(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
低孔隙率シート材料であって、
細長いボイド構造の配置を含み、前記細長いボイド構造の各々は１つ以上の下位構造、第１の複数の第１の細長いボイド構造および第２の複数の第２の細長いボイド構造を含み、前記第１および第２の細長いボイド構造の各々は長軸および短軸を有し、前記第１の細長いボイド構造の前記長軸は前記第２の細長いボイド構造の前記長軸に垂直であり、前記第１および第２の複数の細長いボイド構造は、行および列のアレイに配置され、前記行の各々および前記列の各々は、前記第１および前記第２の細長いボイド構造間において交互し、
前記細長いボイド構造の孔隙率が約１０％より下であるように、前記第１および第２の細長いボイド構造はダブルＴスロットの形式であり、
前記細長いボイド構造の配置は、一軸性応力に応答して前記シート材料に負のポアソン比特性を呈させる単位セルを規定する、低孔隙率シート材料。
【請求項２】
前記細長いボイド構造の孔隙率は約４％より下である、請求項１に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項３】
前記第１および第２の複数の細長いボイド構造の少なくともいくつかは、停止穴が両端部にあるスロットを含む、請求項２に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項４】
前記シート材料は多結晶または単結晶の合金の少なくとも１つを含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載の低孔隙率シート材料。
【請求項５】
前記シート材料はニッケル系、鉄−ニッケル系、またはコバルト系の超合金を含む、請求項４に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項６】
前記配置において、前記行は互いから等しく離間され、前記列は互いから等しく離間される、請求項１に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項７】
前記細長いボイド構造の各々は、前記長軸と前記短軸との交点に中心を含み、前記細長いボイド構造の各々の前記中心は、前記アレイの前記行の１つおよび前記列の１つのそれぞれの交点の点に位置する、請求項６に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項８】
前記材料における前記細長いボイド構造の間隔は、前記材料が応力下にあるときに変化しない、請求項６に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項９】
前記材料における前記細長いボイド構造の形状は、前記材料が応力下にあるときに変化しない、請求項６に記載の低孔隙率シート材料。
【請求項１０】
擬似オーゼティック材料を形成するための方法であって、
少なくとも半剛性の本体を与えるステップと、
前記本体に第１の細長いボイド構造および第２の細長いボイド構造を形成するステップとを含み、前記細長いボイド構造の各々は長軸および短軸を有し、前記第１の細長いボイド構造の前記長軸は前記第２の細長いボイド構造の前記長軸に少なくとも実質的に垂直であり、前記細長いボイド構造は、行および列のアレイに配置され、前記行の各々および前記列の各々は、前記第１および前記第２の細長いボイド構造間において交互し、
前記第１および第２の細長いボイド構造はダブルＴスロットの形式であり、
前記細長いボイド構造は応力下で負のポアソン比挙動を示すようサイズ決めされる、擬似オーゼティック材料を形成するための方法。
【請求項１１】
前記細長いボイド構造の孔隙率は約４％より下である、請求項１０に記載の擬似オーゼティック材料を形成する方法。
【請求項１２】
前記第１および第２の細長いボイド構造は、停止穴が両端部にあるスロットを含む、請求項１１に記載の擬似オーゼティック材料を形成するための方法。
【請求項１３】
前記配置において、前記行は互いから等しく離間され、前記列は互いから等しく離間される、請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の擬似オーゼティック材料を形成するための方法。
【請求項１４】
前記細長いボイド構造の各々は、前記長軸と前記短軸との交点に中心を含み、前記細長いボイド構造の各々の前記中心は、前記アレイの前記行の１つおよび前記列の１つのそれぞれの交点の点に位置する、請求項１０〜１２のいずれか１つに記載の擬似オーゼティック材料を形成するための方法。
【請求項１５】
