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Dokumentenidentifikation DE10297295T5 26.08.2004
Titel Laminiertes Dämpfungsbasismaterial und Dämpfungsanordnung mit Schichtung dieses Basismaterials
Anmelder Tanimoto, Toshio, Fujisawa, Kanagawa, JP;
Kurimoto, Ltd., Osaka, JP;
Kimura, Toshio, Amagasaki, Hyogo, JP
Erfinder Tanimoto, Toshio, Fujisawa, Kanagawa, JP
Vertreter Vonnemann, Kloiber & Kollegen, 20099 Hamburg
DE-Aktenzeichen 10297295
Vertragsstaaten AE, AG, AL, AM, AT, AU, AZ, BA, BB, BG, BR, BY, BZ, CA, CH, CN, CO, CR, CU, CZ, DE, DK, DM, DZ, EC, EE, ES, FI, GB, GD, GE, GH, GM, HR, HU, ID, IL, IN, IS, KE, KG, KP, KR, KZ, LC, LK, LR, LS, LT, LU, LV, MA, MD, MG, MK, MN, MW, MX, MZ, NO, NZ, OM, PH, PL, PT, RO, RU, SD, SE, SG, SI, SK, SL, TJ, TM, TN, TR, TT, TZ, UA, UG, US, UZ, VN, YU, ZA, ZM, ZW, AP, EA, EP, OA
WO-Anmeldetag 09.08.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/JP02/08201
WO-Veröffentlichungsnummer 0003033256
WO-Veröffentlichungsdatum 24.04.2003
Date of publication of WO application in German translation 26.08.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 26.08.2004
IPC-Hauptklasse B32B 27/04
IPC-Nebenklasse F16F 15/02   E04B 1/98   

Beschreibung[de]
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein laminares Dämpfungsbasismaterial und eine Dämpfungsanordnung mit Schichtung des Basismaterials.

Stand der Technik

Faserverstärkter Kunststoff (FRP) ist in allgemeinen industriellen Konstruktionen und als Konstruktionsmaterial für eine große Spannweite von Anwendungsgebieten wie zum z. B. Luft- und Raumfahrt und Energie verwendet worden wegen seines geringen Gewichtes, seiner großen Festigkeit und großen Starrheit.

Da unterschiedliche Eigenschaften für strukturelle Fachwerke erforderlich sind, ist es seit kurzem sehr wichtig geworden, eine Technologie zur Unterdrückung oder Verringerung von Vibrationen zu entwickeln mit den oben beschriebenen Eigenschaften im Sinne einer Verbesserung von Positionsrichtigkeit von Strukturen und Verbesserung der Zuverlässigkeit vom eingebautem technischen Gerät.

Jedoch sind die Schwingungsdämpfungseigenschaften von FRP im Allgemeinen niedrig, welche deutlich schlechter als diejenigen von metallischen Strukturen sind. Daher hat der vorliegender Erfinder eine Dämpfungsstruktur A (Fabric Engineering, Vol. 51, No. 3 (1998)) entwickelt, bei welcher piezoelektrische Keramiken 5, 6 an beide Seiten der Außenseiten einer FRP-laminierten Struktur 4 geklebt werden und ein Widerstand 7 zwischen die jeweiligen piezoelektrischen Keramiken 5 und 6 geschaltet wird, wie in 3 dargestellt, um die Schwingungsdämpfungseigenschaften von FRP zu verbessern.

Das angenommene Prinzip des Dämpfens mit Hilfe der piezoelektrischen Keramik basiert darauf, dass elektrische Ladung durch einen piezoelektrischen Effekt generiert wird, wenn eine externe Kraft an die piezoelektrische Keramik angelegt wird und elektrische Energie wird als Joulesche Wärme abgegeben, indem die elektrische Ladung durch einen Widerstand hindurch geführt wird, welcher zwischen den piezoelektrischen Keramiken angeschlossen ist.

Da es aber erforderlich ist, einen Widerstand an die Außenseite der oben beschriebenen Dämpfungsstruktur anzuschließen, gibt es Nachteile in Bezug auf die Strukturen, wenn eine solche Dämpfungsstruktur für praktische Anwendungen verwendet wird, welche mit mehreren Formgebungsvorgängen versehen sind.

Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt mit Blick auf die oben beschriebenen Probleme und Unzulänglichkeiten, und es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Dämpfungsstruktur anzugeben mit einem einfacheren Aufbau, welche nicht das Anschließen eines Widerstandes erfordert, welcher für Dämpfungsstrukturen nach dem Stand der Technik verwendet wurde, und welche mit unterschiedlichen Formgebungsverfahren angegeben werden kann, und ein Dämpfungsbasismaterial zur Laminierung, welches ein Teil der obigen Dämpfungsstruktur ist

Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung

Eine Dämpfungsstruktur zur Schichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein piezoelektrisches Keramikmaterial oder ein piezoelektrisches Polymer und eine faserverstärkte Kunststoff (FRP)-Verbindung mit Leitfähigkeit.

Ferner Körner bestehend aus mindestens einer Sorte von Keramikmaterial, ausgewählt aus Lithiumniobat (LiNbO3), Barium-Titanat (BaTiO3), Blei-Titanat (PbTiO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT), und Bleimetaniobat ((PbNb2O6) werden vorzugsweise verwendet als das oben beschriebene piezoelektrische Keramikmaterial.

Zusätzlich werden feine Körner, welche man erhält, indem man eine aus einem fluorbasierten Polymermaterial hergestellten Schicht schneidet, vorzugsweise als oben beschriebenes piezoelektrisches Polymermaterial verwendet. Im Detail kann vorzugsweise eine Art von Harzmaterial, ausgewählt aus Monopolymeren von Polyvinylidenfluorid, Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen, und Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Tetrafluorethylen, vorzugsweise verwendet werden als das oben beschriebene piezoelektrische Polymermaterial.

Ferner kann vorzugsweise ein verstärkendes Material, hergestellt aus Karbonfasern und einer aus Kunststoff hergestellten Matrix verwendet werden als die oben beschriebene FRP-Zusammensetzung mit Leitfähigkeit.

Wenigstens eine Art von Verstärkungsmaterial, ausgewählt aus Glasfasern, Aramidfasern, Silikoncarbid (SiC) Fasern und Borfasern, wenigstens eine Art von leitendem Material ausgewählt aus Metallstaub, Graphit und Carbon Black; und eine Matrix, hergestellt aus Kunststoff, kann vorzugsweise als die oben beschriebenen FRP-Zusammensetzung mit Leitfähigkeit verwendet werden.

Eine erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung wird aufgebaut durch Laminierung von einer oder einer Vielzahl des oben beschriebenen Dämpfungsbasismaterials. Des Weiteren wird die Dämpfungsstruktur aufgebaut durch sequenzielles Laminieren des Dämpfungsbasismaterials, so dass die Geweberichtung von Gewebe, welches ein Dämpfungsbasismaterial bildet, nicht überlappt mit der Geweberichtung von Gewebe, welches ein anderes, unmittelbar auf das eine Dämpfungsbasismaterial laminierte Dämpfungsbasismaterial, bildet, wodurch man eine Schichtungsstruktur erhält, in welcher die Anisotropie der Steifigkeit, welche das Dämpfungsbasismaterial ursprünglich inne hat, abgeschwächt wird, wobei die mechanischen Eigenschaften der Dämpfungsstruktur ausgezeichnet gemacht werden können.

