本发明专利技术提供单向的弹性体复合物，其包含多个基本上在第一方向上对齐的纤维，以及填充纤维之间空间的弹性体。该多个纤维可以包含中等模量碳纤维。优选地，该多个纤维具有1％以上的在极限断裂伸长率或拉伸断裂应变，200‑400GPa之间的拉伸模量和大于4GPa的抗拉强度。树脂或母体可以是被动弹性体，其将在特定的作业温度范围保持它的机械和化学性质。弹性体是具有粘弹性的聚合物，通常具有低杨氏模量和高的失效应变。制造单向的弹性体复合物的方法包括向保持处于张紧的纤维涂敷树脂，以维持纤维取向。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】胡安 梅希亚-阿里萨对相关申请的交叉引用本申请要求2013年11月6日提交的且名为“挠性轻质可调刚度铰(FLASH)”的美国临时申请61/900,882优先权，其通过引用以其全部结合在此。背景可展开结构通常是可以分别通过打包或展开成较小的体积从而减少或增加它们的原始体积的那些结构。在可展开结构中，使用不同的材料和机械结构。例如，刚性机械连接允许在刚性连接的部件之间的不同的运动学自由度。柔顺的接头和机构通常使用挠性材料，从而变形至想要的构型。然而，刚性连接通常在构造上更加复杂，这导致更高的制造成本。刚性连接还可能承受更高的磨损、以及更低的精度和可重复性。此外，组分通常包含不同的材料，导致不同的热膨胀系数、高密度、和更高的重量。刚性机械连接包括例如铰、滑块、万向接头和球窝接头(ball-and-socket joint)，它们允许在连接的部件之间的不同的运动学自由度。这些是在制造业、机器人技术和汽车等中所用的大部分机构的构造单元。然而，刚性接头的匹配部件之间的间隙导致了机械组装体(如在图1中的示例性销接头2)中的反撞。图1图示了示例性的刚性机械连接，其中两个刚性结构体4、6通过销8偶接。正如图示的，组件在摩擦点3处靠在一起，并且留下反撞空隙5。而且，在所有上述接头中，都存在引起摩擦的相对运动，摩擦导致磨损和增加的间隙。这样的接头的运动学链混合了每个的来自反撞和磨损的误差，导致差的精确性和可重复性。柔顺的(compliant)结构提供了将运动、力或能量传递或变换的备选方案。与刚性连结机构不同，对于装置活动性来说，柔顺的机构依赖于挠性构件的挠曲，而不是仅仅来自于可移动的接头。输入力传递至输出运动，并且一些能量以应变能量的形式储存在挠性构件中。然而，柔顺的结构通常不提供足够的刚性，不是充分热稳定的，或者仅具有窄的作业温度范围。柔顺的接头如折褶(flexure)、联接器(coupling)、柔性枢轴(flexure pivot)、弯曲联接器(flex connector)、活铰链和挠性接头为传统机械接头提供了备选，减轻了它们的缺点中的许多。然而，在现今的许多应用中，如眼镜、机器人、剪子、玩具、假体等中，仍然使用刚性体机构，因为所得的柔顺的材料缺乏机械性质的恰当的平衡。例如，在需要大的变形和紧的收起半径的柔顺的机构中主要使用聚合物如塑料和弹性体。尽管它们具有低的密度和大的弯曲应变，但这样的材料的局限是它们不够刚硬、热学上不稳定，并且仅仅具有窄作业温度范围。驱动的复合物(actuated composite)通过改变作为温度的函数的材料刚度尝试桥接刚性机械连接之间的空隙以及柔性结构的那些。然而，这样的材料为了收起和展开需要受控的温度。用于将材料加热和/或冷却到必要温度的附加的装置增加了系统复杂性、重量以及将可展开结构致动成本。驱动的复合物可以改变它们的作为温度的函数的刚度。在刚度上的这一改变允许驱动的复合物在打包的状态下是柔软的，以避免复合物失效(断裂，failure)，并且在可展开状态下是刚性的，以满足性能要求。此类驱动的复合物的主要局限在于，为了适当地激活驱动的复合物，需要在可控的环境中精确地监测并调节温度。这意味着需要外部能量源和附加的装备，这将不仅增加成本和质量，而且可能引入几何上的不理想性，如由于热效果导致的直线性的不理想性。这些不理想性可以降低结构中轴向的刚度，并因此降低弯曲刚度。相应地，活性铰对任何结构都增加重量和复杂性。一种示例性的智能材料是超弹性镍-钛形状记忆合金。此合金具有几乎五倍于弹性体复合物的密度，并且它的作业温度范围仅仅从体温到室温。而且，它仅仅产生接近5％的应变。另一种示例性驱动的复合物包括：可刚性化的太空(space)树脂(L6)，其在室温具有低模量(10.6MPa，1.5kpsi)，并且可以在低温-100C达到类似于环氧树脂的模量(1.68GPa，243kpsi)。此外，尽管在过去的十年间在轻质可展开结构的领域有了多种技术进步，但是在提高性能和功能性方面，材料密度的降低仍继续是最为重要和有挑战的参数。然而，目前的大的系统也受到收起体积的限制。为了在轻质结构的领域发展革命性的进步，想要具有与温度无关的更好材料规格(metrics)和性质的更好的轻质且被动(passive)的复合物。简要概述本文所述的实施方案包括挠性、轻质的复合材料，其可以用作具有低收起体积的可展开结构，但仍满足结构要求。