前記細長いボイド構造の各々は、前記長軸と前記短軸との交点に中心を含み、前記細長いボイド構造の各々の前記中心は、前記アレイの前記行の１つおよび前記列の１つのそれぞれの交点の点に位置する、請求項１４に記載の擬似オーゼティック材料を形成するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、一般的に、工学設計されたボイド構造を有する固体に関する。
【背景技術】
【０００２】
工学設計されたボイド構造を有する固体の多くの例があり、そのような工学設計されたボイド構造は材料および適用に特有の幅広いさまざまな機械的特性、音響学的特性および熱的特性を与える。
【０００３】
米国特許第５，２３３，８２８号は、ガスタービン燃焼器ライナのための工学設計されたボイド構造の例を開示する。ガスタービン燃焼器の動作温度は、３，０００°Ｆ近くであり、それを超え得る。その結果、燃焼器ライナを燃焼器内に設けて、エンジン周囲を断熱し、ガスタービンの他の構成要素への熱的損傷を防止する。燃焼器ライナにわたる温度および圧力差を最小限にするために、従来は、冷却スロットが、米国特許第５，２３３，８２８号に示されるように、連続的パターンで配置された、離間された冷却孔の形式で設けられてきた。
【０００４】
ＷＯ  ２００８／１３７２０１は、ガスタービン燃焼器ライナのための工学設計されたボイド構造の他の例を開示する。ＷＯ  ２００８／１３７２０１では、ライナは、ライナの低温側（つまり近接する通路において相対的により冷たい空気と接触する側）からライナの高温側（つまり高温の燃焼ガスに面する側）に沿って冷却フィルムを設けるために、複数の小さい、接近して離間されたフィルム冷却孔を含む。これらの冷却孔はライナの厚みを通して非一様な直径を有するよう開示され、低温側の穴は、高温側の第２の直径よりも小さい第１の直径を有し、それにより、１．０以外のアスペクト比を設ける（たとえば、第２の直径対第１の直径の比率は３．０〜５．０であってもよい）。
【０００５】
米国特許第８，０６６，４８２号は、ある特定の工学設計されたボイド構造を有する燃焼器ライナの他の例を示し、ボイドは、低温側に第１のサイズを有し、高温側に第２のより大きなサイズを有し、したがって１より大きいアスペクト比を示す、長円形の冷却孔を含む。米国特許第８，０６６，４８２号は、さらに、曲率半径が応力場を広げて、応力集中を低減するように、長円形の冷却孔が応力場と平行に配向されることを開示する。
【０００６】
ＥＰ  ０９７１１７２  Ａ１は、同様に、ガスタービンの燃焼領域に用いられる、穿孔されたライナの他の例を示す。
【０００７】
現在、上記のような燃焼器ライナは、特定のボイド構造、つまり、適用可能なように、構造の面積に対する穴の面積の比率として、または構造の体積に対する穴の体積の比率としてさまざまに定義される、孔隙率で設計される。公知の長円のボイドは、意図した冷却挙動を得るために５０までのアスペクト比を有するが、これらの公知の長円のボイドは先端に非常に高い応力にもたらす。
【０００８】
図１（ａ）は、Ｘ軸上の歪みに対するＹ軸上のポアソン比νのグラフであり、ゴム試験片上で行なわれた実験的試験結果（円形のデータ点によって示される）および数値的試験結果（有限要素モデリング）（上側破線と下側破線との間に制限された実線によって示される）の両方の負のポアソン比挙動を示す。垂直な破線は公称歪みεｃを示し、臨界の真の塑性歪みに達する点であり、それは、示される通りでは−０．０５であった。継続する歪みのレベルは、図１（ｂ）〜図１（ｄ）の進展に示されるように、ポアソン比に対して、一貫してますます低い値を生じさせ、最後には、それは０を交差して負になった。これらの研究において、有孔の試験片が十分に強く変形されれば、負のポアソン比（「ＮＰＲ」）の状態を一貫して示すことができるであろう、と判断された。したがって、ゴムは、最も従来的な材料として、従来、正のポアソン比を示すが、長円穴の特定の配置は、正のポアソン比に擬似オーゼティック特性を示させる、と判断された。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
概要
この開示の局面は、正のポアソン比を有する固体に応力を与えると、その固体に擬似オーゼティック挙動を示させる、工学設計されたボイド構造を有する、固体のシートなどのような固体に向けられる。したがって、この概念に従って正のポアソン比を有する材料を構造上修正して、微視的に負のポアソン比を有する材料として振舞うようにすることができる。（たとえば、材料は、引張力を受ければ横方向に膨張し、または圧縮力を受ければ収縮するであろう）。
【００１０】
