡胶和其他人造或天然材料可以用于形成基体或起到空间填料的作用。

[0037] 第一元件和/或第二元件，或由此制作的复合元件，或由此制作的结构或束，可以编制为以便制作结构，或可以进入到模铸过程以形成体结构。

附图说明

[0038] 下面将参照相应的附图对本发明的各种实施方式进行说明，其中：

[0039] 图1a是显示增长材料的第一现有技术形式的说明视图；

[0040] 图1b是显示增长材料的第二现有技术形式的说明视图；

[0041] 图2是显示根据本发明在未拉紧/局部拉紧状态下的增长复合结构的视图；

[0042] 图3是显示在拉紧状态下图2的复合结构的视图；

[0043] 图4是显示沿轴线X-X剖开的示意性截面视图；

[0044] 图5是显示根据本发明的可选择性的增长复合结构的示意性截面视图；

[0045] 图6是显示根据本发明的可选择性的增长复合结构的示意性截面视图并提供了主体居中的格子的设置；

[0046] 图7是显示根据本发明设置的紧密填充的增长复合结构设置的示意性视图；

[0047] 图8a到8f是显示在各种拉紧程度下的本发明的典型实施方式的各种视图；以及[0048] 图9a和9b是显示用于分别在未拉紧和局部拉紧形式下的第一元件的投影角度的视图。

具体实施方式

[0049] 本发明的目的在于提供用于一种增长材料的改进结构以及生产技术，以及改进的增长材料本身。应该注意，在使用术语“材料”的地方，应该注意的是，其包括在其他可能性下的纺织品和编织品(fabrics)。

[0050] 增长材料为具有负值的实际或有效泊松比。这就是说，当拉伸载荷施加到增长材料以沿第一轴线拉伸时，其沿垂直于所述第一轴线的第二轴线扩展。如果沿材料的轴线施加压缩载荷且压缩导致沿垂直于第一轴线的第二轴线的宽度减少，材料也是增长性的。这与具有正泊松比的大多数材料的性能相反。材料的泊松比由相对拉伸纵向应变的横向收缩应变比予以确定。

[0051] 人造增长材料首先在20世纪80年代后期由松散(open)的细胞聚合体泡沫的机械变形制作而成。后来技术的目的在于制作蜂窝形式的聚合材料或由通过小纤维连接的颗粒形成的材料。

[0052] 图1a中说明了蜂窝形式的增长聚合材料的实施例。沿轴线X-X施加的拉伸载荷使得茎干1和3移动离开。然而，此运动使得茎干5和7伸直，因此增加茎干9和11的分离。结果是材料沿垂直于轴线X-X的轴Y-Y增加材料的范围。

[0053] 图1b显示了基于增长聚合材料的颗粒和小纤维的实施例。这提供了一系列通过小纤维15连接的颗粒13。纤维15通常通过挤出和/或随后的旋压加工由与颗粒13同样的材料制作。此外，沿轴线X-X分离的移动颗粒13a和13b使得小纤维15a、15b伸直，因此增加颗粒13c和13d的分离。因此发生沿垂直于轴线X-X的轴线Y-Y范围的材料的增加。此材料利用压紧和烧结阶段制作，或如同WO 00/53830说明的一样，通过局部熔化以及然后挤出单一的聚合材料制作。

[0054] 已经提出了用于制作增长材料的各种技术，其很广泛的变化的形式和负泊松比的等级。然而，在许多情况下，生产方法复杂，且通常只适合于制作很少量的具有不确定的一致性的增长材料。在其他情况下，由单一材料形成的材料的加工、表面熔化和挤出的性质都导致在结构和性质上远低于先前技术和本说明的图1a和1b的其简要说明包含的内容的材料。其中遇到了颗粒的交联、不完整的小纤维结构、非离散颗粒以及其他问题。同样存在的重要困难在于将此先前技术的增长材料样品转成有用的形状和形式。

[0055] 本发明寻找了解决这些问题的方法，并提供了一种增长材料，其相对容易制作，并且在其结构和性质上具有一致性，并具有显著和可控制的负泊松比，并可以方便地用于形成更复杂和有用的形式。

[0056] 参照图2，本发明的增长材料实际上为由多个元件组成的复合元件。在此说明了局部拉紧的状态。与先前技术的增长材料相反，本材料由许多单独的元件以及潜在地具有不同材料形式或性质的不同元件组成。

[0057] 穿过整个中心的是核心元件20。此核心元件20在结构上总体为线性，并提供了用于复合结构的核心。核心元件20还限定结构的轴线X-X。核心元件20的任一侧为第一元件22a、22b。第一元件22a、22b与第二元件24a、24b结合设置。在每一种情况下，第一元件22以螺旋的形式环绕第二元件24缠绕。也就是说，第一元件22随着沿元件22、24的前进接触第二元件24圆周的不同部分。作为此缠绕的结果，第一元件22至少具有随着沿轴线X-X的位置变化的相对轴线X-X的位移的范围。因此，在位置28处的位移大于位置26处的位移。