本文所述的实施方案包含弹性体复合物，在所述弹性体复合物中多个纤维与弹性体组合。纤维可以是基本上对齐的，因此形成单向的弹性体复合物。在20-50％之间的纤维体积分数是优选的，但45-65％的典型值也是可以的。纤维体积分数是包含纤维的复合物体积比包含纤维和弹性体的复合物的总体积的分数。所得的复合物的密度可以在600-2000kg/m3之间，小于1500kg/m3，或小于大约1350kg/m3。如本文所述的弹性体复合物的实施方案可以发展大的弯曲时有效压缩应变(20-60％，优选高于30％，或30％-50％)和5-500MPa的压缩临界应力。可以改善纤维的均匀性和直线性，以控制复合物的压缩模量和临界压缩应力。复合物在展开状态的初始拉伸模量(当纤维基本上是直的时)可以在30-150GPa之间，而取决于纤维有多么直，初始压缩模量可能为拉伸模量的一半以上。示例性的材料构造提供了接近于120-160％的层间(inter-laminar)剪切应变发展。由0.1mm至10mm的材料厚度范围可以具有示例性的低于50mm的最小收起半径，并且可以达到接近1mm的最小收起半径。有几种方式通过在材料的两个或一个表面中添加非常薄的卡普顿(kapton)或迈拉(Mylar)层来控制最小允许收起半径。而且，在拉紧时将在外侧的表面中，可以将纺织的碳织物在+45/-45、+30/-30或+60/-60度添加至内部纤维或0或90度添加至单向纤维，或是任何准-各向同性的构造。许多其他不同的构造可以控制最小半径，如在许多取向上和不同的层中使用Kevlar、玻璃纤维或Vectran纤维。也可以选择或替换层的构造、组成和量，以形成具有想要的特性的复合物。增加复合材料的厚度也可以用于帮助控制收起半径。本文所述的示例性复合材料对于结构的轻质的应用来说是完美的。本文所述的示例性的复合物可以具有被动(passive)展开机制，其允许碳纤维超出平面(out-of-plane)微褶皱(micro-buckle)，防止了当折叠复合物时它们折断。在不需要在弯曲材料的同时在复合物中施加低张力的情况下，在本文所述的复合材料中就存在弹性微褶皱行为。这一现象是使得复合材料在折叠期间储存小量弹性能的原因。在展开过程中，释放弹性能，使得材料能够打开回到它的原始的展开的形状。因为硬的树脂含有碳纤维，典型的单向的硬的复合物将通过防止它们适应超出平面的褶皱取而代之地具有塑性微褶皱失效或扭折(kinking)。本文使用的示例性的纤维可以具有1％以上的在极限断裂伸长率，或拉伸断裂应变。同时，示例性样品可以具有200-400GPa之间的拉伸模量和大于4GPa的抗拉强度。图9是显示用于本文用途的示例性纤维的表格。在示例性实施方案中，填充纤维之间的空间的树脂或母体是本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种弹性体复合物，所述弹性体复合物包含：多个基本上相互对齐的纤维；填充所述多个纤维之间的空间的弹性体。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.11.06 US 61/900,8821.一种弹性体复合物，所述弹性体复合物包含：多个基本上相互对齐的纤维；填充所述多个纤维之间的空间的弹性体。2.权利要求1所述的弹性体复合物，其中纤维体积分数Vf在大约35至65％之间。3.权利要求1所述的弹性体复合物，其中单向的弹性体复合物的密度在600至1350kg/m3之间。4.权利要求1所述的弹性体复合物，其中当纤维是直的时，所述弹性体复合物的处于展开状态的初始拉伸模量在30-150GPa之间。5.权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含在所述弹性体复合物的至少一个外表面上的卡普顿的层，以控制最小允许收起半径。6.权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含在所述弹性体复合物的至少一个外表面上的迈拉的层，以控制最小允许收起半径。7.权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含与所述多个纤维的纵轴倾斜对齐的机织的碳织物。8.权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含第二多个纤维，所述第二多个纤维基本上相互对齐，从而形成在所述弹性体复合物的外部边缘上的外部层，所述第二多个纤维与第一多个纤维倾斜成角度。9.权利要求8所述的弹性体复合物，其中第二多个纤维相对于所述第一多个纤维成约45度的角度。10.权利要求1所述的弹性体复合物，其中第一...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡安·M·梅希亚阿里萨，
申请(专利权)人：加德公司，
类型：发明
国别省市：美国;US
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