材料が特定の軸に沿って圧縮されるとき、それらは最も一般的には適用加重に直交する方向に膨張するよう観察される。この挙動を特徴付ける属性はポアソン比であり、それは、負の横歪みと縦歪みとの間の比率として定義される。大多数の材料は正のポアソン比で特徴付けられ、それはゴムについては約０．５であり、ガラスおよび鋼については０．３である。負のポアソン比を有する材料は、圧縮（伸張）されると横断方向において収縮（膨張）し、それらは原理上は存在し得るが、実際的な例の実証は相対的に最近である。オーゼティックスとも呼ばれる負のポアソン比を有する材料の発見および開発は、１９８７年にLakesによって報告されたのが最初であった。調査は、オーゼティック挙動が材料の微細構造とその変形との間の相互作用を伴っていることを示唆する。これの例は、立方格子を有する金属、天然の層状のセラミック、強誘電体多結晶セラミックス、およびゼオライトは、すべて、負のポアソン比挙動を示し得るという発見によって与えられる。さらに、再入可能な構造を有する発泡体、階層状のラミネート、ポリマー発泡体および金属発泡体を含む、いくつかのジオメトリおよびメカニズムが、ポアソン比のための負の値を達成するために提案されている。
【００１１】
負のポアソン比効果は、ソフトリソグラフィを用いて製造された複合材料を用いたマイクロメータスケール、およびカーボンナノチューブのシートアセンブリでのナノスケールでも示された。オーゼティック属性を有する材料の製造における意義深い挑戦は、それが、通常、複雑なジオメトリを有する構造をホスト母材内に埋込むことを伴っている、ということである。したがって、製造工程は適用への実際的な開発において機能上の制限であった。多くのオーゼティック材料の基礎を形成する構造はセル状の固体のそれであり、これらの材料の変形への研究は相対的に成熟した分野であり、主要な重点は、圧縮力のある荷重負荷下での、荷重担持能力の座屈現象およびエネルギ吸収の役割にある。非常に最近では、実験的調査および数値的調査を組合わせた結果は、２Ｄの周期的な有孔構造における機械的不安定性が元のジオメトリの劇的な変換を引起こし得ることを示した。具体的には、エラストマー母材において円形穴からなる正方形アレイの一軸荷重負荷は、交互する、相互に直交する長円からなるパターンに至ることが見出される。これは、与えられる歪みの臨界値より上の弾性的不安定性からの結果として生じる。その不安定性において観察された幾何学上の再編成は可逆的かつ反復可能であり、それは適用加重の狭い範囲にわたって生じる。したがって、この挙動は、可逆的に切換えることができる属性を有する、変換力のある材料に対して機会を与える。さらに、パターン変換は、２Ｄ構造について、一方向の負のポアソン比挙動に至る、つまり、それは、圧縮下でのみ生じることが示された。観察された現象が確固としたものであることを伴う、サンプルの複雑でない製造工程は、これが、広範囲の長さスケールにわたって平面のオーゼティック材料を構築する実用的方法の基礎を形成し得ることを示唆する。
【００１２】
この開示の１つの局面によれば、低孔隙率シート材料は、細長いボイド構造の配置を含み、細長いボイド構造の各々は１つ以上の下位構造、第１の複数の第１の細長いボイド構造および第２の複数の第２の細長いボイド構造を含み、第１および第２の細長いボイド構造の各々は長軸および短軸を有し、第１の細長いボイド構造の長軸は第２の細長いボイド構造の長軸に垂直であり、第１および第２の複数の細長いボイド構造は、行および列のアレイに配置され、行の各々および列の各々は、第１および第２の細長いボイド構造間において交互し、細長いボイド構造の孔隙率は約１０％より下である。
【００１３】
この開示の他の局面によれば、擬似オーゼティック材料を形成するための方法は、少なくとも半剛性の本体を与える行為と、本体に第１の細長いボイド構造および第２の細長いボイド構造を形成する行為とを含む。細長いボイド構造の各々は長軸および短軸を有し、第１の細長いボイド構造の長軸は第２の細長いボイド構造の長軸に少なくとも実質的に垂直であり、細長いボイド構造は、行および列のアレイに配置され、行の各々および列の各々は、第１および第２の細長いボイド構造間において交互し、細長いボイド構造は応力下で負のポアソン比挙動を示すようサイズ決めされる。
【００１４】