[0058] 另一第一元件22b相对轴线X-X的位移范围与沿轴线X-X的同样位置26、28等的同样范围，但位移方向为相对轴线X-X的相反方向。因此，第一元件22b的部分32彼此靠近且第一元件22b的部分30相对远离。这通过在相反方向环绕第二元件24a、24b缠绕予以实现。

[0059] 在上述说明的情况下，第一元件22和第二元件24都具有随着沿轴线X-X的位置变化相对轴线X-X的位移。因此，整个复合元件提供了用于给定尺寸的通孔34。

[0060] 总体形式可以在图4沿轴线X-X观看的截面视图中清楚地看出。在此截面视图中，第一元件22在点A开始并向上前进并越过第二元件24到达点B，然后，下降另一个在第二元件24内以到达点C。在核心元件的相对侧具有镜像。在此没有显示第一元件22的全部过渡过程和第二元件24的整个范围。

[0061] 在使用过程中，如图3所示，如果将平行于轴线X-X的拉伸载荷施用到复合元件的第一元件22，则载荷将使第一元件22由其螺旋结构伸直到较直或甚至是平直的结构。在图3中，核心元件20仍然占据着复合元件的中心，而第一元件22仍然缠绕第二元件24。然而，第一元件22的伸直造成由第二元件24形成的螺旋直径的增加。第二元件24远离轴线X-X的位移水平具有沿轴Y-Y相应增加复合元件总体范围的净效应。开口34的尺寸也显著增加。

[0062] 作为用于第一元件22和第二元件24两者的可选择的螺旋形式，可以提供另一功能复合元件，其利用线性的第二元件24并随着沿长度的位移变化缠绕第一元件22。此种形式在图中没有显示。在此情况下，拉伸载荷的施用将再次使第一元件22伸直，因此使第二元件24由线性移动为螺旋形式。因此，也会出现在垂直于拉伸载荷的方向上的范围的增加。

[0063] 虽然在图2、3和4中显示出了用于核心元件20、第一元件22和第二元件24的不同相对尺寸，无论是不同元件彼此的绝对尺寸还是在相对尺寸方面，各种不同范围的尺寸都有可能。

[0064] 在本发明的优选实施方式中，核心元件20本身为进一步的增长元件或材料，但也可以为中或低模量的弹性杆。比较理想的是核心元件可以变形但不折断。适合的材料包括硅氧烷、液硅橡胶、天然橡胶、丁腈橡胶或无论是天然还是人造的任何其他弹性材料。在核心元件为中空管的情况下，所述管可以包含可以是或不是增长性的附加材料，而附加材料可以具有相对所述管的不同的性质。第一元件理想为高弹性模量材料，例如碳纤维、凯夫拉尔(Kevlar)、玻璃纤维或金属丝。第二元件更理想为天然弹性体。然而，根据所需的性质，获得的复合结构的应用和规模，可以使用很宽范围的材料。此外，进一步的可能性将在本说明的后部分进行概要说明。

[0065] 图2、3和4的复合元件实际上为从其上可以形成较大结构或产品的结构。

[0066] 在图5中，以截面端视图的形式说明了一可选择结构。此结构为在以上图2、3和4中说明的为本发明的形式并使用同样的原理的结构的放扩展形式。在此情况下，所述结构的再一个特征为中心核心元件20，但环绕核心元件20的圆周均匀地间隔设置有六个第二元件24。每个第二元件24都设置有缠绕其的第一元件22。另外，第一元件的从沿结构的中心延伸的轴线位移范围与在沿所述轴线同样位置的每个第一元件相同。用于每个元件的位移的方向径向远离轴线。在此结构的情况下，拉伸载荷的施用使其在径向远离核心元件20的所有方向上扩展。同样的设置可以利用多于或少于六个第一和第二元件的组合构成。

[0067] 虽然在与图2、3、4和5相关的说明的结构提供负泊松比材料，本发明最有用的形式在于由此单元形成的成品物体以形成例如编织品、薄板、编织物品、非编织物品的成型。这些成型包括使用上述多种结构形式或其他此类结构。

[0068] 在图6显示的情况下，每个核心元件20都环绕四个第一元件22和四个第二元件24，这些都彼此缠绕以给出前面所述的组合体。四个组合体环绕核心元件20均匀地设置。
通过提供此方式的大量结构，形成主体居中的格子结构。

