[发明专利]复合结构元件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于建筑和基础设施中的结构元件，且更具体地涉及具有浸渍有环氧树脂、较佳地粘附于泡沫芯部的纤维层的复合结构元件。

背景技术

传统的复合材料通过包含在复合结构中的各种纤维(碳纤维、凯夫拉尔、玻璃纤维等)来获得它们大部分的强度。对于许多复合材料的应用场合，诸如建筑材料，这些纤维经证明太昂贵，因而限制了它们的使用。

由于成本限制，市场上并没有基于复合材料的结构隔热板。传统的结构隔热板由经聚亚安酯或聚苯乙烯隔热的木结构或钢结构制成。隔热材料被“夹”在两层木制或钢制外层之间。在各层之间用各种胶水粘结。

这些传统的复合材料使用诸如那些上述的昂贵的纤维材料来实现高强度。这限制了它们在诸如建筑和基础设施之类对成本敏感的工业中的使用。用于墙壁、屋顶和地板的其它板系统在成本上可相比较，但具有诸如腐蚀、侵蚀以及隔热芯部和外层之间的层离的固有材料问题。此外，其它板系统要求在用灰泥或泥涂刷墙壁之前将附加层加到它们的外部。

在授予本发明的发明人Merkel并转让给本发明受让人的美国专利6,117,376中描述了一种极好的制造复合材料的方法；在此以参见的方式纳入美国专利6,117,376的内容。在此方法中，生产模具，且碳纤维层或碳纤维皮膜排列在两半模的内表面。用可热固化的环氧树脂来润湿碳纤维层，且将半模闭合起来以形成具有开口的内部空腔。发热泡沫以填满模具的量被引入模具空腔中。泡沫材料膨胀并加热，从而使可热固化的环氧树脂固化。由于提供充裕的泡沫，过量的泡沫从空腔的开口中溢出，但因为泡沫膨胀很快，模具内的压力使碳纤维层被压平抵住模具的内表面。此外，环氧树脂固化(由于泡沫的发热反应产生的热量)并使碳纤维层牢固地粘到内部泡沫上。所得复合材料格外牢固并可以形成基本上任何形状。然而，尽管制造方法简单且低成本并且甚至可在建筑工地上完成，但如上所述，碳纤维太贵以至于无法使所得产品作为实用的建筑材料。

除了新建筑，传统基础设施的维修也出于类似的原因而缺乏(较好的材料)。例如，在维修桥基的柱形支承体时，常规的方法是将预轧钢板焊接到柱体的外部，然后用混凝土装填该结构。这种方法的问题是多方面的。其一，钢和混凝土都极其重，且因此具有较高的货运成本。此外，在实施这种翻新时，柱体的基座必须更换，且桥上的路面必须关闭。最后，要花无法接受地长的时间来完成这个过程。

由此，有对轻质、易于制造以及低成本、能用于新建筑也能用于维修目的的建筑结构和材料的长期以来的需求。

发明内容

本发明是复合结构元件及其制造方法。在一个实施例中，本发明是一种复合结构元件，该复合结构元件具有聚合物泡沫芯部和通过环氧树脂、较佳是可热固化的环氧树脂粘附于聚合物泡沫芯部的至少一层纤维层。纳米颗粒悬浮于环氧树脂，而环氧树脂还呈液态形式。较佳地，聚合物泡沫芯部是发热泡沫，更佳地是聚亚安酯，其中，由发热泡沫产生的热量使环氧树脂固化，由此使纤维层粘附于泡沫芯部。较佳地，复合结构元件还包括设置在聚合物泡沫芯部和纤维层之间的大块层叠层。

在一实施例中，纳米颗粒包括碳纳米颗粒，其较佳地具有约10至200纳米的直径。在另一实施例中，碳纳米颗粒包括直径约60至200纳米和长度约30至100微米的纳米纤维。对于任一种情况，碳纳米颗粒与环氧树脂的重量比较佳地至少为1∶200且不高于1∶2。更佳地，碳纳米颗粒与环氧树脂的重量比较佳地至少为1∶100且不高于1∶10。在一实施例中，碳纳米颗粒与环氧树脂的重量比基本上是1∶10，且结构元件是导热的屋顶板。纳米颗粒还可包括碳、陶瓷、钨、碳化物、钛、锆石、铝、银或硼中的至少一种。

较佳地，纳米颗粒相对于环氧树脂具有较高的导热性，因而，添加纳米颗粒减少环氧树脂的固化时间。

复合材料的纤维层较佳地包括织物聚酯垫和/或玻璃纤维垫中的至少一种。玻璃纤维垫包括碎断束丝玻璃纤维垫或连续细丝玻璃纤维垫中的至少一种。纤维层可包括两玻璃纤维垫，每个玻璃纤维垫是碎断束丝玻璃纤维垫或连续细丝玻璃纤维垫。

在一较佳实施例中，本发明的复合结构元件是结构隔热板。在此实施例中，至少一层纤维层还包括位于泡沫芯部相对两侧上的两纤维层，两纤维层都通过纳米颗粒浸渍的环氧树脂粘附于泡沫芯部。选配地，结构隔热板可包括粘附于两纤维层中的一层的第一外表面的一体干墙装饰物，且/或结构隔热板可包括粘附于两纤维层中的另一层的第二外表面的外部砌体(masonry)。

在另一实施例中，纳米颗粒包括至少一种陶瓷，较佳为碳化硼，且结构元件提供弹道防护。