Zusätzlich ist die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da die Schwingungsdämpfungseigenschaften auf synergistische Weise verbessert werden können durch Ankleben von piezoelektrischer Keramik an beide Seiten der Außenseite der Dämpfungsstruktur und Anschließen der piezoelektrischen Keramik über einen elektrischen Widerstand zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aufbau.

Außerdem ist die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da die Schwingungsdämpfungseigenschaften auf synergistische Weise verbessert werden können durch Laminieren von mindestens einer Schicht aus viskoelastischen Polymerfilmen zwischen den Dämpfungsstrukturen zusätzlich zu dem oben beschriebenen Aufbau.

Im Einzelnen kann ein polyoletinbasierter Film vorzugsweise verwendet werden als viskoelastischen Polymerfilm.

Auch ist eine zweite Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht aus piezoelektrischem Polymerfilm oder piezoelektrischem Keramikdünnfilm zwischen mehrschichtigen laminaren Strukturen laminiert wird, in welchen eine Vielzahl von FRP-basierten Materialien mit Leitfähigkeit laminiert werden.

Ein auf Fluor basierendes Polymer ist vorteilhaft für die oben beschriebenen piezoelektrischen Polymere. Im Einzelnen können vorzugsweise mindestens eine Sorte von Polymer, ausgewählt aus Monopolymeren aus Polyvinylidenfluorid, Co-Polymere aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen, und Co-Polymere aus Vinylidenfluorid und Tetrafluorethylen, verwendet werden.

Des Weiteren kann vorzugsweise mindestens eine Sorte von Keramikmaterial, ausgewählt aus Lithiumniobat (LiNbO3), Barium-Titanat (BaTiO3), Blei-Titanat (PbTiO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT), und Bleimetaniobat ((PbNb2O6), verwendet werden als das oben beschriebene piezoelektrische Keramikmaterial.

Außerdem kann vorteilhaft ein verstärkendes Material, hergestellt aus Karbonfasern und eine Matrix, hergestellt aus Kunststoff, als das oben beschriebene FRP-Basismaterial mit Leitfähigkeit verwendet werden.

Wenigstens eine Sorte von Verstärkungsmaterial, ausgewählt aus Glasfasern, Aramidfasern, Likoncarbid (SiC) Fasern und Borfasern; mindestens eine Sorte von leitendem Material ausgewählt aus Metallstaub, Graphit und Carbon Black; und eine Matrix, hergestellt aus Kunststoff, kann als das oben beschriebene FRP-Basismaterial mit Leitfähigkeit verwendet werden.

Zusätzlich ist der zweite Dämpfungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da die Schwingungsdämpfungseigenschaften auf synergistische Weise verbessert werden können durch Ankleben von piezoelektrischen Keramik an beide Seiten der Außenseite des Dämpfungsaufbaus und Verbinden der piezoelektrischen Keramik über einen elektrischen Widerstand zusätzlich zum dem oben beschriebenen Aufbau.

Außerdem ist der zweite Dämpfungsaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung vorteilhaft, da die Schwingungsdämpfungseigenschaften auf synergistische Weise verbessert werden können durch Laminieren wenigstens einer Schicht aus viskoelastischem Polymerfilm zwischen den Dämpfungsstrukturen zusätzlich zu den oben beschriebenen Aufbauten. Im Einzelnen kann ein polyoletinbasierter Film vorzugsweise verwendet werden als viskoelastischer Polymerfilm.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine Ausführung der ersten Dämpfungsstruktur der vorliegenden Erfindung.

2 zeigt eine Ausführung einer zweiten Dämpfungsstruktur der vorliegenden Erfindung.

3 zeigt ein Beispiel einer Dämpfungsstruktur nach dem Stand der Technik.

4 zeigt die Beziehung zwischen einer Resonanzschwingungsmode der ersten Dämpfungsstruktur und deren Verlustfaktor.

5 zeigt die Beziehung zwischen einer Resonanzschwingungsmode der zweiten Dämpfungsstruktur und deren Verlustfaktor.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Im Folgenden wird eine Beschreibung eines laminaren Dämpfungsbasismaterials und einer Dämpfungsstruktur mit Schichtung des dementsprechenden Basismaterials gemäß der vorliegenden Erfindung gegeben. Als erstes gibt es gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Sorten von Dämpfungsstrukturen, die erste Sorte (im Folgenden "erste Dämpfungsstruktur" genannt), in welcher ein piezoelektrisches Keramikmaterial oder ein piezoelektrisches Polymer (im Folgenden „piezoelektrischen Material" genannt) vorhanden ist in einer gekörnten, pulvrig gekörnten oder fein gekörnten Form und die zweite Sorte (nachfolgend "zweite Dämpfungsstruktur" genannt), in welcher ein piezoelektrisches Material vorliegt in einer filmartigen oder dünnen, membranartigen Form. Außerdem wird die erste Dämpfungsstruktur gebildet, in dem man ein laminares Dämpfungsbasismaterial gemäß der vorliegenden Erfindung als eine Einheit laminiert. Die folgende Beschreibung wird mit den wie folgt klassifizierten Unterpunkten gemacht: Ein laminares Dämpfungsbasismaterial, welches ein Bauteil der ersten Dämpfungsstruktur ist, die erste Dämpfungsstruktur und die zweite Dämpfungsstruktur.

Laminares Dämpfungsbasismaterial

Laminares Dämpfungsbasismaterial (nachfolgend „Dämpfungsbasismaterial" genannt) gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein piezoelektrisches Material und eine faserverstärkte Kunststoff (FRP) Verbindung mit Leitfähigkeit. In der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, dass das Dämpfungsbasismaterial derart geformt wird, dass es eine feste Form und eine feste Dicke hat und das Dämpfungsbasismaterial wird verwendet als Teil der ersten Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung, welche durch Laminieren einer Vielzahl durch Dämpfungsbasismaterialien aufgebaut ist. Außerdem kann das Dämpfungsbasismaterial gemäß der vorliegenden Erfindung einen Einschichtaufbau umfassen, in welchem ein piezoelektrisches Material mit dem oben beschriebenen FRP dispergiert wird, oder kann ein Zweischichtaufbau umfassen, bestehend aus einer FRP-Zusammensetzung und einer piezoelektrischen Materialschicht, indem man das piezoelektrische Material auf die äußere Fläche der FRP-Verbindung sprüht und aufklebt. Im Folgenden wird eine Beschreibung eines Zusammensetzungsmaterials des Dämpfungsbasismaterials gegeben.

Das piezoelektrische Material, welches als Dämpfungsbasismaterial verwendet wird, dient zur Umwandlung der Schwingungsenergie in elektrische Energie, wenn eine externe Kraft an das Dämpfungsbasismaterial angelegt wird. Ein Piezoelektrizität aufweisendes Material, also ein Material, welches augenblicklich verzerrt wird, wenn eine externe Kraft angelegt wird, und elektrische Ladung erzeugt, ist vorteilhaft als piezoelektrisches Material. Insbesondere kann bevorzugt ein piezoelektrisches Keramikmaterial oder ein piezoelektrisches Polymermaterial verwendet werden.

Lithiumniobat (LiNbO3), Barium-Titanat (BaTiO3), Blei-Titanat (PbTiO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT), und Bleimetaniobat ((PbNb2O6) können als bevorzugte piezoelektrische Keramikmaterialien aufgeführt werden. Diese Verbindungen können bevorzugt unabhängig oder in einer Kombination einer Vielzahl davon verwendet werden.

