專利名稱：具有微珠體粒子的復合材料的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明通常涉及復合材料，更具體地說，本發(fā)明涉及在基體材料中具有高密度小粒子如中空微球體的復合材料，本發(fā)明還涉及制造和利用這種復合材料的方法，以及由該復合材料制成的產(chǎn)品。
已經(jīng)將復合材料用于各種用途，中空微球體也已被用作材料的添加劑。微球體被用作填充材料和添加劑用于油漆、塑料、片狀成型料(SMC)、復合材料、注塑成型、粘合劑、合成泡沫材料，以及用于其它用途，但是，存在改善復合材料的需要，此外，需要開發(fā)具有新的和增強的材料性能的新材料。
現(xiàn)有復合材料和由該材料制成的產(chǎn)品帶來的問題例子包括重量高、材料成本高、生產(chǎn)成本高，以及生產(chǎn)時間長。另外的問題例子包括抗熱傳遞性不足、聲學性能差、耐化學性差、防潮或防水性差，以及電性能差?，F(xiàn)有復合材料也已被證實在一定程度上對于用作結(jié)構(gòu)件或高強度材料成本有效。現(xiàn)有復合材料提供不夠的理想的材料性能，包括例如高強度/重量比、熱和冷絕緣、高抗沖擊和抗壓性、高彎曲模量/剛性、低比重、化學穩(wěn)定性、可砂處理性、可成型性、可加工性、聲學、降低介電常數(shù)、不可燃、防水性、降低翹曲和收縮，以及通過傳統(tǒng)的金屬構(gòu)件或粘結(jié)劑粘合或附著到其它材料上，此外，現(xiàn)有復合材料不能充分地將各種理想的材料性能一起結(jié)合到一種材料中。
對于改善的材料和由這種材料制成的產(chǎn)品還有不斷的需求，如重量更輕、成本更低、生產(chǎn)成本更低、結(jié)構(gòu)強度，以及其它性能。
發(fā)明概述本發(fā)明的新型復合材料包括一種基體材料和小粒子，如中空微球體。相對于基體材料的量而言小粒子有很大的量以致高密度的小粒子能裝填入基體材料中，該小粒子很近地緊靠在一起，并且很多小粒子甚至可以與相鄰的小粒子相接觸，該基體材料填充小粒子之間的間隙空間，該復合材料可包括比基體材料更大量的小粒子，以體積、重量及重量與體積的比或百分率計。
通過小粒子浸透或幾乎浸透基體材料，在基體材料中產(chǎn)生小粒子的高斯分布或隨機分布，該小粒子轉(zhuǎn)移基體材料并產(chǎn)生一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其提供非常強的材料或芯材，基體材料的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是在整個復合材料上圍繞無數(shù)小粒子的一種基體材料的連續(xù)延伸，在小粒子的均勻分布下，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)在基體材料中變成“空隙”接近理想的均勻分布，其中小粒子形成基體材料中的“空隙”。這特別是在微球體被利用作為小粒子的情況下。雖然該公開提到中空微球體，但顯而易見的是本發(fā)明普遍適合小粒子。施加到由該新型復合材料制成的部件上的力通過小粒子和基體材料分布在整個復合材料上，在固化之前壓縮基體材料和小粒子能有助于小粒子分布和從復合材料結(jié)構(gòu)中除去裹入空氣或氣體。
作為實施例，本發(fā)明的復合材料可以具有一種微球體為大約40％-85％體積和基體材料(樹脂)為大約15％-60％體積的組合物。該復合材料可任意包括其它組分。另外，更優(yōu)選的是，本發(fā)明的復合材料可以具有一種中空微球體為大約69％-81％體積和基體材料為大約19％-31％體積的組合物。本發(fā)明的一種優(yōu)選復合材料可具有微球體大約為75％體積和基體材料為大約25％體積的組合物。本發(fā)明的另一種新型復合材料具有大約3份中空微球體和1份樹脂，并具有近粘土狀或比薩餅生面團的稠度。本發(fā)明的另一種復合材料可具有一種微球體大約為25-88％體積和基體材料為大約12-75％體積的組合物。其他組分可被任意地加入該復合材料，例如，該樹脂基體材料可包括添加劑、脫模劑、抑制劑、觸變體(增稠劑)、以及引發(fā)劑(樹脂固化催化劑)。另外補充的組分可包括，但并不限于此，例如，切斷纖維，通過加入相同體積百分率量的切斷纖維，其可降低微球體的體積百分率量。本發(fā)明的新型復合材料能夠被用于多種廣泛的用途，以及能夠通過多種廣泛的方法制造。