上記の概要は、この開示の各実施の形態またはすべての局面を表わすようには意図されない。むしろ、上記の概要は、単に、ここに示された新規な特徴のいくつかの例示を与えるにすぎない。この開示の上記の特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、添付の図面および特許請求の範囲との関連で考慮すると、この発明を実施するための例示的な実施の形態およびモードの以下の詳細な記載から容易に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１（ａ）〜図１（ｄ）は、それぞれ長円形の貫通穴を含む固体についての実験データおよびコンピュータモデル化データの歪み対ポアソン比プロット、およびプロットからの具体的なデータ点に対応する構造の表現である。
【図２】４０％の孔隙率を与える長円穴を含む工学設計されたボイド構造を有する固体における荷重経路の表現である。
【図３】この開示の局面に従うスロットおよび停止穴の配置を含む工学設計されたボイド構造を有する固体における荷重経路の表現である。
【図４】この開示の局面に従うスロットの配置を含む工学設計されたボイド構造を有する固体における荷重経路の表現である。
【図５】図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ大きなアスペクト比の長円およびダブルＴ形状スロットを含む、本概念の局面に従う貫通穴の配置を含む工学設計されたボイド構造の例を示す。
【図６】本概念の局面に従う材料であって、材料が負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示すことを可能にする工学設計されたボイド構造の配置を含む材料の表現を示す。
【図７】本概念の局面に従う、図６に従う工学設計されたボイド構造を含む材料における単位セルの表現を示す。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｃ）は、この開示の局面に従う貫通穴の配置を含む工学設計されたボイド構造を有する固体の例を示し、（図８（ｂ）に示される）与えられる局所化された熱応力に応答する隣接ユニット位置間の応力の流れを示す。
【図９】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１０】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１１】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１２】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１３】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１４】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１５】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１６】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１７】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１８】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図１９】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２０】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２１】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２２】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２３】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２４】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２５】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２６】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２７】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２８】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図２９】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【図３０】ここに開示される概念のさまざまな局面および例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本開示の局面は、さまざまな修正形式および代替形式が可能であるが、具体的な実施の形態が、例示的に図面に示され、ここにおいて詳細に記載されることになる。しかしながら、この発明は、開示される特定の形式に限定されるよう意図されるものではないことが理解されるべきである。この発明は、特許請求の範囲に規定されるこの発明の精神および範囲内に入るすべての修正物、均等物および代替物を包含する。
