[发明专利]纤维增强复合材料、其方法及含有该复合材料的制品

说明书

本文公开了纤维增强的复合材料。这些材料可用于机械系统和其他应用的承重组件。本文还公开了制备和使用这种复合材料的方法，包含该复合材料的制品等。例如，本发明的一些实施方案通常涉及包含不连续剂例如纤维或小片的复合材料，其位于例如由多个连续纤维形成的基材内。在一些情况下，不连续剂可以例如通过将磁性颗粒附着到试剂上并使用磁场来操纵试剂而基本上对齐。其他实施例通常涉及用于制造或使用这种复合材料，涉及这种复合材料的套件等的系统和方法。

相关申请

本申请要求于2017年3月23日提交的序列号为62/475,667的美国临时专利申请的权益，其标题为“Fiber-Reinforced Composites，Methods Therefore And ArticlesComprising The Same”，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本文公开了纤维增强的复合材料。这些材料可用于机械系统和其他应用的承重组件。本文还公开了制备和使用这种复合材料的方法，包含该复合材料的制品等。

背景技术

机械系统，例如飞机、航天器、汽车、火车、风力涡轮机、防护设备、运动设备、医疗植入物等，已经变得越来越薄和越来越轻。这种机械系统对性能的要求不断提高，导致组件承受更大的应力。机械系统中的敏感元件可能需要保持在规定的变形极限内，以避免明显的性能下降甚至灾难性故障。

在这种情况下，已开发出纤维增强复合材料(FRC)，以最小的塑性变形有效地应对高应力。通常，这些FRC基于包含增强纤维的聚合物，包括热固性聚合物。例如，环氧树脂由于其良好的粘合性能和可加工性而成为本领域中最流行的热固性聚合物中的一些。然而，环氧树脂本身具有较低的机械强度，因此不能有效地促进高性能机械系统中的应力。因此，通常将机械增强纤维的材料例如碳，玻璃，芳族聚酰胺，玄武岩或硼掺入聚合物中以获得有效的机械强度。

通常，需要相对较高的填料负载，通常大于40体积％，以实现所需的机械强度。通常，通过将长的增强纤维定向到纺织品中来实现致密的纤维负载。长纤维增强复合材料(LFRC)使用通过分散相以连续纤维形式增强的聚合物基质。LFRC在平面方向上具有出色的机械强度。替代地，短的增强纤维也可以实现密集的纤维负载。短纤维增强复合材料(SFRC)使用由不连续纤维形式的分散相增强的聚合物基质。不连续纤维按一般长径比(定义为纤维长度与直径之比)在10到60之间进行分类。不连续纤维可以无规或优先定向以产生方向变化的机械性能。

需要高填料负载增强纤维以观察到机械强度的显着提高。LFRC中的连续纤维在分散到聚合物基质中之前要进行定向和构建。相反，在分散到聚合物基质中之后，SFRCs中不连续纤维的定向受到调节。因此，不连续纤维的高填料负载降低了材料的可加工性，因为复合材料的粘度随填料体积分数而增加。

鉴于以上观点，仍然需要用于机械系统的纤维增强复合材料，该纤维增强复合材料易于加工，具有改善的均质和多向或各向同性的材料特性，或者其中改善的机械强度可以提高在高应力环境中对塑性变形和灾难性破坏的抵抗力。

发明内容

本文公开了纤维增强的复合材料。这些材料可用于机械系统和其他应用的承重组件。本文还公开了制备和使用这种复合材料的方法，包含该复合材料的制品等。在某些情况下，本发明的主题涉及相互关联的产品，针对特定问题的替代解决方案和/或一个或多个系统和/或制品的多种不同用途。

一方面，本发明总体上涉及一种制品。例如，在某些实施方案中，制品可以是纤维增强的复合材料。

在一组实施方案中，该制品包括复合材料，该复合材料包括限定基材的多个连续纤维，以及包含在基材的至少一部分内的多个不连续剂。在一个实施方案中，多个不连续剂中的至少一些具有吸附到其上的多个磁性颗粒。

根据另一组实施方案，该制品通常涉及一种复合材料，其包括由多个连续纤维限定的织物，以及包含在该织物内的孔内的多个对齐的不连续剂。