增强复合材料、制造方法及其制品技术

本发明专利技术提供一种增强复合材料，其包括含有以下中的一种或多种：基于碳纤维的增强材料；基于玻璃纤维的增强材料；或基于金属的增强材料；或基于陶瓷的增强材料；碳复合材料；其中碳复合材料包括碳和粘合剂，粘合剂含有以下中的一种或多种：二氧化硅；硅；硼；三氧化二硼；金属；或金属合金；且其中，金属是以下中的一种或多种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】增强复合材料、制造方法及其制品相关申请的交叉引用本申请要求享有2014年11月13日提交的美国专利申请第14/540177号的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文中。
技术介绍
石墨是碳的同素异形体，具有分层平面结构。在每一层中，碳原子通过共价键以六边形阵列或网状形式排列。然而，不同的碳层仅通过弱的范德华力而结合在一起。由于石墨具有极佳的导热性和导电性、明亮度、低摩擦、以及高耐热性和耐腐蚀性，因此已经用于包括电子设备、原子能量、热金属加工、涂料、航空等在内的各种应用中。然而，石墨本质上是一种脆性材料，具有较差的耐受性和抗冲击性。石墨的低强度限制了其在具有较大或复杂负载要求的机械零件中的应用。因此，本行业一直都在接纳具有改善的机械性能的新型石墨材料。如果这种材料还具有改善的耐高温腐蚀性，那将会更加有利。
技术实现思路
在一个实施例中，通过一种增强复合材料来克服本领域中的上述和其它缺陷，这种增强复合材料包括一种增强材料，其包含有以下中的一种或多种：基于碳纤维的增强材料；基于金属的增强材料；基于玻璃纤维的增强材料或基于陶瓷的增强材料；以及碳复合材料；其中碳复合材料包括碳和粘合剂，该粘合剂含有以下中的一种或多种：二氧化硅；硅；硼；三氧化二硼；金属；或金属合金；且其中，该金属是以下中的一种或多种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。还公开了一种含有增强复合材料的制品。一种用于制造增强复合材料的方法，其包括：将增强材料以及含有碳和粘合剂的组合物交替地布置于模具中，以提供增强组合物；并在约350℃到约1400℃的温度、以及约500psi到约30000psi的压力下对增强组合物进行压缩，以形成增强复合材料。在另一个实施例中，一种用于制造增强复合材料的方法包括：将增强层叠压到碳复合材料上，以提供增强组合物；并在约350℃到约1400℃的温度、以及约500psi到约30000psi的压力下对增强组合物进行压缩，以形成增强复合材料。在又一个实施例中，一种用于制造增强复合材料的方法包括：在约350℃到约1400℃的温度、以及约500psi到约30000psi的压力下对包含碳复合材料和增强材料的增强组合物进行压缩，以形成增强复合材料。附图说明以下描述无论如何都不应被视为限制。参照附图，相似的元件被相似地标记：图1是含有在室温和大气压下混合的膨胀石墨和微米或纳米尺寸的粘合剂的组合物的扫描电子显微镜(“SEM”)图像；图2是根据本专利技术的一个实施例的由膨胀石墨和微米或纳米尺寸的粘合剂在高压和高温条件下形成的一种碳复合材料的SEM图像；图3是根据本专利技术的另一个实施例的碳显微结构的SEM图像；图4是根据本专利技术的一个实施例的一种碳复合材料的示意图；图5示出了根据本专利技术的一个实施例的增强复合材料的一种制作工艺，其中图5(a)示出了含有波形碳纤维以及石墨和粘合剂组合的增强组合物；图5(b)示出了一种具有交替的碳复合材料层和波形碳纤维层的叠压结构；以及图5(c)示出了一种增强复合材料；以及图6示出了根据本专利技术的另一个实施例的用于制造增强复合材料的一种工艺，其中图6(a)示出了一种碳复合材料实心件；图6(b)示出了由图6(a)的实心件铣削而成的颗粒；图6(c)示出了图6(b)的颗粒和碳纤维的组合物；以及图6(d)示出了一种增强复合材料。