Da es erforderlich ist, das oben beschriebene piezoelektrische Keramikmaterial auf die äußere Fläche einer FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit zu sprühen und anzukleben oder dieselbe in der oben beschriebenen FRP-Verbindung zu dispergieren, wird das oben beschriebene piezoelektrische Keramikmaterial bevorzugt in Form von Körnern verwendet. Außerdem gibt es keine spezielle Begrenzung in Bezug auf Korngröße, Kornform und Mischmenge des piezoelektrischen Keramikmaterials, wenn die piezoelektrischen Keramikmaterialien als Körner verwendet werden. Das heißt, die Korngröße, Kornform und Mischmenge kann geeignet ausgewählt werden, so dass die Produktivität und Piezoelektrizität des Dämpfungsbasismaterial optimiert werden können.

Indessen kann ein fluorbasiertes Polymermaterial als bevorzugtes piezoelektrisches Polymermaterial aufgeführt werden. Im Einzelnen können Monopolymere aus Polyvinylidenfluorid, Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen, und Co-Polymere aus Vinylidenfluorid und Tetrafluorethylen aufgeführt werden. Diese können vorzugsweise unabhängig oder in einer Kombination aus einer Vielzahl davon verwendet werden.

Des Weiteren wird im Allgemeinen das Polymermaterial notwendigerweise in der Form eines Filmes verwendet, da ein für die vorliegende Erfindung verwendetes Polymermaterial Piezoelektrizität annimmt durch Verwendung eines Verfahrens (dieses Verfahren wird "poling" genannt) zur Rückführung zu einer Raumtemperatur nach dem Hervorrufen einer Polarisierung (Restpolarisierung), indem man ein hohes elektrisches Feld an den ausgebreiteten Materialharz anlegt bei einer hohen Temperatur inklusive und kleiner als ein Schmelzpunkt. Daher ist es vorteilhaft, dass der Film in Form von feinen Körnern geschnitten wird, um gewünschte Piezoelektrizität hervorzurufen, in dem der Film auf die Außenfläche einer FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit besprüht oder geklebt wird oder in dem der Film in der oben beschriebenen FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit dispergiert wird.

Die in dem Dämpfungsbasismaterial verwendete FRP-Verbindung hat eine Steifigkeit wie ein Dämpfungsbasismaterial, lässt elektrische Ladung hindurch gehen, welche erzeugt wird, wenn eine externe Kraft an das oben beschriebene piezoelektrische Material angelegt wird, und dient gleichzeitig der Umwandlung von elektrischer Energie in Joulesche Wärme als ein Widerstand für elektrische Ladung. In der vorliegenden Erfindung ist es hinsichtlich der Kosten vorteilhaft, dass das Baumaterial der FRP-Verbindung andersartig gemacht wird, in den Fällen, in denen ein Gewebematerial mit Leitfähigkeit (nachfolgend "leitendes Gewebematerial" genannt) verwendet wird und ein Gewebematerial, welches keinerlei Leitfähigkeit (nachfolgend "nichtleitendes Gewebematerial" genannt) aufweist, verwendet wird.

Nachfolgend wird eine Beschreibung der FRP-Verbindung gegeben, in den Fällen des leitenden Gewebematerials und nichtleitenden Gewebematerials. Wenn das leitende Gewebematerial verwendet wird, ist es durch Verwendung eines aus einem leitenden Gewebematerial und einer aus Kunststoff hergestellten Matrix als unabdingbare Komponenten aufgebauten Verstärkungsmaterials möglich, eine FRP-Komposition zusammenzusetzen, welche die gewünschte Leitfähigkeit der vorliegenden Erfindung hat. Im vorliegenden Fall werden Karbonfasern bevorzugt verwendet als das leitende Gewebematerial.

Des Weiteren ist es, da der Kunststoff als Matrix verwendet wird, möglich, einen gemeinhin bekannten temperaturaushärtenden Harz- oder wärmeformbaren Harz zu verwenden, welcher als faserverstärkender Kunststoff verwendet werden. Beispielsweise können bevorzugt ungesättigter Polyesterharz, Epoxyharz, Phenolharz, Melaminharz, Silikonharz usw. als der durch Hitze fest werdende Harz verwendet werden. Auf der anderen Seite können Polyamidharz, Acetalharz, Polycarbonatharz, Vinylchloridharz, ABS-Harz, technischer Kunststoffharz, Polyethylenharz, Polypropylenharz, Polyestyrenharz, Methacrylharz, Fluorharz, gesättigter Polyesterharz, AS-Harz etc. bevorzugt als wärmeformbarer Harz verwendet werden.

Wenn das nichtleitende Gewebematerial verwendet wird, ist es möglich, durch Verwendung eines Verstärkungsmaterials, hergestellt aus einem nichtleitende Gewebematerial, einer Matrix, hergestellt aus Kunststoff, und einem leitenden Material als unabdingbare Komponenten eine FRP-Zusammensetzung zusammenzustellen, welche die gewünschte Leitfähigkeit in der vorliegenden Erfindung hat. Dabei werden Glasfasern, Aramidfasern, Silikoncarbid (SiC) Fasern und Borfasern bevorzugt als das nichtleitende Gewebematerial verwendet. Desselbigen gleichen können diese vorzugsweise unabhängig oder in einer Kombination aus einer Vielzahl daraus verwendet werden.

Des Weiteren ist es möglich, als Kunststoff einen gemeinhin bekannten, durch Hitze fest werdenden Harz oder in Wärme formbaren Harz zu verwenden, welcher als faserverstärkter Kunststoff verwendet werden kann. Zum Beispiel können ungesättigter Polyesterharz, Epoxyharz, Phenolharz, Melaminharz, Silikonharz usw. bevorzugt als der durch Hitze fest werdende Harz verwendet werden. Auf der anderen Seite können Polyamidharz, Acetalharz, Polycarbonatharz, Vinylchloridharz, ABS-Harz, technischer Kunststoffharz, Polyethylenharz, Polypropylenharz, Polyestyrenharz, Methacrylharz, Fluorharz, gesättigter Polyesterharz, AS-Harz etc. bevorzugt als in Wärme verformbarer Harz verwendet werden.

Außerdem kann Metallpulver, Graphit und Carbon Black bevorzugt als das leitende Material verwendet werden. Ferner können diese vorzugsweise unabhängig oder in einer Kombination aus einer Vielzahl davon verwendet werden. Das Mischverhältnis eines leitenden Materials zu dem des Dämpfungsbasismaterials kann geeignet gewählt werden als eine optimale Menge bezüglich der Leitungseigenschaften, wenn dieses zu dem Dämpfungsbasismaterial wird, wobei es keine speziellen Limitierungen gibt.

Wie oben beschrieben, kann das Dämpfungsbasismaterial gemäß der vorliegenden Erfindung zu einer Einschichtkonstruktion gemacht werden, in welcher ein piezoelektrisches Material innerhalb der oben beschriebenen FRP-Zusammensetzung dispergiert wird oder kann zu einer doppelschichtigen Konstruktion verarbeitet werden, welche aus einer FRP-Verbindungsschicht und einer Schicht aus piezoelektrischem Material besteht, in dem das piezoelektrische Material auf die Außenfläche der FRP-Verbindung aufgesprüht und aufgeklebt wird. Daher gibt es in der vorliegenden Erfindung keine speziellen Begrenzungen dahingehend, dass die Konstruktion zu einer Schicht oder einer Doppelschicht verarbeitet wird.

Allerdings ist es bevorzugt, da die Dispersion eines piezoelektrischen Materials relativ zu der FRP-Verbindung sich im allgemeinen unterscheidet, je nach dem, ob das in der FRP-Verbindung enthaltende Fasermaterial kurz oder lang ist, den Schichtaufbau des Dämpfungsbasismaterials passend zu der Form des Gewebematerials auszuwählen, wenn das Dämpfungsbasismaterial hergestellt wird.