【実施例】
【００１７】
この発明は多数の異なる形式における実施の形態が可能である。この発明の代表的な実施の形態が図面に示され、ここに詳細に記載されるが、本開示は、この発明の原理の例示として考えられるべきであること、およびこの発明の広い局面を、示される実施の形態に限定するようには意図されないことが理解される。
【００１８】
この詳細な記載の目的のため、具体的にそうではないと主張されない限り、単数形は複数形を含み、複数形は単数形を含み；「および」および「または」という語は接続的および離接的の両方であることになり；「すべての」という語は「如何なる／任意のおよびすべての」を意味し；「如何なる／任意の」という語は「如何なる／任意のおよびすべての」を意味し；「含む」および「備える」は「含むが限定されない」を意味する。さらに、「約」、「ほとんど」、「実質的に」、「おおよそ」などのような近似の語は、ここにおいては、たとえば「〜で、〜近くで、またはほとんど〜で」または「〜の３〜５％内で」、または「許容可能な製造公差」またはそれらの任意の論理的な組合せの意味において用いられ得る。
【００１９】
図６は、本概念の局面に従う材料であって、材料が負のポアソン比（ＮＰＲ）挙動を示すことを可能にする（細長い構造１０４、およびその細長い構造のどちらの端部にもある応力低減構造１０２などのような、１つ以上の下位構造含む）工学設計されたボイド構造１０の配置を含む材料の表現を示す。図６においてさらに表わされるように、この構造、およびより特定的には、示される単位セル２００は、−Ｙ方向を指す矢印によって表わされる圧縮力を受けると、その圧縮力は、各単位セル２００の中心の周りにモーメント２１０を引起して、セル２００を回転させる。各セル２００は、次いで、近隣の単位セル２００に影響するが、そのような影響は、近接するボイドまたは開口（それらは１つ以上の下位構造１０２、１０４を含んでもよい）が本概念の局面に従って配置される態様に帰着可能である。
【００２０】
図６に示される工学設計されたボイド構造１０は例示的にダブルＴスロットであるよう示されるが、他の工学設計されたボイド構造（たとえば大きなアスペクト比の長円、他のスロット形状など）を用いることもでき、同様のＮＰＲ挙動をもたらす結果となるであろう。
【００２１】
個々の単位セル２００に作用する力は、例示的に、図７において表現され、ＦＥは掛けられる外力を表わし、Ｆ１，２は、左側の近隣のセル（図示されるとおりでは、矢印位置ＦＸ,ｙ）からの掛けられる力を表わし、Ｆ２，３は、下の近隣のセルからの掛けられる力を表わし、Ｆ１，４は右側の近隣のセルからの掛けられる力を表わす。各単位セル２００は、図６に示されるように、それの隣接するセルのそれとは反対の方向に回転する。この回転の結果、水平方向に近接するセル間におけるＸ方向距離における低減がもたらされる。換言すれば、構造を、図６において−Ｙ方向を指す矢印によって示される態様におけるように、Ｙ方向に圧縮することによって、単位セル２００からなる材料はＸ方向に収縮され、したがって、「擬似オーゼティック」またはＮＰＲ挙動を呈する。逆に、＋Ｙ方向における張力は、Ｘ方向における膨張をもたらす結果となり、やはり「擬似オーゼティック」またはＮＰＲ挙動を表わす。構造全体の規模では、これは、単位セル２００を形成する材料が従来の正のポアソン比材料からなるにも係わらず、オーゼティック材料の挙動を模倣する。
【００２２】
図２を参照して、図１（ａ）〜図１（ｄ）の研究において利用される工学設計されたボイド構造１０が示され、固体材料における荷重経路の表現が強調されている。この例では、工学設計されたボイド構造は、４０％の孔隙率を規定する長円穴１２を含む。これらの
長円穴１２は強い曲率を有し、その結果、高い応力および可塑性を、対応して短くされた寿命とともに有する。矢印は、長円の最大曲率の点およびしたがって最大応力の点を示す。
【００２３】
ここに開示される概念を立証するものの、図２に示される４０％の孔隙率を有するサンプル材料はすべての適用例にとって好適ではないであろう。例示的に、前述のガスタービン燃焼器ライナは、典型的には、約１〜３％間の孔隙率を有する材料（たとえば環状の材料シート）を利用することを求め、実際の孔隙率は、所与の適用例の特定の設計目的（たとえば熱移動、音響効果、寿命など）に依存する。