新型復合材料的各種組合物例子以組分的相對重量來描述，這是因為基礎(chǔ)組分材料(基體材料和小粒子)的理想量通過衡量各組分易于從大批存儲中得到，因此，對于任何給定組分，各組分的相對重量(小粒子和基體材料)可用于描述組合物。但是，組分的相對體積量(小粒子和基體材料)也可被用于描述組合物，這是因為基體材料中理想的小粒子緊密充填是依賴于組分的相對體積而不一定是它們的重量。
本發(fā)明的另一個例子包括從3MTM和聚酯樹脂而得的ScotchliteTMK46玻璃泡，該復合材料包括復合材料重量的大約38％-41％的微球體和復合材料重量的大約72％-59％的聚酯樹脂，微球體在復合材料中比樹脂占據(jù)更大的體積空間，微球體和樹脂的重量變化取決于這些組分的分子量，例如，微球體的重量百分比可比基體材料的重量百分比更大，并且反之亦然。在該例中的這些重量僅用于核心復合材料(基體材料加微球體)，而不包括任何附加組分，如側(cè)面纖維(玻璃、芳酰胺、或碳纖維)。
該新型復合材料在材料性能上提供顯著的改善，如顯著降低復合材料的重量，同時提高一些材料性能強度。中空微球體在基體材料中的充填度提供了一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以及由于切向壓力沿所有方向上任意路徑從一個微球體作用到下一個，該復合材料表現(xiàn)出顯著的強度和其他性能。在一種制造該新型復合材料的工藝中，基體材料和微球體混合物被壓制且過量基體材料通過一過濾器并被清除。微球體被保留在基體材料中并以隨機高斯分布位置非常近地靠在一起以形成高充填度微球體。
另一種制造新型復合材料的工藝包括將小粒子和基體材料一起混合直到小粒子均勻分布在基體材料中。
本發(fā)明的技術(shù)也適合具有用基體材料封鑄緊密充填小粒子的產(chǎn)品及其工藝，該小粒子例如微球體、玻璃/陶瓷球、或空心微珠?；w材料的例子包括，但不限于此，普通樹脂、環(huán)氧樹脂類、聚酯類、乙烯基酯類、酚醛樹脂類、熱塑性塑料、熱固性塑料、聚氨酯、膠類、黏結(jié)劑、超級膠、ElmersTM膠，以及其他黏結(jié)劑材料。該產(chǎn)品和工藝可包括附加的材料，例如，無限制，混合在基體材料中的材料、側(cè)面材料、纖維、碳纖維、玻璃纖維、聚芳基酰胺纖維、層壓材料及其他材料中。
本發(fā)明的技術(shù)也適合具有通過利用真空壓力將基體材料注入容器內(nèi)以容器內(nèi)的基體材料封鑄材料的產(chǎn)品及其工藝。例如，一種低水平(不高)真空壓力可用于注入工藝。負壓也可用于輔助基體材料注入容器。封鑄材料的例子包括，但不限于此，磚、瓷磚、纖維品、紡織纖維品和無紡纖維品、碳纖維品、玻璃纖維品、布纖維品，及其他材料?；w材料的例子包括，但不限于此，普通樹脂、環(huán)氧樹脂類、聚酯類、乙烯基酯類、酚醛樹脂類、熱塑性塑料、熱固性塑料、聚氨酯、膠類、黏結(jié)劑、超級膠、ElmersTM膠，以及其他黏結(jié)劑材料。小粒子，例如，微球體或空心微珠，可以被封鑄材料包住。
可以是想要的目的和優(yōu)點，但不是實施本發(fā)明所必須需要的，從參考附圖理解本發(fā)明和所附的權(quán)利要求可顯而易見。
附圖的簡要說明

圖1是具有根據(jù)本發(fā)明的復合材料的部件的橫截面圖。
圖2是圖1的一部分復合材料的放大透視圖。
圖3是用黑色染料染色和放大下，根據(jù)本發(fā)明的復合材料的彩色照片。
圖4是用綠色染料染色和放大下，根據(jù)本發(fā)明的復合材料的彩色照片。
圖5是用紅色染料染色和放大下，根據(jù)本發(fā)明的復合材料的彩色照片。
圖6是在玻璃片上放大的微球體的彩色照片。