Im Einzelnen ist eine Einschichtkonstruktion bevorzugt, wenn kurze Fasern verwendet werden und eine Doppelschichtkonstruktion ist bevorzugt, wenn lange Fasern verwendet werden.

Als nächstes wird eine Beschreibung eines Verfahrens zur Herstellung des Dämpfungsbasismaterials gegeben. Zunächst können die Fasern immer, wenn entweder eine leitende Faser oder eine nichtleitende Faser verwendet wird, vorzugsweise in verarbeiteter Form von gewebtem Gewebe (nachfolgend "Gewebebasismaterial" genannt) verwendet werden. Es gibt keine spezielle Begrenzungen bezüglich der Form des gewebten Gewebes. Allerdings können im Allgemeinen einfach gewebter Stoff, Seidenstoff, vorbespinnter Stoff und mit Wickeltechnik hergestellter Stoff bevorzugt verwendet werden, unabhängig oder in einer Kombination daraus. Des Weiteren kann mit Vorteil, wenn gewünscht ist, dass ein Dämpfungsbasismaterial von hoher Festigkeit konstruiert wird, das oben beschriebene Gewebe intensiv in einer Richtung gezogen bevorzugt verwendet werden.

Zum Beispiel wird das Dämpfungsbasismaterial einer einschichtigen Struktur hergestellt, in dem man ein piezoelektrisches Material in einem geschmolzenen Kunststoffharz dispergiert und dann das oben beschriebene aus Karbonfasern bestehende Gewebebasismaterial dort hineintaucht und den geschmolzenen Harz aushärtet. Außerdem wird das Dämpfungsbasismaterial aus einer zweischichtigen Struktur hergestellt, indem man das oben beschriebene, aus Karbonfasern hergestellte Gewebebasismaterial in einen geschmolzenen Kunststoffharz eintaucht und anschließend ein piezoelektrisches Material auf die Außenfläche des geschmolzenen Kunststoffharzes sprüht und klebt.

Zusätzlich ist es in Fällen, in denen ein durch Hitze fest werdender Harz als Harz verwendet wird, möglich, ein halb ausgehärtetes Dämpfungsbasismaterial (sogenanntes "prepreg") herzustellen, da solch ein Dämpfungsbasismaterial eine gewisse Viskosität aufweist, ist es im Hinblick auf die Herstellung vorteilhaft, da es möglich ist, in Fällen, in denen die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Überlappen einer Vielzahl von Dämpfungsbasismaterialien hergestellt wird, auf einfache Weise die jeweiligen Dämpfungsbasismaterialien zu laminieren durch Heiz- und Zusammenpressarbeitsgänge. Das oben beschriebene Dämpfungsbasismaterial aus einer einschichtigen Struktur wird hergestellt mit dem piezoelektrischen Material, welches in einer FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit abgelagert ist. Aus diesem Grunde wird, wenn eine externe Kraft an das Dämpfungsbasismaterial angelegt wird, die folgende Energieumwandlung ausgelöst. Als erstes wird, wenn eine externe Kraft (eine mechanische Schwingungsenergie) an ein Dämpfungsbasismaterial angelegt wird, die Schwingungsenergie durch einen piezoelektrischen Effekt des in der Gesamtheit des Dämpfungsbasismaterials vorhandenen piezoelektrischen Materials in elektrische Energie umgewandelt, und elektrische Ladung wird in einem großen Bereich des Dämpfungsbasismaterials erzeugt. Und die auf diese Weise erzeugte elektrische Ladung fließt innerhalb des gesamten Dämpfungsbasismaterials durch einen Leitvorgang der leitenden Substanz, und ein Großteil elektrischer Energie wird in Joulesche Wärme innerhalb des gesamten Dämpfungsbasismaterials durch die Wirkung eines Widerstands der leitenden Substanz umgewandelt und die umgewandelte Joulesche Wärme wird aus dem Dämpfungsbasismaterial heraus abgeleitet, folglich wird die an das Innere des Dämpfungsbasismaterials angelegte Energie vermindert.

Außerdem wird das oben beschriebene Dämpfungsbasismaterial einer zweischichtigen Struktur aufgebaut durch das piezoelektrische Material bzw. FRP-Verbindungen mit Leitfähigkeit, welche separate Schichten bilden. Daher wird, wenn eine externe Kraft an ein Dämpfungsbasismaterial angelegt wird, die folgende Energieumwandlung hervorgerufen. Als erstes wird, wenn eine externe Kraft (eine mechanische Schwingungsenergie) an das Dämpfungsbasismaterial angelegt wird, die Schwingungsenergie in elektrische Energie durch einen piezoelektrischen Effekt eines piezoelektrischen Materials, welches in der piezoelektrischen Materialschicht konzentriert und befindlich ist, innerhalb eines schmalen Bereiches des Dämpfungsbasismaterials in elektrische Energie umgewandelt, wodurch elektrische Ladung erzeugt wird. Und die auf diese Weise erzeugte elektrische Ladung fließt innerhalb der Gesamtheit des Dämpfungsbasismaterial auf Grund einer Leitungswirkung der in der gesamten FRP-Verbindung enthaltenen leitenden Substanz, und gleichzeitig wird ein Großteil der elektrischen Energie in einem weiten Bereich des Dämpfungsbasismaterials durch die Wirkung eines Widerstandes der leitenden Substanz in Joulesche Wärme umgewandelt. Die umgewandelte Joulesche Wärme wird außerhalb des Dämpfungsbasismaterials abgeführt, als Folge daraus wird die an das Innere des Dämpfungsbasismaterials angelegte Energie vermindert.

Erste Dämpfungsstruktur

Die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch Laminieren von einem oder einer Vielzahl der oben beschriebenen Dämpfungsbasismaterialien und um als mehrschichtige Laminatstruktur geformt zu sein, weiterverarbeitet, in dem man Kompressionen und Erhitzung durchführt. Die Kompressions- und Heizbedingungen des Dämpfungsbasismaterials sind nicht besonders begrenzt. Die Kompressions- und Heizbedingungen können geeignet auf optimale Bedingungen festgesetzt werden in Abhängigkeit von dem verwendeten Dämpfungsbasismaterial.

Ferner ist es nach der vorliegenden Erfindung in Fällen, in denen ein Dämpfungsmaterial durch Laminieren einer Vielzahl von Dämpfungsbasismaterialien nach oben übereinander hergestellt wird, vorteilhaft, dass eine derartige Laminatstruktur verwendet wird, bei welcher die Anisotropie der Steifigkeiten, welche die jeweiligen Dämpfungsbasismaterialien inhärent aufweisen, vermindert werden können. Nachfolgend wird unterhalb dieses Punktes eine Beschreibung gegeben unter Bezugnahme auf ein Beispiel einer Dämpfungsstruktur, bei welcher Dämpfungsbasismaterialien mit einschichtiger Struktur laminiert werden.

Wie in 1 dargestellt, wird die Dämpfungsstruktur 1 auf solche Weise hergestellt, dass in dem Fall, dass die Geweberichtung der das erste Dämpfungsbasismaterial 11 bildenden Geweben als Referenz (0°) und die Geweberichtung der das zweite Dämpfungsbasismaterial 12 bildenden Gewebe 45 ° beträgt, das zweite Dämpfungsbasismaterial 12 über das erste Dämpfungsbasismaterial laminiert wird, anschließend das dritte Dämpfungsbasismaterial 13 über das zweite Dämpfungsbasismaterial in der Geweberichtung von –45° laminiert wird und weiter das vierte Dämpfungsbasismaterial 14 über das dritte Dämpfungsbasismaterial in der Geweberichtung 90° laminiert wird, wobei ein oder eine Vielzahl von Sätzen, von denen jeder aus vier Basismaterialien aufgebaut ist, welche in den Richtungen [0°/+45°/–45°/90°] laminiert sind, übereinander laminiert werden (In der vorliegenden Erfindung wird die Laminatstruktur eine "quasi-gleiche rechteckige Laminatkonstruktion" genannt).

