[发明专利]复合材料

说明书

本发明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、短切纤维、 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)和聚对苯二甲酸丁二 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、硅铝酸钙、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。

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℃)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℃)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钨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。