圖7是根據(jù)本發(fā)明具有一種復合材料的部件的簡圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明具有一種復合材料的另一部件的透視圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明具有一種復合材料的另一部件的透視圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明具有一種復合材料的另一部件的橫截面圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明用于制造一種復合材料的系統(tǒng)的簡圖。
發(fā)明詳細說明雖然本發(fā)明可以作成許多不同的形式，但是目前優(yōu)選的實施例是本公開中所述和附圖所示的。本公開舉例說明本發(fā)明的原理而不限制本發(fā)明的范圍，僅說明實施例。
一般地，本發(fā)明的復合材料包括一種基體材料和許多小粒子。該基體材料包括高密度的該小粒子，由于這種在基體材料中小粒子的高密度，該小粒子彼此位置非?？拷?。鄰近的小粒子甚至彼此接觸。典型地，該復合材料包括的小粒子體積量比基體材料的體積量更大，例如，一種新型復合材料具有大約基體材料體積的兩倍的小粒子。
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例將提供一種具有復合材料芯(微球體和樹脂)以及纖維位于芯的一側(cè)或兩側(cè)的層結(jié)構(gòu)。該層結(jié)構(gòu)或夾芯結(jié)構(gòu)能夠具有任何所希望的形狀，如平板形、棒形、或一種仿形形狀。具有纖維側(cè)面的該復合材料芯提供顯著的強度和重量非常輕。
本發(fā)明的一種復合材料可具有大約40％-85％體積的微球體和大約15％-60％體積的基體材料(樹脂)。該復合材料可任意包括其他組分。另外，更優(yōu)選本發(fā)明的組合物具有大約69％-81％體積的中空微球體和大約19％-31％體積的基體材料。本發(fā)明的一種優(yōu)選復合材料具有一種微球體為大約75％體積和基體材料為大約25％體積的組合物。本發(fā)明的另一新型復合材料具有大約3份中空微球體和大約1份樹脂，以及具有近似于黏土或比薩生面團的稠度。本發(fā)明的另一復合材料可具有微球體為大約25％-88％體積和基體材料為大約12％-75％體積的一種組合物，其他組分可任意添加到復合材料中，例如，該樹脂基體材料可包括添加劑、脫模劑、抑制劑、觸變體(增稠劑)、以及引發(fā)劑(樹脂固化催化劑)。此外附加組分可包括，但不限于此，例如，切短纖維，通過加入同樣體積百分比量的的切短纖維，其將降低微球體的體積百分比量。
為方便起見，本公開通常指的是微球體或中空微球體，但是，應該理解的是本發(fā)明一般涉及小粒子并不限于微球體，本發(fā)明的小粒子可包括具有不同尺寸和不同形狀的粒子，如球形、橢圓形、或其他形狀。如果想要，該小粒子可以是中空、固體、或在里面含有其他材料、或外面被涂布。該小粒子優(yōu)選非多孔；但是如果想要，也可以是多孔的。
附圖中的圖1表示一種根據(jù)本發(fā)明具有新的型芯復合材料12的新部件10，型芯復合材料12包括一種基體材料和許多中空微球體，微球體在基體材料中緊密地充填在基體材料內(nèi)以致微球體在一起位置比較近。附加材料可以包括在復合材料12以內(nèi)，或在復合材料12外表面上。該型芯復合材料12具有比基體材料體積量更大的微球體體積量，基體材料可以被微球體充滿或幾乎充滿。
復合材料12在固化或硬化之前，可以被成型為任何想要的形狀，而且如果想要，復合材料12能夠在硬化之后機加工，因此，大量的各種產(chǎn)品可以由該新型復合材料12制成，在基體材料硬化以形成復合材料12之前，基體材料和微球體混合物可具有近似于例如黏土、薄烤餅糊、或生面團的稠度。未固化復合材料的稠度，即微球體和基體材料的相對量，將隨不同的因素變化。例如，或多或少的微球體將加入復合材料以分別提高或降低固化材料的強度。類似地，可變化微球體和基體材料的量以得到最終的材料性能。也可以根據(jù)用于由復合材料制造產(chǎn)品的特定生產(chǎn)方法來調(diào)節(jié)未固化復合材料的黏度。例如，該未固化復合材料可具有較低的黏度用于注入成型和較高的黏度用于冷成型。另外，基體材料可以是粉末樹脂形式或塑料或其他基體材料的粒料形式。