Außerdem kann eine Dämpfungsstruktur, bei welcher eine oder eine Vielzahl von laminaren Strukturen mit zwei unter [0°/90°] laminierten Dämpfungsbasismaterialien laminiert wird, als ein weiteres Beispiel aufgeführt werden (In der vorliegenden Erfindung wird die laminate Konstruktion eine "kreuzförmige laminate Konstruktion" genannt).

Das heißt, es ist vorteilhaft, dass eine laminate Konstruktion, bei welcher die Geweberichtungen der jeweiligen Dämpfungsbasismaterialien vollkommen verschieden voneinander sind, als ein Satz aufgebaut ist und einer und eine Vielzahl von Sätzen der laminaren Konstruktion laminiert werden, um eine Dämpfungsstruktur herzustellen. Durch den Einsatz einer solchen laminaren Konstruktion kann die Anisotropie in den Steifigkeiten, welche die Dämpfungsbasismaterialien inhärent aufweisen, in unterschiedlichen Richtungen erniedrigt werden, wobei es möglich ist, die Anisotropie in den Steifigkeiten zu reduzieren, wenn diese als eine Dämpfungsstruktur verarbeitet werden und die Dämpfungsstruktur kann weitere vorteilhafte mechanische Eigenschaften haben.

Als nächstes wird eine Beschreibung des angenommenen Dämpfungsprinzips der ersten Dämpfungsstruktur gegeben. Die erste Dämpfungsstruktur wird hergestellt, in dem man eine oder eine Vielzahl von Dämpfungsbasismaterialien mit der oben beschriebenen Energieumwandlungswirkung laminiert. Aus diesem Grunde wird, wenn eine externe Kraft an die erste Dämpfungsstruktur 1 angelegt wird, Schwingungsenergie auf die Gesamtheit der einzelnen Dämpfungsbasismaterialien übertragen, welche Bestandteile sind und die Schwingungsenergie wird in elektrische Energie (Erzeugung von elektrischer Ladung) anhand eines piezoelektrischen Effektes eines piezoelektrischen Materials, welches in den einzelnen Dämpfungsbasismaterialien dispergiert und in diesen vorhanden ist, umgewandelt. Anschließend wird die erzeugte elektrische Ladung überwiegend durch elektrischen Widerstand in Joulesche Wärme umgewandelt, wenn sie in die einzelnen Dämpfungsbasismaterialien fließt und die Joulesche Wärme wird abgeführt, das heißt, da die nach dem oben beschriebenen Vorgang verbleibende Schwingungsenergie gegenüber der ursprünglichen Energie bedeutend vermindert ist, ist es möglich, die Schwingungen der Dämpfungsstruktur schnell zu dämpfen.

Die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie keinerlei externen Widerstand benötigt, wie er in bekannten Dämpfungsstrukturen nach dem Stand der Technik verwendet wird, und durch Laminieren einer oder einer Vielzahl von Schichten eines Dämpfungsbasismaterials hergestellt wird, welches aufgebaut wird durch Dispersion eines leitenden Materials, welches als interner Widerstand wirkt, und eines piezoelektrischen Materials zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie. Der ersten Dämpfungsstruktur gelingt es erfolgreich, Dämpfungseigenschaften mit einem sehr einfachen strukturellen Aufbau anzugeben.

Außerdem ist der Aufbau der ersten Dämpfungsstruktur wie oben beschrieben. Allerdings ist es möglich, durch geeignete Kombination technischer Elemente, wie sie in den Dämpfungsstrukturen des Standes der Technik verwendet werden, mit der ersten Dämpfungsstruktur die Dämpfungseigenschaften auf synergistische Weise zu verbessern. Zum Beispiel kann eine solche Konstruktion verwendet werden, in welcher piezoelektrische Keramiken jeweils an beide Seiten der Außenseite der erste Dämpfungsstruktur angeklebt werden und diese piezoelektrischen Keramiken miteinander über elektrische Widerstände zusammengeschaltet werden oder eine solche Konstruktion kann verwendet werden, bei welcher mindestens eine Schicht aus viskoelastischen Polymerfilmen (z.B. polyoletinbasierter Film) zwischen die ersten Dämpfungsstrukturen laminiert wird. Das Dämpfungsprinzip der letztgenannten Dämpfungsstruktur, bei welcher ein viskoelastischen Polymerfilm eingefügt wird, basiert darauf, das Schwingungsenergie in thermische Energie mittels Gleitverformung des Filmes umgewandelt und abgeführt wird.

Wie bereits oben beschrieben wurde, weist die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Dämpfungsregelungseigenschaften als mehrschichtige laminare Struktur von FRP auf. Daher kann eine solche Struktur, da sie ausgezeichnete Schwingungsdämpfungsleistung und Lärmfreimachung und Lärmunterdrückungsleistung hat und zusätzlich leicht ist und urmechanische Festigkeit aufweist, in verschiedensten Einsatzgebieten als Struktur verwendet werden. Beispielsweise kann sie als ausgezeichnetes Dämpfungsmaterial in einem großen Bereich von Anwendungen, wie z. B. Roboterarmen, Windmühlenmaterialien für Windkrafterzeugung, Automobile, Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge, Sportmaterialien (Golfschläger, Tennisschläger) etc. verwendet werden.

Darüber hinaus kann die erste Dämpfungsstruktur als ausgezeichnete Lärmabdämmungs- und Geräuschisolierungsmaterialien in der Bautechnik und Bauanwendungen und in unterschiedlichen Arten von Maschinen und elektrischen Komponenten verwendet werden.

zweite Dämpfungsstruktur

Die zweite Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung wird hergestellt durch Laminieren von mindestens einer Schicht piezoelektrischen Films oder piezoelektrischen Dünnfilms (nachfolgend "piezoelektrischer Film (Dünnfilm)" genannt) zwischen mehrschichtigen FRP-Strukturen, welche hergestellt werden durch Laminieren einer Vielzahl von laminaren FRP-Basismaterialien mit Leitfähigkeit. Nachfolgend wird eine Beschreibung der jeweiligen bestandteilbildenden Materialien gegeben.

Als erstes hat der piezoelektrische Film (Dünnfilm) die Funktion, die Schwingungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln, wenn eine externe Kraft an die zweite Dämpfungsstruktur angelegt wird. Ein Piezoelektrizität aufweisendes Material, das heißt, ein Film oder ein Dünnfilm, bestehend aus einem Material, welches augenblicklich verformt wird, wenn eine externe Kraft angelegt wird und elektrische Ladung erzeugt, ist bevorzugt für den piezoelektrischen Film (Dünnfilm). Insbesondere kann vorteilhaft ein Dünnfilm aus piezoelektrischem Keramik oder ein Film aus einem piezoelektrischen Polymer verwendet werden.

Die in dem oben beschriebenen Dämpfungsbasismaterial verwendeten Materialien können als den Dünnfilm aus piezoelektrischem Keramik bildendes piezoelektrisches Keramikmaterial und als einen Film aus piezoelektrischem Polymer bildendes piezoelektrisches Polymermaterial verwendet werden. Außerdem kann die Dicke des Dünnfilms oder Films derart geeignet gewählt werden, dass eine optimale piezoelektrische Eigenschaft erhalten wird, wobei es keine besondere Einschränkung gibt.