【００２４】
図３は、本概念の少なくとも一部の局面に従う、工学設計されたボイド構造１０を有する他の固体の表現であり、スロット２０および停止穴１５（スロット２０の各端部に配置される）の配置を含む。このスロット２０および停止穴１５の配置は、図１の長円１２と比較して、湾曲をほとんど示さず、その結果、低い応力および低い可塑性を、対応して長くされた寿命とともに呈する。荷重経路が示されており、矢印は長円の最大曲率の点およびしたがって最大応力の点を示す。停止穴１５は、亀裂伝播を停止させるよう用いられ、真っ直ぐなスロット２０の端部に配置され、この位置における応力を低減する。スロット２０の長さは、意図される挙動を生じさせるようサイズ決めされる。
【００２５】
図２の長円１２とは対照的に、図３のスロット２０および停止穴１５の配置はわずか約３〜４％の孔隙率を示し、それは、この構造を、ガスタービン燃焼器を伴う特定の適用例に対して好適にする。もちろん、そのような適用例については、この構造は、限定を伴わずに、多結晶または単結晶ニッケル系、鉄−ニッケル系およびコバルト系超合金または他の耐高温耐腐食合金を含むがそれらに限定はされない、そのような適用例に対して好適な材料内で実施されるであろう。そのような合金の例は、インコネル（たとえばＩＮ６００、ＩＮ６１７、ＩＮ６２５、ＩＮ７１８、ＩＮ  Ｘ−７５０、など）、Ｗａｓｐａｌｏｙ、Ｒｅｎｅ合金（たとえばＲｅｎｅ４１、Ｒｅｎｅ８０、Ｒｅｎｅ９５、ＲｅｎｅＮ５）、Ｈａｙｎｅｓ合金（たとえばハステロイＸ）、インコロイ、ＭＰ９８Ｔ、ＴＭＳ合金およびＣＭＳＸ（たとえばＣＭＳＸ−４）単結晶合金を含むが、それらに限定はされない。
【００２６】
繰返すが、ここにおいて例示的に開示される工学設計されたボイド構造１０は、上記の超合金のような通常の正のポアソン比の材料が「擬似オーゼティック」またはＮＰＲ挙動を呈することを可能にすることが強調される。燃焼器ライナは、たとえば、意図される適用例に対して特定のボイド構造を含む材料から形成される。意図される挙動を得るために５０までのアスペクト比を有し（先端において非常に高い応力をもたらす結果となる）、長円形のボイドからなる公知のパターンを利用する従来の材料とは対照的に、（以下に論じられるように）応力緩和構造３５を伴うスロット３０のような、ここに開示される工学設計されたボイド構造１０は、より小さな孔隙率を与え、したがってより少ない空気を通過させることを可能にする。
【００２７】
図４は、本開示の局面に従ってスロット３０の配置を含む工学設計されたボイド構造１０を有する固体における荷重経路の表現である。示される例では、スロット３０はダブルＴスロットであり、応力低減構造３５が各スロット３０の各端部にある。示される応力低減構造３５においては、「Ｔ」の水平部分は長円の形状で湾曲して戻り、大きな曲率が垂直セクションとの連接点にあって、この位置における応力を低減する。スロット３０、つまり「Ｔ」の垂直部分は、意図される挙動を生じさせるよう長さがサイズ決めされた真っ直ぐなスロットである。図３の配置にあるように、このスロット３０の配置は、図２の長円と比較して、湾曲をほとんど示さず、その結果、低い応力および低い可塑性を、対応して長くされた寿命とともに呈する。矢印は、長円の最大曲率の点およびしたがって最大応力の点を示す。図２の長円１２とは対照的に、図４のスロット３０は、わずか約１〜２％の孔隙率を呈する。
【００２８】
ダブルＴスロット構造３０、３５に関し、応力低減構造３５の湾曲の度合を低くすることは、応力を低下させる。スロット３０と応力低減構造３５との連接点においては、曲率はおおむね平坦であり、それは応力をその長さの、より大きな部分にわたって分散させ、有意な局所的な応力低減を生じさせる。
【００２９】
一般的に、開示される工学設計されたボイド構造は、任意の固体材料（たとえばコンクリート、金属など）に適用されることができ、たとえば、ガスタービンまたはガスタービン燃焼器に限定されない。例示的な燃焼器適用例においては、しかしながら、開示される工学設計されたボイド構造１０は、巨視的な擬似オーゼティック挙動（負のポアソン比）を、有意に低減された孔隙率、ならびにしたがって冷却および減衰のための空気の使用の低減で有利に生じさせる。たとえこの構造が、そのような適用例にとって好適な「従来の」合金から形成されたとしても、それは、軸方向の圧縮荷重下に置かれると、それが形成される金属が負のポアソン比を有することなく、横方向に収縮することになる。この挙動は、注記されるように、特定の工学設計されたボイド構造それ自体によって引起される。
【００３０】