圖1所示部件10具有由復合材料12所制的芯材14，以及在芯材14的頂面和底面上的側(cè)面材料16。側(cè)面材料16可以是芯材14的底面和頂面的一面、兩面、或兩面都不是。側(cè)面材料16可位于結(jié)構(gòu)里面而芯材14在任一面或圍繞側(cè)面材料16。任意地，側(cè)面材料16可以是單層、交錯層、多層、并可由一種類型的材料或各種材料制成?；w材料穿透入纖維側(cè)面16以潤濕纖維側(cè)面材料16和將側(cè)面材料16粘結(jié)到芯材14?；w材料和微球體穿透進側(cè)面材料16在復合材料流體硬化成復合材料12之前發(fā)生。圖1的部件10具有平板形狀，并具有側(cè)面材料16在芯材14的頂面和底面兩面。結(jié)果，部件10具有一種“夾芯”形式。適合的側(cè)面材料16的例子包括，但不限于此，碳纖維、玻璃纖維、單向纖維、絞經(jīng)織物纖維、無光纖維、纖維編線、單向編織碳纖維編線、碳或其它氈、塑料、人造革、箔、金屬、復合材料、熱塑性塑料、熱固性材料、樹脂、陶瓷、乙烯基類、剛性材料、柔性材料、以及其它所希望的材料。
圖2表示芯材14的復合材料12的放大部分。中空微球體11處于彼此互相接觸的位置，即相鄰的微球體11彼此觸及，或只是互相稍微隔開。微球體11以高斯分布嵌套以致較小直徑的微球體11充滿較大直徑微球體之間的區(qū)域，相鄰微球體11處于互相比較近的位置并且一些甚至可以彼此接觸，基體材料充滿相鄰微球體11之間的間隙區(qū)域并產(chǎn)生網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。彼此不接觸的相鄰微球體11，基體材料充滿微球體11之間的空間量13，在微球體的優(yōu)選分布中，大體上任何相鄰微球體之間的給定距離小于最小微球體直徑。
參考圖1和2，復合材料12的基體材料可以是任何適于部件10的預定目的的基體材料，基體材料的例子包括，但不限于此，通用樹脂、環(huán)氧樹脂類、聚酯類、乙烯基酯類、酚醛樹脂類、熱塑性塑料、熱固性塑料、聚氨酯、膠類、黏結(jié)劑、超級膠、ElmersTM膠，以及其他粘結(jié)劑材料。通常，將基體材料和微球體在一起混合，可伴有其它任何添加組分，并固化或硬化成所希望的形狀，在基體材料硬化之前，中空微球體緊靠在一起在基體材料中緊密充填，基體材料充滿相鄰微球體之間的空間，該基體材料可有效地變成被微球體充滿或幾乎充滿以得到緊密充填。制造復合材料(基體材料和微球體)的例子在下面論述。基體材料的添加劑的例子包括，但不限于此，促進劑、增進劑、催化劑、脫氣劑、以及交聯(lián)劑。
可用于復合材料12或在復合材料12內(nèi)可用的中空微球體在市場上可買到各種尺寸、材料和性能的，適用于本發(fā)明的一些現(xiàn)有中空微球體由3MTM和Zeelan Industries，Inc.可得，商品名為3MTMScotchliteTM玻璃泡、3MTMScotchliteTM玻璃泡浮法系列、3MTMZ-LightTMSpheres微球體、以及3MTMZeeospheresTM微球體。任意地，微球體可被表面處理、涂布、或著色。在復合材料12中使用的微球體優(yōu)選具有不同的尺寸(外徑)，例如從大約15微米到大約120微米。中空微球體在外徑上一般范圍為大約1微米到350微米，并可以用于本發(fā)明，雖然其它直徑和形狀也可以使用在新型復合材料中，尺寸不同的微球體便于較小微球體充填較大微球體之間的間隙。因此而得微球體在基體材料中較大的充填度。當被混入基體材料時，微球體在它們彼此接觸時充當小滾珠軸承，并因此趨于隨機分布大和小直徑微球體在彼此之間以使充填度最優(yōu)化和使微球體之間的空隙最小化。能夠買到各種壁厚的微球體，并且可測量它們的抗壓碎強度在250-60,000psi的范圍內(nèi)?；w材料中微球體的充填度大約仍然同樣與微球體抗壓碎強度無關(guān)。微球體的其它例子可在市場上買到來自The PQCorporation的。