Ein laminares FRP-Basismaterial mit Leitfähigkeit hat Steifigkeit als Dämpfungsbasismaterial, und dasselbe laminare FRP-Basismaterial erfüllt die Aufgabe, elektrische Ladung, welche erzeugt wird, wenn eine externe Kraft an den oben beschriebenen piezoelektrischen Film (Dünnfilm) angelegt wird, durchzulassen und elektrische Energie als Widerstand für elektrische Ladung in Joulesche Wärme umzuwandeln. Des Weiteren kann das Material, welches das laminare FRP-Basismaterial bildet, ähnlich der für das oben beschriebene laminare Dämpfungsbasismaterial verwendeten FRP-Verbindung sein. Auf dem Markt erhältliche FRP-Basismaterialien können, so wie sie sind, verwendet werden. Im Einzelnen ist es bei Verwendung von aus Karbonfasern und aus härtendem Harz bestehenden und auf dem Markt erhältlichen laminaren Basismaterials (prepreg) nicht notwendig, ein FRP-Basismaterial neu herzustellen. Weiter lässt sich, da es möglich ist, auf einfache Weise laminare Formung des Basismaterials durchzuführen, die zweite Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf einfache Weise herstellen. Die zweite Dämpfungsstruktur wird hergestellt durch Laminieren von mindestens einer Schicht aus piezoelektrischem Film (Dünnfilm) zwischen eine mehrschichtige Struktur, welche hergestellt wird durch Laminieren einer Vielzahl von laminaren FRP-Basismaterialien mit Leitfähigkeit. Als erstes ist es basierend auf dem gleichen Grund, wie bei der ersten Dämpfungsstruktur beschrieben, bevorzugt, dass die FRP-Basismaterialien auf solche Weise laminiert werden, dass die Anisotropie der Steifigkeiten, welche die FRP-Basismaterialien inhärent aufweisen, vermindert wird. Zum Beispiel, wie in 2 zu erkennen, wird eine Vielzahl von FRP-Basismaterialien 21 mit quasi-gleicher Rechteckigkeit laminiert und anschließend wird der oben beschriebene piezoelektrische Film (Dünnfilm) 3 angefügt und zwischen den FRP-Basismaterialien 21 und 21 angeklebt, wodurch es möglich ist, die zweite Dämpfungsstruktur 2 herzustellen. Es gibt keine speziellen Begrenzungen an die Form, Abmessung, Position und Menge der piezoelektrischen Filme (Dünnfilme), welche eingefügt werden sollen, und diese Faktoren können geeignet gewählt werden, um die optimalen piezoelektrischen Eigenschaften zu erhalten. Zusätzlich kann Bezug auf ein Verfahren zum Ankleben von piezoelektrischen Film (Dünnfilm) und FRP-Basismaterialien ein öffentlich bekanntes Klebemittel verwendet werden, es sei denn, dass ausreichende Haftstärke mit einer gewöhnlichen Wärme-Druckeinpass-Prozedur erhalten wird.

Als nächstes wird eine Beschreibung des angenommenen Dämpfungsprinzips der zweiten Dämpfungsstruktur gegeben. Wenn eine externe Kraft an die zweite Dämpfungsstruktur angelegt wird, wird zunächst Schwingungsenergie erzeugt und die Schwingungsenergie wird augenblicklich durch einen piezoelektrischen Effekt des piezoelektrischen Films (Dünnfilms) in elektrische Energie umgewandelt (elektrische Ladung wird erzeugt), sobald die Vibrationsenergie den piezoelektrischen Film (Dünnfilm) erreicht. Als nächstes wird ein Großteil der Schwingungsenergie durch den an die in dem FRP fließende erzeugte elektrische Ladung angelegten elektrischen Widerstand in Joulesche Wärme umgewandelt und die Joulesche Wärme wird abgeführt, das heißt, da die nach dem oben beschriebenen Vorgang verbleibende Schwingungsenergie wesentlich gegenüber der ursprünglichen Energie vermindert ist, dass es möglich ist, die Schwingungen der Dämpfungsstruktur schnell zu dämpfen.

Die zweite Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie keinen externen Widerstand benötigt, wie er in Dämpfungsstrukturen nach dem Stand der Technik verwendet wurde, und sie gleichförmig ein dispergiertes leitendes Material als internen Widerstand enthält. Ferner umfasst es innerhalb der Dämpfungsstruktur einen piezoelektrischen Körper in der Form eines Films (Dünnfilms), welcher mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Aus diesem Grunde gelingt es der zweiten Dämpfungsstruktur erfolgreich, Dämpfungseigenschaften mit einer sehr einfachen Struktur als Struktur zu erreichen.

Die Herstellung der zweiten Dämpfungsstruktur ist wie oben beschrieben. Allerdings ist es möglich, durch geeignete Kombination technischer Elemente, wie sie in Dämpfungsstrukturen gemäß dem Stand der Technik verwendet werden, mit der zweiten Dämpfungsstruktur auf synergistische Weise die Dämpfungseigenschaften zu verbessern. Beispielsweise kann eine solche Konstruktion verwendet werden, bei der piezoelektrische Keramiken an jeweils beide Seiten der Außenseite der zweiten Dämpfungsstruktur angeklebt werden und diese piezoelektrischen Keramiken über elektrische Widerstände miteinander elektrisch verbunden werden. Oder es kann auch eine solche Konstruktion verwendet werden, bei der mindestens eine Schicht aus viskoelastischen Polymerfilmen zwischen die zweiten Dämpfungsstrukturen laminiert wird. Das Dämpfungsprinzip der obigen Dämpfungsstruktur, in welcher ein viskoelastischen Polymerfilm eingefügt ist, basiert darauf, dass Schwingungsenergie mittels Gleitdeformation des Filmes in thermische Energie umgewandelt und abgeführt wird.

Wie bereits oben beschrieben wurde, weist die zweite Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung ausgezeichnete Dämpfungsregelungseigenschaften als eine mehrschichtige laminare Struktur aus FRP auf. Aus diesem Grunde kann diese Struktur, da sie ausgezeichnete Schwingungsdämpfungswirkung und Geräuscheinschluss- und Geräuschdämpfungswirkung hat und zusätzlich leicht ist und große Festigkeit hat, in unterschiedlichen Anwendungen als Struktur verwendet werden. Zum Beispiel kann es als ausgezeichnetes Dämpfungsmaterial in einem breiten Anwendungsbereich verwendet werden, wie zum Beispiel Roboterarmen, Windmühlenmaterialien für Windkrafterzeugung, Automobilen, Fahrzeugen, Wasserfahrzeugen, Sportausrüstungen (Golfschläger, Tennisschläger) etc. Außerdem kann die zweite Dämpfungsstruktur als Struktur in Bauingenieur- und in Bauanwendungen und in unterschiedlichen Arten von Maschinen und elektrischen Komponenten als ausgezeichnete Schalleindämmung und Schallisolierungsmaterialien verwendet werden.

Nachfolgend wird eine weitere ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung auf Basis von Ausführungsformen gegeben. Die vorliegende Erfindung ist allerdings nicht auf diese konkreten Ausführungsbeispiele beschränkt.

Bestandteilsmaterialien

Kohlenstoff/Epoxy Prepreg mit nur einer Ausrichtung (Handelsname: Torayaca T800H/#2500, Toray Industries, Inc.) wurde als laminares FRP verwendet. Polyvinylidenfluorid (PVDF) (Handelsname: Kureha KF Polymer: Kureha Chemicals Industries, Ltd.) wurde als piezoelektrisches Polymer verwendet.