具体实施方式本专利技术人已经发现，增强复合材料可以由石墨、粘合剂和增强材料形成。增强复合材料具有极佳的耐热性和耐化学性。与传统的石墨材料相比，增强复合材料具有显著提高的结构强度和韧性。进一步，增强复合材料可以被修整以具有各向异性或各向同性机械性能，用于单轴加载或多轴加载应用中。在进一步的有利特征中，增强复合材料保持石墨的各种优异性能，比如明亮度、低热膨胀系数、极佳的耐热冲击性、良好的导热性、耐高温性、润滑性等。增强复合材料中的碳纤维没有特别的限制，且包含碳纤维丝；碳纤维粗纱；碳纤维纱线；碳纤维丝束；碳纤维带；碳纤维丝带；碳纤维织网；碳纤维管；碳纤维膜；碳纤维编带；织造碳纤维；非织造碳纤维；或碳纤维衬垫。可以使用碳纤维的组合。高阶纤维形式(比如织造和非织造碳纤维、碳纤维板层、以及碳纤维织网)可以由低阶碳纤维(比如碳丝和碳纤维丝束)形成。在一个实施例中，碳纤维包括具有至少一种高阶纤维形式的碳。在另一个实施例中，碳纤维包括网孔尺寸为约14到约400、约18到约200或约18到约40的织造碳织物。在不受理论束缚的情况下，据信当织造碳纤维织物具有的网孔尺寸在这些范围之内时，用于碳复合材料的粘合剂可以浸润到织造碳纤维中，从而使碳纤维与碳复合材料结合在一起。碳纤维可以由诸如人造丝、聚丙烯腈(PAN)和沥青等前体形成。人造丝前体是纤维素材料。由人造丝前体形成的碳纤维具有相对较低的碳含量，约为20％，且倾向于具有低强度和刚度。相反，PAN前体提供的碳纤维具有约55％的碳含量，且由于表面缺陷最少，因此具有极佳的抗拉强度。基于石油沥青、煤焦油和聚氯乙烯的沥青前体还可以用于制造碳纤维。在一个实施例中，增强复合材料中的碳纤维由PAN前体形成。玻璃纤维中所用的最常见类型的玻璃纤维是E型玻璃，其是硼硅酸铝玻璃，具有小于1％重量百分比的碱性氧化物，主要用于玻璃增强塑料。所用的其它类型的玻璃是A型玻璃(碱钙玻璃，含有很少的或不含氧化硼)、E-CR型玻璃(耐电子/化学性；硅酸铝-钙具有小于1％重量百分比的碱性氧化物，具有高耐酸性)、C型玻璃(具有高氧化硼含量的碱钙玻璃，用于玻璃短纤维和绝缘层)、D型玻璃(硼硅酸盐玻璃，因具有低介电常数而命名)、R型玻璃(硅酸铝玻璃，无氧化镁和氧化钙，具有增强所需的高机械要求)、以及S型玻璃(硅酸铝玻璃，无氧化钙，但具有高氧化镁含量，具有高拉伸强度)。在一个实施例中，玻璃纤维包括玻璃纤维织物。金属纤维是由金属、塑料涂层的金属、金属涂层的塑料、或完全被金属覆盖的芯组成的制造纤维。金属纤维包含铝、青铜、钢、锌、铜、镍、金、银等的纤维。金属纤维还可以由金属丝(钢丝棉)盘绕而成、由较大直径的金属丝捆束拉拔而成、由熔化金属铸造而成、或在晶粒(通常为碳)周围生长而成。基于金属的增强材料可以是纤维、纱线、织网；织物等形式。基于陶瓷纤维的增强材料包含陶瓷纤维棉，比如碱土硅酸铝棉、铝硅酸棉、以及多晶棉；耐火陶瓷纤维；以及陶瓷纺织物。根据期望的机械强度，增强复合材料可以包含约0.5到约50wt.％、约0.5到约40wt.％、约1到约40wt.％、或约0.5到约10wt.