復合材料12可包括除了微球體和基體材料之外的附加組分，附加組分可包括，但不限于此，玻璃纖維、碳纖維、芳族聚酰胺纖維、切斷纖維、增強纖維、長纖維、編線、用于開或閉的微孔產(chǎn)品的纖維、樹脂、液體、固體、及任何其它合適的添加劑。通過實例，其它組分也可包括碳酸鈣或硫酸鋇作為一種填料，硬脂酸鋅作為一種脫模劑、珍珠巖(絕緣材料)、脫氣劑、發(fā)泡劑、導電材料、粉末金屬、失蠟用于蛀洞冷卻、管料、五金器具插件、以及表面插件(玻璃、膠合板等等)。
一種具有Polaroid數(shù)字照相系統(tǒng)的Nikon SMZ-U立體顯微鏡被用于根據(jù)本發(fā)明的復合材料實例照相和微球體單獨照相。圖3-6的照片是用Nikon和Polaroid照相及顯微鏡系統(tǒng)照的，由于高密度纖維光學照明用于具有Polaroid數(shù)字照相系統(tǒng)的Nikon SMZ-U立體顯微鏡，在復合材料的機加工表面上的眩光對于能夠?qū)嶋H上看到表面過強。通過染色或著色該表面，該“眩光”顯著地下降。
圖3是一根據(jù)本發(fā)明的復合材料的彩色照片。此實例的復合材料包括透明的3MTMScotchliteTMK-46微球體和灰白色環(huán)氧樹脂的作為基體材料，復合材料被染成黑色以表示基體材料和微球體的對比。
一種黑色RittTM染料被使用在復合材料試樣表面上并用丙酮擦拭干凈，在用丙酮擦拭復合材料表面后，該染料留在表面的“凹坑”中以表示一些透明微球體的外部示蹤，表面凹坑是破壞和碎裂的中空微球體，這由于是切下一片復合材料用于在立體顯微鏡下觀察，表面凹坑在圖3中放大很多，在觀察圖3時其產(chǎn)生一種印象，即凹坑(黑色染色區(qū)域)是比現(xiàn)在事實上大很多的空隙。微球體在基體材料中的充填度示于圖3，兩個微球體的尺寸被測量為41.889μm和26.538μm，而且，在圖3中提供有500μm的參考線。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一復合材料的彩色照片，該實例的復合材料包括3MTMScotchliteTMK-46玻璃微球體和聚酯樹脂作為基體材料。
該復合材料被染成綠色以顯示基體材料中的微球體，該樣品使用的綠色染料是一種提純?nèi)玖希环N在375-400°F以上升華的熱傳遞染料，該干染料被放在復合材料附近并被加熱以蒸發(fā)染料，該染料接觸并染色復合材料。顯微鏡的視野深度比較淺，在20微米以下，視野深度限制了使所有微球體對準焦點照相的能力，但是，清晰可見的較大微球體測量為大約27-37微米。在圖4中也提供有500μm的參考線。雖然在圖4的照片中不是很清晰可見，但是較小的微球體在基體材料中緊密充填在較大的可見微球體之間。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一復合材料的彩色照片，該實例的復合材料包括3MTMScotchliteTMK-46玻璃微球體和聚酯樹脂作為基體材料。圖5中的復合材料樣品具有的組合物與圖3和4中的復合材料樣品的組合物相同。
該復合材料被染成紅色并使用一種大放大率的顯微鏡以更清楚地顯示微球體在基體材料中的緊密充填，在該樣品中使用的紅色染料是凈化墨水。在圖5中也提供有500μm的參考線。
圖6是單獨在玻璃片上放大的一微球體彩色照片。透明微球體撒在透明玻璃片上和置于顯微鏡中，一種黑色背景被用于幫助照亮微球體。
圖7是具有外剛性結(jié)構(gòu)20與中空內(nèi)里的部件18的示意圖。根據(jù)本發(fā)明，剛性結(jié)構(gòu)20的內(nèi)部，用復合材料充填以形成復合材料的芯材22，復合材料(微球體和基體材料)注入到外剛性結(jié)構(gòu)20以形成芯材22。微球體在基體材料中緊密充填以致微球體位置緊靠在一起，例如，一些相鄰微球體可以彼此接觸以及其它相鄰微球體相互稍微間隔開。
圖7簡略顯示的部件18可具有由外部剛性結(jié)構(gòu)20確定的任何所希望的形狀，外部剛性結(jié)構(gòu)20可開始由一種柔性材料形成，然后其變得更剛性一些。例如，一種柔性材料可用于外部結(jié)構(gòu)20，其當復合材料芯材22硬化時變得更剛性。
