复合材料制造技术

本发明专利技术的名称是复合材料。复合材料包括结合到基质上的纤维层，其中基质和纤维之一包括第一组分，所述第一组分对于沿第一方向上的负荷呈现出拉胀性能，并且其余的基质和纤维包括第二组分，所述第二组分对于沿第一方向上的负荷呈现出非拉胀性能。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】复合材料本专利技术涉及复合材料及其生产方法。复合材料传统上被认为是由两种或多种微观或宏观组分的混合物或 组合物组成的材料系统，所述组分在形态和化学组成上不同并且其实质上 互不相溶。复合物之所以重要，是因为他们具有优于其单个组分的性质的 性质。复合物系统可以聚合物、金属或陶瓷基系统，或者这些种类材料的 一些组合。最近，已经研究出具有高和低的熔融温度的同一聚合物组分的 复合物，并且也已经研究出包含纳米尺寸的组分的复合物(所谓的纳米复 合物)。在聚合物基复合物中，典型的增强材料包括各种形式的玻璃、碳、芳 族聚酰胺、硼、碳化硅和氧化铝，所述各种形式包括连续纤维、短切纤維、 纺织纤维结构和球形包含物。天然聚合物纤维如大麻和纤维素也被用作增 强材料。常见的聚合物基质材料包括热固性聚合物如不饱和聚酯、环氧树 脂、酚醛树脂和聚酰亚胺，和热塑性聚合物如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、聚缩醛类(polyacetols)、聚醚醚酮(PEEK)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET )、 聚苯硫(PPS)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亚胺(PEI)和聚对苯二曱酸丁二 醇酯(PBT)。在陶瓷复合物中，典型的增强材料包括各种形式的碳化硅、氮化硅、 碳化硼、氮化铝、二硼化钛和氮化硼，所述各种形式包括连续的单丝和复 丝丝束纤维、晶须、晶板和微粒。常见的陶瓷基质材料包括矾土、硅石、 富铝红柱石、硅铝酸钡、硅铝酸锂、硅铝酸钓、碳化硅、氮化硅、碳化硼 和氮化铝。在金属基质复合物中，典型的增强材料包括各种形式的钨、铍、钛、 钼、硼、石墨(碳)、矾土、碳化硅、碳化硼和矾土-硅石，所述各种形式 包括连续纤维、不连续纤维、晶须、微粒和丝。常见的金属基质材料包括 铝、钛、镁、铁和铜合金和高温合金。4复合材料典型地为层压的形式，即，它们是由许多层(层状体)组成的， 每一层含有嵌在基质内的连续长度的单向增强纤维。对于具体应用来说， 机械性能通过堆积顺序和方向的选择进行最优化。众所周知，在制备期间高温下(典型地120至190°C )固化的先进聚 合物复合材料的性质由于复合物中引起的残余应力而退化，因为组分，即 基质和增强材料，在冷却至室温(典型地20至30°C )期间以不同的速率 收缩。还有众所周知的是，随着先进复合材料升温和冷却，内部应力将会导 致复合物结构形状变形。为了试图减少这种变形，引入远离增强材料轴的另外的材料层是熟知 的。该过程被称为平衡。然而，这具有产生层压材料的作用，其中机械性 质可能不是最优化的，增加了制造阶段的时间和成本并且还增加了组分的 重量。为了平均地达到整体复合物期望的零或低的热膨胀，可选的方法已经 是，同一复合物内结合正和负热膨胀系数(CTE)的材料。后一方面的实 例包括正CTE氰酸酯基质内的负轴向CTE碳纤维，其用于人造卫星的铸 件以在从高温发射到较低温度的空间条件时维持尺寸和形状。无纺芳族聚 酰胺材料(负CTE)被用于增强正CTE热固性树脂(如环氧)以产生用 于印刷线路板上的低或零CTE基质。晶体石英颗粒(负CTE)被用玻璃 质石英(正CTE)内以产生低或零CTE复合材料，用于航行器上大型望 远镜镜面基质和激光陀螺仪。负CTE鴒酸锆包装和支撑与正CTE硅石纤 维相结合以产生用于光电子系统上的低或零CTE纤维布拉格光栅设备，其 在一个温度范围内呈现出恒定的反射波长。然而，将负和正CTE材料结合确实产生许多缺点；这些缺点包括a) 有限的应用，因为对于具体的应用来说，相对地缺少具有适当范围的其它 物理性质的负CTE材料；b)在层压系统中，存在增加内部层压剪切力的 趋势；和c)由于加入了负CTE材料，不可避免地增加了复合物的重量和 加工。