図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ、大きなアスペクト比の長円６０およびダブルＴ形状のスロット３０を含む、本概念の局面に従う工学設計されたボイド構造１０の例を示す。本概念に従う工学設計されたボイド構造１０のパターンは、両方の寸法において等しく離間される水平線および垂直線（Δｘ＝Δｙでもある）上に配置される水平構造および垂直構造（たとえばダブルＴの形状におけるスロット、停止穴を伴うスロット、大きなアスペクト比の長円など）を含む。スロットの中心はそれらの線の交差点上にあり、垂直スロットおよび水平スロットは垂直線および水平線上において交互する。垂直スロットは水平スロットによってそれらの線に沿って囲まれ（および水平スロットは垂直スロットによってそれらの線に沿って囲まれ）、次の垂直スロットは、両方の対角線上に見出される。円筒形の構成要素の外側のスロットパターンはシート上のパターンと等価である（垂直方向＝軸方向、水平方向＝周方向）。しかしながら、そのような構成においては、内側のスロット形状は、この表面の異なる半径のため、異なる。軸方向スロットは、外側におけるよりも短い短軸を有するが、より長い長軸を有する。周方向スロットは、外側おけるよりも長い短軸を有するが、より短い長軸を有する。
【００３１】
本概念に従う工学設計されたボイド構造１０のジオメトリおよび配置の操作は、現われたポアソン比を制御し得る。これらの革新的な特徴の長さを増大させることによって、ポアソン比を所望のように調整することができる。たとえば、図５（ａ）の長円６０の長軸を増大または低減させることによって、ポアソン比を事実上制御することができる。長円の短軸それ自体は有効なポアソン比において可変性を与えるが、負のポアソン比における達成可能な値に対する第２のオーダの影響のものにすぎない。同様に、ダブルＴスロットのような、本概念に従う工学設計されたボイド構造１０の他の配置に関して、細長いスロット構造（たとえば１０４；図６）は、負のポアソン比に対して第１のオーダの影響のものであり、応力低減構造またはより短い横方向構造は、（少なくとも個々において）第２のオーダの影響のものであり、可能にされた単位セル２００の回転は擬似オーゼティック挙動を生じさせることを可能にする（たとえば図６参照）。
【００３２】
本概念の少なくともいくつかの局面においては、図１（ａ）〜図１（ｄ）に関して上に注記された前述の試験片に荷重を掛けることによって、試験片が荷重下で変形する際にポアソン比における変化を判断することができる。あるレベルの変形で、「瞬間の」ポアソン比を判断し、それを、そのレベルの変形を表わす何らかのパラメータに対してプロットすることができる。システムまたはコンポーネントの設計者は、どのようなポアソン比がその特定の適用例に対して好適であろうかを判断した後、（たとえばルックアップテーブルなどを用いて）その目標のポアソン比に対応する対応の変形のレベルを判断することができ、その条件における穴のジオメトリが次いで判断される。この穴のジオメトリを、次いで、応力が掛けられていない部分上において機械加工（製造）して、所望のポアソン比を有する構成要素を達成することができる。
【００３３】
図８（ａ）〜図８（ｃ）は、本開示の局面に従って貫通穴の配置を含む工学設計されたボイド構造１０を有する固体の例を示し、実質的な定常状態（図８（ａ））、与えられた、局所化された熱応力７５（図８（ｂ））、および与えられた局所化された熱応力に応答しての、近接する単位位置間での応力の流れ（矢印８５）（図８（ｃ））を示す。本概念に従うと、ここに開示される工学設計されたボイド構造１０を含む材料は、一方向におけるホットスポット圧縮応力に応答して、正のポアソン比の材料に、ＮＰＲ特性を呈させ、他の方向においては収縮させて、この方向における熱応力を低減する。このメカニズムは逆にも働き、したがって、ホットスポットによって誘導される熱応力はすべての方向において強く低減される。この効果は、低減された剛さのインパクトだけよりも強い。ホットスポットでの応力は５０％低減され、応力疲労寿命を数オーダの大きさ分だけ増大させることに至る。
【００３４】
ここに開示される工学設計されたボイド構造１０に対する別の恩恵として、停止穴を伴うスロット（たとえば図３）またはダブルＴスロット（たとえば図４）は、それらが形成される材料から取除かれる材料をより少なくし、したがって、製造を加速させる。さらに、先に注記したように、停止穴を伴うスロット（たとえば図３）またはダブルＴスロット（たとえば図４）は、有意により小さい空隙率（より低い孔隙率）を有し、（たとえばガスタービン適用例において用いられるような）空気の使用における劇的な低減をもたらす結果となる。