[0069] 在图7显示的情况下，每个核心元件20都环绕六个第一元件22和第二元件24的组合体。另外，六个组合体环绕核心元件20均匀设置，结果提供紧密包装设置。相似的设置可以利用多于或少于六个第一和第二元件的组合体构成。

[0070] 这些或其他包装形式允许产生具有增长特性的基本结构。最重要的是，当与先前的生产技术比较时，增长结构由多个元件组装成，其利用各种现有的且相对简单实现的设备设计的变形，很适合批量生产。例如，可以挤出核心元件并利用喷丝头(spinerettes)产生第一元件和第二元件的组合体。用于所需形式的第一元件和第二元件的组合体可以环绕核心元件装配。以此方式设置的多个组合体的装配给出了所需的体积结构。

[0071] 除了由核心、第一和第二元件产生的材料复合外，还可以包括补充材料。在优选形式中，此结构的增长性质通过用硅氧烷泡沫、聚氨酯泡沫体或其他低弹性模量的材料填充结构中的空间以进行补充。其他的元件或弹性杆可以包含在上述空间中。还可以利用工业规模的加工过程使此材料进入到形成的产品中。

[0072] 应该注意，本发明图2、3和4说明了下述结构，该结构被张紧以增加其垂直于拉紧力的轴线的范围。其完全可能使材料进行预拉紧或预拉伸，并当应变/张力被释放和/或当施加压缩时，显示其增长性质。

[0073] 除了关于由此材料显示的负泊松比的水平的数学计算外，申请者还能实验显示此特性。

[0074] 参照图8a到8f，其提供了根据本发明的典型结构。此结构由在图8a中说明的两个复合元件100形成。两个复合元件100设置为彼此接近，且每个都包括具有第一元件102缠绕的第二元件104。第一元件102在相反的方向缠绕。此结构的未拉紧状态显示在图8b中。

[0075] 当张紧力作用到结构时，可以看出增长的性质，在图8c中，纵向10mm的应变给出了元件之间间隙的扩展。图8d为纵向15mm的应变，图8e为纵向20mm的应变，以及图8f为纵向25mm的应变给出了由于结构的侧面扩展造成间隙增加。

[0076] 上述效果清晰地显示图9a和9b中，其比较第一元件的轴线相对垂直于此结构的核心轴线的投影角。在此情况下，在未拉紧的状态，观测为62°的角，而在局部拉紧状态，观测为74.5°的角。

[0077] 另外，利用各种元件的形式产生此构造的结构，可以在大规模基础上生产此结构。宏观的杆和纤维可以用于形成适用于各种用途的大量元件结构。在规模意义上的另一方面，各种有机聚合体、无机聚合体或无机结构可以用于实现分子级尺寸的增长材料。

[0078] 通过本发明提供的增长复合元件和结构提供了各种有益的性能。具体地说，与传统材料相比，此结构提供增强的剪切模量、断裂韧度、压电特性、抗压痕性、热抗冲击性、撞击吸收性、抗磨损性以及能量吸收性。根据本发明的有用增长复合元件和结构可以提供单一材料的冲击和吸音性能。对于这些材料也具有显示在轴向和径向不同性质的各向异性效应的潜在能力。

[0079] 此复合元件和结构显示了具有作为纺织材料用于广泛用途的特殊用途。由于其具有同向能力(沿两个方向点指向相同的路线以形成弯曲的能力)，本发明的增长结构在纺织品的联系(context)中特别有用。这样也使此纺织品对于其接触的其他产品特别匹配。这对于无论是非衣服例如安全帽衬，还是衣服型的应用场合例如舒适的身体盔甲或衣服带和/或皮带都很实用。

[0080] 用于此合成物和结构的应用实例包括所需的抗压痕性或吸收冲击能力的场合，包括汽车缓冲器、汽车内部元件以及模具体零件。这些性能还使得此结构在运动设备领域中有用，在以衣服或其它设备形式的冲击保护期望的。此设备包括头保护、胫骨垫、其他垫或类似物。

[0081] 由提供上述性能的相同材料提供声阻尼的能力一样有用，因为先前需要其中一个着眼于一个问题的两个独立的材料。

[0082] 本发明的材料还提供了其适用于在振动、声阻尼或抗压痕性等方面保护手持的电子装置、移动电话、照相机、视频设备等。

[0083] 其他潜在的应用包括在轮胎、医用缝合、具有增强性能的复合元件(特别通过降低的纤维的拉出失效(pull-out failure))、电子传感器(特别通过压力传感器或光学感应材料的结构)、座椅安全带、行李带、衣服带、双弯曲材料、活性材料(具体为过滤器)、活性纺织品、增强的减小磨损应用、热冲击应用等。

[0084] 在此具有许多可以制造此材料的潜在方法，这些方法包括编织、针织、旋纺(spinning)、挤出以及刺绣，以及各种编织和非编织技术。