这些考虑导致最终复合材料的成本增加。因此，为了使由于加热和冷却材料所引起的材料的任何变形最小化，期望提供这样的复合材料，其组分包括具有不同膨胀速率的材料。同时为 了使复合材料可以被广泛使用，期望组分材料应当具有适当范围的物理性 质。为了改善组合物材料各种组分之间或者形成复合材料构成部分的结构 之间的(机械或粘合)结合处的性能，还期望能使复合材料与其周围结构 或其它复合材料匹配。根据本专利技术的第 一方面，提供包括结合到基质上的纤维层的复合材 料，其中基质和纤维之一包括第一组分，所述第一组分对于沿第一方向上 的负荷呈现出拉胀性能，并且其余基质和纤维包括第二组分，所述第二組 分对于沿第 一方向上的负荷呈现出非拉胀性能。拉胀性能通过泊松比进行定义，泊松比在相对于材料特定的方向上进 行测量，其为负的(小于零)。因此，当材料通过施加拉伸负荷在那个方 向上进行拉伸时，材料相对于那个方向横向膨胀。相对而言，当在那个方 向上压缩时，材料相对于那个方向横向收缩。类似地，非拉胀性能是通过 泊松比定义的，其泊松比是正的(大于零)。应当理解，术语"第一方向"是施加拉伸负荷的方向，并且因此是通过 泊松比定义拉胀性能的方向。应当理解，术语"杨氏模量"在本领域中是已知的并且是劲度的量度。 对于小的应变，它一皮定义为应力的变化速率与应变的比值。如果对于一种 材料杨氏模量在所有方向上是相同的，该材料被称为是各向同性的。杨氏 模量变化取决于施加力的方向的材料被称为是各向异性的。杨氏模量的SI单位是帕斯卡(Pa)或者可选地kN/mm2，其给出了与吉帕斯卡相同的数 值。应当理解，术语"热膨胀系数"在本领域中是已知的，是指由于温度变 化，材料尺寸上的变化。应当理解，具有正膨胀系数的材料当加热时将膨 胀并且当冷却时将收缩。 一些物质具有负膨胀系数，并且将在冷却时膨胀 (如冷冻的水)。纤维层可以#:嵌在基质中，部分嵌在基质中，或者可以形成与基质接 触的独立层。纤维层可具有任何合适的结构；例如，它可以包括单向纤维束，或者纺织的、针织的或无纺网状物。更优选地，纤维层包括单向纤维。在纤维层包括单向纤维的情况下，施加负荷用于评价拉胀性能的第一 方向优选地与纤维的方向平^f亍。为了避免怀疑，复合材料的任意一相或两相(纤维和基质)可以包括 第一组分、第二组分或都是第一组分和第二组分。在优选的实施方式中，纤维层包括第 一组分并且基质包括第二组分。 进一步优选地，复合材料包括嵌在基质中的纤维层，其中一些对于沿第一 方向的负荷呈现出拉胀性能并且其中 一些对于沿第 一方向的负荷显现出 非拉胀性能，所述基质对于沿第 一方向的负荷显现出非拉胀性能。在优选的实施方式中，在与第一方向平^亍地和垂直地测量的复合物的 膨胀系数^本相等的。为了控制复合物的纵向(即与第一方向平行地测量)和横向(即与第 一方向垂直地测量)热膨胀系数之间的关系，需要选择具有一定值的热膨 胀系数、泊松比和杨氏模量的复合物材料以及控制各种材料在复合物中所 占的体积分数。在可选的实施方式中，纤维包括第二组分，并且基质包括第一组分。优选地，第二组分的热膨胀系数低于第一组分，两者都是在与第一方 向平行的方向上测量的。优选地，在与第一方向平行的方向上测量的第二组分的热膨胀系数小于1 x 10-Sk"。优选地，在与第一方向平行的方向上 测量的第一组分的热膨胀系数大于5.4x lO^Ki优选地，第二组分的体积分数在60与70%之间，并且更优选地为62%。 优选地，第一组分的体积分数小于40%,更优选地在15与25%之间，并 本文档来自技高网...

【技术保护点】
复合材料，其包括结合到基质上的纤维层，其中所述基质和所述纤维之一包括第一组分，所述第一组分对于沿第一方向上的负荷呈现出拉胀性能，并且其余的所述基质和所述纤维包括第二组分，所述第二组分对于沿所述第一方向上的负荷呈现出非拉胀性能。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁奥尔德森，吉米莱斯利奥尔德森，格雷厄姆大卫哈得逊，大卫爱德华史克奇利，
申请(专利权)人：奥克塞迪克科技有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]