【００３５】
ここに開示されるボイド構造１０は、適用例との関係において、異なるサイズおよび／またはジオメトリで有利に形成され得る。例として、ガスタービンの高温部分の構成要素における冷却または減衰穴は、典型的には、直径が約０．５ｍｍ〜３ｍｍの範囲にある。そのような適用例では、この発明のこの局面に従うボイド構造１０は、同じ度合の空気の流れを容易にするよう、おおよそ同じ断面積で構成されるであろう。停止穴を伴うスロット（たとえば図３）が設けられる場合には、停止穴が、単に、従来の穴構成の代わりとなり得る。したがって、穴は、同じ約０．５ｍｍ〜３ｍｍの直径範囲をカバーするかも知れず、２ｍｍ〜２０ｍｍの間において離間されるかもしれない。スロットは２つの隣接する穴の間の距離を橋渡しするであろう。同様に、ダブルＴスロット（たとえば図４参照）におけるスロットおよび横方向応力低減部のサイズ決めに関して、ダブルＴスロットの長手方向長さは先の形状と同じ寸法を有し、したがって、２ｍｍと２０ｍｍとの間である。応力低減のための横方向の延在は、長手方向長さの１０％と５０％との間であるかも知れない。大きなアスペクト比の長円に関しては、長軸寸法（先端から先端まで）は２ｍｍと２０ｍｍとの間であることが期待され、５と５０との間のアスペクト比を有することが期待される。
【００３６】
ボイドのサイズは、構成要素の厚みおよび製造方法に影響を受ける。上記の例示的な、非限定的な寸法は、主に、レーザ製造、およびガスタービンエンジンのような軽度に埃のある環境における動作に関係する。清浄な空気条件下では、たとえば、構造のサイズを低減し得、次いで、ボイドは、電子ビーム切断によって、上に与えられるサイズの約１／１０以下で製造され得る。
【００３７】
この発明を実施するための数多くの実施の形態およびモードを上に詳細に記載したが、この発明が関する技術分野の当業者は、この発明を特許請求の範囲内において実施するためのさまざまな代替的な設計および実施の形態を認識するであろう。たとえば、ここに開示される工学設計されたボイド構造１０の各々は、単一の構造（たとえば大きなアスペクト比の長円）または複数の構造（たとえば応力低減部を各端部に伴うスロット）を含んでもよい。これらの構造は、既存の材料に形成されてもよく、および／またはその材料の形成プロセス中に、レーザ切断、電子ビーム切断、水噴射切断、フォトリソグラフィ（光学リソグラフィ、ＵＶリソグラフィなど）またはマイクロファブリケーションのような任意の処理方法であるが、それらに限定はされない方法を用いて形成されてもよい。
【００３８】
ここに記載される実施の形態の各々は同じ構造を一様に利用したが、本概念はここに開示される異なる構造を組合せて利用することを含むことが理解される。たとえば、単一の構造におけるボイド構造１０の配置は、本概念に従って、大きなアスペクト比の長円および／または応力低減部を伴うスロットおよび／または停止穴を両端部に伴うスロットおよび／またはダブルＴ形状のスロットのうちの任意のものの組合せを含んでもよい。
【００３９】
さらに、ここに開示されるボイドの形状は限定的ではない。図６に示されるＮＰＲ挙動が達成され、単位セルが記載されるそれぞれの方向において回転する限り、異なる形状を本概念に従って用いることができる。ボイドの形状は、適用例の要件に基づいて選択的に変更することができる。
【００４０】
さらに、ここに添付されるのは、円形の貫通穴からなる規則的なアレイを有する従来の構造と対比しての、金属から形成される構造への本概念の適用に対応するスライドであり、本概念は金属においても、試験されたゴムと同様に働くことが示される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８（ａ）】
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【図８（ｂ）】
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【図８（ｃ）】
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【図９】
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【図１０（ａ）】
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【図１０（ｂ）】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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