[發明專利]復合材料

無效

• 申請號: 200780018682.7
• 申請日: 2007-05-24
• 公開（公告）號: CN101448877A
• 公開（公告）日: 2009-06-03
• 發明（設計）人: 安德魯·奧爾德森;吉米·萊斯利·奧爾德森;格雷厄姆·大衛·哈得遜;大衛·愛德華·史克奇利
• 申請（專利權）人: 奧克塞迪克科技有限公司
• 主分類號: C08J5/00
• 分類號: C08J5/00
• 代理公司: 北京安信方達知識產權代理有限公司
• 代理人: 王 漪;王繼長

本發明涉及復合材料及其生產方法。

復合材料傳統上被認為是由兩種或多種微觀或宏觀組分的混合物或 組合物組成的材料系統，所述組分在形態和化學組成上不同并且其實質上 互不相溶。復合物之所以重要，是因為他們具有優于其單個組分的性質的 性質。復合物系統可以聚合物、金屬或陶瓷基系統，或者這些種類材料的 一些組合。最近，已經研究出具有高和低的熔融溫度的同一聚合物組分的 復合物，并且也已經研究出包含納米尺寸的組分的復合物(所謂的納米復 合物)。

在聚合物基復合物中，典型的增強材料包括各種形式的玻璃、碳、芳 族聚酰胺、硼、碳化硅和氧化鋁，所述各種形式包括連續纖維、短切纖維、 紡織纖維結構和球形包含物。天然聚合物纖維如大麻和纖維素也被用作增 強材料。常見的聚合物基質材料包括熱固性聚合物如不飽和聚酯、環氧樹 脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺，和熱塑性聚合物如聚丙烯、聚酰胺、聚碳酸酯、 聚縮醛類(polyacetols)、聚醚醚酮(PEEK)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、 聚苯硫(PPS)、聚醚砜(PES)、聚醚酰亞胺(PEI)和聚對苯二甲酸丁二 醇酯(PBT)。

在陶瓷復合物中，典型的增強材料包括各種形式的碳化硅、氮化硅、 碳化硼、氮化鋁、二硼化鈦和氮化硼，所述各種形式包括連續的單絲和復 絲絲束纖維、晶須、晶板和微粒。常見的陶瓷基質材料包括礬土、硅石、 富鋁紅柱石、硅鋁酸鋇、硅鋁酸鋰、硅鋁酸鈣、碳化硅、氮化硅、碳化硼 和氮化鋁。

在金屬基質復合物中，典型的增強材料包括各種形式的鎢、鈹、鈦、 鉬、硼、石墨(碳)、礬土、碳化硅、碳化硼和礬土-硅石，所述各種形式 包括連續纖維、不連續纖維、晶須、微粒和絲。常見的金屬基質材料包括 鋁、鈦、鎂、鐵和銅合金和高溫合金。

復合材料典型地為層壓的形式，即，它們是由許多層(層狀體)組成的， 每一層含有嵌在基質內的連續長度的單向增強纖維。對于具體應用來說， 機械性能通過堆積順序和方向的選擇進行最優化。

眾所周知，在制備期間高溫下(典型地120至190℃)固化的先進聚 合物復合材料的性質由于復合物中引起的殘余應力而退化，因為組分，即 基質和增強材料，在冷卻至室溫(典型地20至30℃)期間以不同的速率 收縮。

還有眾所周知的是，隨著先進復合材料升溫和冷卻，內部應力將會導 致復合物結構形狀變形。

為了試圖減少這種變形，引入遠離增強材料軸的另外的材料層是熟知 的。該過程被稱為平衡。然而，這具有產生層壓材料的作用，其中機械性 質可能不是最優化的，增加了制造階段的時間和成本并且還增加了組分的 重量。

為了平均地達到整體復合物期望的零或低的熱膨脹，可選的方法已經 是，同一復合物內結合正和負熱膨脹系數(CTE)的材料。后一方面的實 例包括正CTE氰酸酯基質內的負軸向CTE碳纖維，其用于人造衛星的鑄 件以在從高溫發射到較低溫度的空間條件時維持尺寸和形狀。無紡芳族聚 酰胺材料(負CTE)被用于增強正CTE熱固性樹脂(如環氧)以產生用 于印刷線路板上的低或零CTE基質。晶體石英顆粒(負CTE)被用玻璃 質石英(正CTE)內以產生低或零CTE復合材料，用于航行器上大型望 遠鏡鏡面基質和激光陀螺儀。負CTE鎢酸鋯包裝和支撐與正CTE硅石纖 維相結合以產生用于光電子系統上的低或零CTE纖維布拉格光柵設備，其 在一個溫度范圍內呈現出恒定的反射波長。

然而，將負和正CTE材料結合確實產生許多缺點；這些缺點包括：a) 有限的應用，因為對于具體的應用來說，相對地缺少具有適當范圍的其它 物理性質的負CTE材料；b)在層壓系統中，存在增加內部層壓剪切力的 趨勢；和c)由于加入了負CTE材料，不可避免地增加了復合物的重量和 加工。這些考慮導致最終復合材料的成本增加。

因此，為了使由于加熱和冷卻材料所引起的材料的任何變形最小化， 期望提供這樣的復合材料，其組分包括具有不同膨脹速率的材料。同時為 了使復合材料可以被廣泛使用，期望組分材料應當具有適當范圍的物理性 質。為了改善組合物材料各種組分之間或者形成復合材料構成部分的結構 之間的(機械或粘合)結合處的性能，還期望能使復合材料與其周圍結構 或其它復合材料匹配。