％、或约1到约8wt.％的碳纤维(基于增强复合材料的总重量)。增强复合材料中的碳复合材料包括碳和粘合剂。碳可以是石墨。如本文中所用的，石墨包含以下中的一种或多种：天然石墨；合成石墨；可膨胀石墨；或膨胀石墨。天然石墨是天然形成的石墨。其可以分为“鳞片”石墨、“纹理”石墨、以及“无定形”石墨。合成石墨是由碳材料制成的制造品。热解石墨是合成石墨的一种形式。可膨胀石墨是指将插入剂材料插入到天然石墨层或合成石墨层之间的石墨。许多化学品已经被用于插入石墨材料。这些包含酸、氧化剂、卤化物等。示例性的插入剂材料包含硫酸、硝酸、铬酸、硼酸、三氧化硫、或卤化物(比如氯化铁、氯化锌和五氯化锑)。加热时，插入剂由液态或固态转化为气相。气体的形成产生了压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种增强复合材料(10)，其包括：增强材料，其包括以下中的一种或多种：基于碳纤维的增强材料；基于玻璃纤维的增强材料；基于金属的增强材料；或基于陶瓷的增强材料；以及碳复合材料；其中所述碳复合材料包括碳和粘合剂，所述粘合剂含有以下中的一种或多种：二氧化硅；硅；硼；三氧化二硼；金属；或金属合金；且其中，所述金属是以下中的一种或多种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.11.13 US 14/5401771.一种增强复合材料(10)，其包括：增强材料，其包括以下中的一种或多种：基于碳纤维的增强材料；基于玻璃纤维的增强材料；基于金属的增强材料；或基于陶瓷的增强材料；以及碳复合材料；其中所述碳复合材料包括碳和粘合剂，所述粘合剂含有以下中的一种或多种：二氧化硅；硅；硼；三氧化二硼；金属；或金属合金；且其中，所述金属是以下中的一种或多种：铝；铜；钛；镍；钨；铬；铁；锰；锆；铪；钒；铌；钼；锡；铋；锑；铅；镉；或硒。2.根据权利要求1所述的增强复合材料(10)，其中所述基于碳纤维的材料包括以下中的一种或多种：碳纤维丝；碳纤维粗纱；碳纤维纱线；碳纤维丝束；碳纤维带；碳纤维丝带；碳纤维织网；碳纤维管；碳纤维膜；碳纤维编带；织造碳纤维；非织造碳纤维；或碳纤维衬垫；所述基于金属的增强材料包括以下中的一种或多种：金属纤维；金属纤维纱线；金属纤维织网；或金属纤维织物；所述基于玻璃纤维的增强材料包括玻璃纤维织物；以及所述基于陶瓷的增强材料包括以下中的一种或多种：陶瓷织物；陶瓷纤维棉；或耐火陶瓷纤维。3.根据权利要求1或权利要求2所述的增强复合材料(10)，其中所述增强材料包括织造的碳纤维，其具有的网孔尺寸为约10到约400。4.根据权利要求1至3中的任一项所述的增强复合材料(10)，其中所述碳复合材料中的所述碳包括以下中的一种或多种：膨胀石墨；可膨胀石墨；天然石墨；或合成石墨。5.根据权利要求1至3中的任一项所述的增强复合材料(10)，其中所述碳复合材料包括碳显微结构，其在所述碳显微结构之间具有间隙；其中，所述粘合剂布置在至少一些所述间隙内；且其中所述碳显微结构包括所述碳显微结构内的填充空隙(6)。6.根据权利要求1至3中的任一项所述的增强复合材料(10)，其中所述碳复合材料包括至少两个碳显微结构以及布置在所述至少两个碳显微结构之间的粘合相(2)；且其中，所述粘合相(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵磊，徐志跃，
申请(专利权)人：贝克休斯公司，
类型：发明
国别省市：美国,US