Bleizirkonat-Titanat (PZT) wurde als piezoelektrische Keramik verwendet. Bleizirkonat-Titanat (PZT) (Handelsname: C-82, Fuji Ceramics Co., Ltd.) wurde als Rohmaterial einer piezoelektrischen Keramikplatte verwendet. Die piezoelektrischen Keramikplatte, deren Abmessungen 10 mm × 15 mm × 0,28 mm sind, wurde benutzt.

Ausführungsbeispiel 1

Indem man PZT-Körner, deren mittlere Korngröße 6,5 &mgr; beträgt, auf eine Einzelseite der Außenseite eines laminaren FRP mit Abmessungen von 90 mm Länge und 15 mm Breite mit einer Sprühmenge von 9,26 g/m2 aufsprüht, wurde ein laminares Dämpfungsbasismaterial mit PZT-Körnern, welche auf die Oberfläche eines laminaten FRP angeklebt und befestigt sind, hergestellt. Da das oben beschriebene laminate FRP eine halb ausgehärtete Prepreg ist und geeignete Viskosität hat, konnten in dieser Verbindung die PZT-Körner auf einfache Weise angeklebt und auf der Oberfläche des laminaren FRP fixiert werden. Als nächstes wurde das laminate Dämpfungsbasismaterial in einer kreuzartigen laminaten Konstruktion von [0°/90°/90°/0°] laminiert und wurde drei Stunden lang bei einer Temperatur von 130°C bei 5 bar einer Druckkesselbearbeitung unterworfen, wodurch die erste Dämpfungsstruktur hergestellt worden war, in welcher vier laminate Dämpfungsbasismaterialien laminiert sind.

vergleichendes Beispiel 1

Eine Dämpfungsstruktur wurde hergestellt, welche dieselbe ist, wie das Ausführungsbeispiel 1, außer, dass PZT-Körner nicht auf einer einzigen Oberfläche der Außenseite des laminaren FRP dispergiert und fixiert werden.

Auswertung der dynamischen Eigenschaften

Mit Bezug auf die oben beschriebenen zwei Arten von Strukturen wurde ein Schwingungstest von der Art eines freitragenden Trägers durchgeführt, in welchem ein Ende der Struktur festgehalten wird, während deren anderes freies Ende schwingt, und der Verlustfaktor wurde bezüglich der ersten bis vierten Resonanzmoden berechnet. Die Ergebnisse sind wie in 4 dargestellt.

Ausführungsbeispiel 2

Ein laminates FRP, dessen Abmessungen 70 mm lang und 15 mm breit sind, wird in einer kreuzförmigen laminaren Konstruktion von [0°/90°/90°/0°] laminiert, und ein piezoelektrischer Polymerfilm (15 mm breit × 10 mm lang) wurde zwischen 90° und 90° eingefügt. Dasselbe laminare FRP wurde drei Stunden lang bei einer Temperatur von 110°C bei 5 bar einer Druckkesselverarbeitung unterworfen, wodurch die zweite Dämpfungsstruktur hergestellt worden war. Der piezoelektrische Polymerfilm wurde in das einzige Seitenende der laminaren Struktur eingefügt.

Ausführungsbeispiel 3

Eine piezoelektrische Keramikplatte wurde an beide Seiten der Außenseite an dem einzigen Seitenende der Dämpfungsstruktur, wie in Ausführungsbeispiel 2 hergestellt, angeklebt, und diese piezoelektrischen Keramikplatten wurden über einen elektrischen Widerstand miteinander zusammengeschaltet. Außerdem wurde die Polarisierungsrichtung der jeweiligen piezoelektrischen Keramikplatten in Richtung der Außenrichtung orientiert

Vergleichendes Beispiel 2

Eine Dämpfungsstruktur wurde hergestellt, welche dieselbe ist, wie das Ausführungsbeispiel 2, außer, dass der piezoelektrische Polymerfilm nicht eingefügt wurde.

Vergleichendes Beispiel 3

Die im Ausführungsbeispiel 3 piezoelektrische Keramikplatte wird an beide Seiten der Außenseite des einzigen Seitenendes der im den vergleichenden Beispiel 2 hergestellten Dämpfungsstruktur angeklebt und die piezoelektrischen Keramikplatten werden über einen elektrischen Widerstand miteinander verbunden.

Auswertung der dynamischen Eigenschaften

Ein Schwingungstest vom Typ eines freitragenden Trägers wurde bezüglich der oben beschriebenen vier Strukturtypen durchgeführt. Der Verlustfaktor wurde bezüglich der ersten bis vierten Resonanzmoden berechnet. Die Ergebnisse sind wie in 5 dargestellt.

Ergebnis

Wie in 4 gezeigt, zeigte Ausführungsbeispiel 1 in allen der ersten bis vierten Resonanzmoden einen größeren Verlustfaktor als bei denen des vergleichenden Beispiels 1. Es wurde dadurch bestätigt, dass die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung höhere Dämpfungseigenschaften zeigt als die FRP-Struktur (vergleichendes Beispiel 1), in welcher Prepreg mit herkömmlichen Karbonfasern laminiert ist.

Außerdem zeigten, wie in 5 dargestellt, Ausführungsbeispiele 2 und 3 in allen der ersten bis vierten Resonanzmoden größere Verlustfaktoren als jene der vergleichenden Beispiele 2 und 3. Auf Basis der oben beschriebenen Ergebnisse wurde bestätigt, dass beide Mittel (Ausführungsbeispiel 2) zum Einfügen eines piezoelektrischen Polymerfilms in die FRP-mehrschichtige Struktur und Mittel (Ausführungsbeispiel 3) zum Ankleben piezoelektrischer Keramikplatten an beide Seiten der Außenseite eines einzigen Seitenendes einer Dämpfungsstruktur mittels eines elektrischen Widerstands zusätzlich zu den oben beschriebenen Mitteln gemäß dem Ausführungsbeispiel 2 hohe Dämpfungseigenschaften zeigen.

Ferner zeigte Ausführungsbeispiel 3 in allen Resonanzmoden einen größeren Verlustfaktor als Ausführungsbeispiel 2. Auf diese Weise ist bestätigt worden, dass durch Ankleben einer piezoelektrischen Keramikplatte an beide Seiten der Außenseite des einzigen Seitenendes einer Dämpfungsstruktur und dadurch, dass ein elektrischer Widerstand dazu gebracht wird, dazwischen einzugreifen, ein synergistischer Effekt der Dämpfungseigenschaften mit sich gebracht hat.

Industrielle Anwendbarkeit

Da die erste Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung durch Laminieren einer oder einer Vielzahl von Dämpfungsbasismaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung, in welcher ein piezoelektrisches Material auf eine FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit dispergiert wird, hergestellt wird, hat die erste Dämpfungsstruktur ausgezeichnete Wärmabschluss- und Wärmdämmungswirkung zusätzlich dazu, dass sie leicht ist und hohe Festigkeit aufweist. Außerdem wird die zweite Dämpfungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung auf solche Weise konstruiert, dass ein piezoelektrisches Material in Form einer Platte oder eines dünnen Films zwischen FRP-laminaren Strukturen mit Leitfähigkeit eingefügt und laminiert wird, und folglich hat die zweite Dämpfungsstruktur ausgezeichnete Dämpfungswirkung und Lärmabschirmungs- und Lärmdämmungswirkung, zusätzlich dazu, dass sie leicht ist und hohe Festigkeit aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG

Eine Dämpfungsstruktur, welche sich der Zusammenschaltung eines für herkömmliche Dämpfungsstrukturen verwendeten Widerstandes entledigt und diverse Formgebungsprozesse durchläuft, mit einer einfacheren Struktur, und ein laminares Dämpfungsbasismaterial, welches eine solche Dämpfungsstruktur bildet. Ein laminares Dämpfungsbasismaterial, bestehend aus einem piezoelektrischen Keramikmaterial oder piezoelektrischen Polymermaterial und einer leitfähigen faserverstärkten Kunststoff (FRP) Verbindung wird hergestellt. Ein bis eine Vielzahl dieses Basismaterials wird geschichtet, um eine erste Dämpfungsstruktur zu bilden. Eine zweite Dämpfungsstruktur wird gebildet durch Schichtung von wenigstens einer Schicht von piezoelektrischem Polymerfilm oder piezoelektrischem Keramikdünnfilm zwischen ein mehrschichtiges Laminat, welches ein Laminat aus leitfähigen laminaren FRP-Basismaterialien ist.


Anspruch[de]
  1. Laminares Dämpfungsbasismaterial, umfassend ein piezoelektrisches Keramikmaterial oder piezoelektrisches Polymermaterial und eine faserverstärkte Kunststoffverbindung (FRP) mit Leitfähigkeit.
  2. Das laminare Dämpfungsbasismaterial, wie in Anspruch 1 beschrieben, wobei das piezoelektrische Keramikmaterial ein Korn ist, bestehend aus mindestens einer Sorte von Keramikmaterialien ausgewählt aus Lithiumniobat (LiNbO3), Barium-Titanat (BaTiO3), Blei-Titanat (PbTiO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT) und Bleimetaniobat ((PbNb2O6).
  3. Das laminare Dämpfungsbasismaterial, wie in Anspruch 1 beschrieben, wobei das piezoelektrische Polymermaterial ein durch Schneiden eines aus einem fluorbasierten Polymermaterial bestehenden Filmes erhaltenes Korn ist.
  4. Das laminare Dämpfungsbasismaterial, wie in Anspruch 3 beschrieben, wobei das fluorbasierte Polymermaterial wenigstens eine aus Monopolymeren von Polyvinylidenfluorid, Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen, und Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Tetrafluorethylen ausgewählte Sorte von Harzmaterialien ist.
  5. Das laminare Dämpfungsbasismaterial, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4 beschrieben, wobei die FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit ein aus Karbonfasern und einer aus Kunststoff bestehenden Matrix bestehendes Verstärkungsmaterial beinhaltet.
  6. Das laminare Dämpfungsbasismaterial, wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beschrieben, wobei die FRP-Verbindung mit Leitfähigkeit mindestens eine Sorte von aus Glasfasern, Aramidfasern, Silikoncarbid (SiC) Fasern und Borfasern ausgewählten Verstärkungsmaterialien; mindestens eine Sorte von aus Metallpulver, Graphit und Carbon Black ausgewählten leitenden Materialien; und eine aus Kunststoff bestehende Matrix beinhaltet.
  7. Dämpfungsstruktur mit einem in einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7 beschriebenen laminaren Dämpfungsbasismaterialien, welches in einer einzigen Schicht oder in einer Vielzahl von Schichten laminiert ist.
  8. Die Dämpfungsstruktur wie in Anspruch 7 beschrieben, wobei die besagten Dämpfungsbasismaterialien sequentiell laminiert sind, so dass die Geweberichtung von Geweben, welche ein laminares Dämpfungsbasismaterial bilden, und die Geweberichtung von Fasern, welche ein anderes laminares Dämpfungsbasismaterial, welches unmittelbar auf das Besagte laminare Dämpfungsbasismaterial laminiert ist, bilden, sich nicht überlappen und Anisotropie in Steifigkeiten, welche die laminaren Dämpfungsbasismaterialien aufweisen, vermindert ist.
  9. Die Dämpfungsstruktur mit einem beide Seiten der Außenseite der in Anspruch 7 oder Anspruch 8 beschriebenen Dämpfungsstruktur angeklebten piezoelektrischen Keramiken, wobei die piezoelektrischen Keramiken über einen elektrischen Widerstand zusammengeschaltet sind.
  10. Die Dämpfungsstruktur mit mindestens einer Schicht aus viskoelastischen Polymerfilmen, welcher zwischen die in einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9 beschriebenen Dämpfungsstrukturen laminiert ist.
  11. Die Dämpfungsstruktur, wie in Anspruch 10 beschrieben, wobei der viskoelastische Polymerfilm ein polyoletinbasierter Film ist.
  12. Dämpfungsstruktur mit wenigstens einer Schicht aus piezoelektrischem Polymerfilm oder einem piezoelektrischen Keramikdünnfilm, welcher zwischen mehrschichtigen laminaren Strukturen, welche durch Laminieren einer Vielzahl von laminaren FRP-Basismaterialien mit Leitfähigkeit hergestellt sind, laminiert ist.
  13. Die Dämpfungsstruktur wie in Anspruch 12 beschrieben, wobei das besagte piezoelektrischen Polymer ein fluorbasiertes Polymer ist.
  14. Die Dämpfungsstruktur, wie in Anspruch 13 beschrieben, wobei das besagte fluorbasierte Polymer mindestens eine Sorte von aus Monopolymeren aus Polyvinylidenfluorid, Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Trifluorethylen, und Co-Polymeren aus Vinylidenfluorid und Tetrafluorethylen ausgewählten Polymeren ist.
  15. Die Dämpfungsstruktur, wie in Anspruch 12 beschrieben, wobei die besagte piezoelektrische Keramik mindestens eine Sorte von aus Lithiumniobat (LiNbO3), Barium-Titanat (BaTiO3), Blei-Titanat (PbTiO3), Bleizirkonat-Titanat (PZT) und Bleimetaniobat ((PbNb2O6) ausgewählten Keramiken ist.
  16. Die Dämpfungsstruktur, wie in einem der Ansprüche 12 bis 15 beschrieben, wobei das besagte laminare FRP-Basismaterial mit Leitfähigkeit ein aus Karbonfasern hergestelltes verstärktes Material und eine aus Kunststoff hergestellte Matrix beinhaltet.
  17. Die Dämpfungsstruktur, wie in einem der Ansprüche 12 bis 15 beschrieben, wobei das besagte laminare FRP-Basismaterial mit Leitfähigkeit beinhaltet: mindestens eine Sorte von aus Glasfasern, Aramidfasern, Silikoncarbid (SiC) Fasern, und Borfasern ausgewählten Verstärkungsmaterial; mindestens eine Sorte von leitfähigem Material, ausgewählt aus Metallpulver, Graphit und Carbon Black; und eine Kunststoffmatrix.
  18. Eine Dämpfungsstruktur mit an beiden Seiten der Außenseite einer in einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 17 beschriebenen Dämpfungsstruktur angeklebten piezoelektrischen Keramiken, wobei die besagten piezoelektrischen Keramiken über einen elektrischen Widerstand zusammengeschaltet sind.
  19. Eine Dämpfungsstruktur mit wenigstens einer Schicht aus viskoelastischem Polymerfilm, welcher zwischen in einem der vorhergehenden Ansprüche 12 bis 18 beschriebenen Dämpfungsstrukturen laminiert ist.
  20. Die Dämpfungsstruktur, wie in Anspruch 19 beschrieben, wobei der besagte viskoelastische Polymerfilm ein polyoletinbasierter Film ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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