根據(jù)本發(fā)明的另一部件實例示于圖8，部件24具有剛性外管26和注入外管26內(nèi)部的復合材料芯材28，復合材料芯材28包括基體材料和緊密充填在基體材料中的微球體。如同本發(fā)明所有的實施例，復合材料可包括其它組分，雖然部件24的剛性外管26具有圓形橫截面，但是可具有任何所希望的橫截面形狀。
由具有基體材料和微球體的復合材料32制成的另一部件30示于圖9中，部件30不包括類似圖7所示的部件18的一種外部結(jié)構(gòu)，而是，復合材料32可被成型為所希望的外形。部件30的外形也能夠在其已經(jīng)硬化之后通過重新修整基體材料來形成，例如，通過機加工。圖9所示的矩形復合材料32僅是示范，且當然，復合材料能夠用于得到任何所希望的形狀，圖9也表示短切纖維33作為復合材料32包括的任選添加劑的一個例子。
圖10還表示具有該新型復合材料的部件34的另一實例，部件34具有支持板36連接到一材料層38上。支持板具有一層復合材料40和任選的側(cè)面材料層，側(cè)面材料層42、44可被提供在復合材料層40的相對面的一面、兩面或一面也不是。支持板36被連接到材料層38與沒有支持板36的材料層38相比，能夠為部件34提供好處。例如，具有復合材料層40的支持板36為易碎或脆的材料提供增大的強度，如大理石、陶瓷、玻璃、石頭及其它易碎材料。
復合材料的材料性能實例本發(fā)明的復合材料具有高密度小粒子，如微球體，在基體材料中提供新的、引人注目的材料性能。而且，下面的復合材料實例包括一種復合材料芯材(基體材料和微球體)和纖維在芯材兩側(cè)面上的層結(jié)構(gòu)。復合材料芯材具有在基體材料中緊密充填的微球體，該微球體緊密充填同時基體材料充填微球體之間的空隙空間為芯材提供了顯著的三維強度。在復合材料側(cè)面添加纖維進一步增加了強度。
復合材料的材料性能，其已被發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有復合材料和其它材料的材料性能之上極大地提高，包括，例如耐熱傳遞性、或絕緣、強度對重量比、沖擊和壓縮性能、柔性模量(剛性)、比重和真密度、聲學性能、導電性能、易機加工性、高抗沖擊性、可連接性、以及無線電/微波屏蔽。該新型復合材料另外的顯著性能包括耐化學和腐蝕性、可砂處理性、降低的介電常數(shù)、減小的翹曲和收縮、防水性、重量減小、硬度、以及耐磨性。本發(fā)明的這些材料性能也包括從未固化復合材料到模制部件(如汽車擋泥板、門和箱子)并然后固化模制件的能力。
試驗樣品制造和試驗各種新型復合材料樣品板，該樣品板具有復合材料(樹脂和微球體)芯材和纖維在芯材兩側(cè)上的平面層結(jié)構(gòu)(見圖1)，試驗結(jié)果提供如下表示復合材料結(jié)構(gòu)具有引人注目的強度，所有Batchesl-4中的樣品具有5/16”的厚度，包括芯材和側(cè)面纖維。微球體的比重范圍為0.12-2.40，取決于具體的微球體。粘合劑樹脂也包括添加劑為催化劑、抑制劑以及脫模劑。
在兩個方向，水平和垂直方向測量該樣品板的壓縮強度，在水平位置測量樣品板的水平壓縮強度，即力被施加在垂直于樣品板面上。在垂直位置測量樣品板的垂直壓縮強度，即，樣品板直立著以及力被施加在平行于樣品板面的樣品端部。
所有Batch 1樣品板包括聚酯樹脂作為基體材料。
Batch 2，樣品1-6，8，10，11和13包括聚酯樹脂，以及7，9，12和14包括乙烯基酯樹脂。所有Batch 2樣品1-14包括PQCorp.SG陶瓷微球體、二甲苯涂布，Batch 2，樣品1-8具有寬度為1”，以及樣品9-14具有0.5”的寬度。
制造Batch 3和4中的所有樣品1-14采用聚酯樹脂作為基體材料和二甲苯涂布的PQ Corp.SG陶瓷微球體，Batch 3和4，樣品1-6和8-14具有單層線性碳纖維側(cè)面，以及樣品7具有兩層線性碳纖維在兩側(cè)面。面層彼此面對使樣品7中的每兩層碳纖維位于側(cè)面。
耐熱性該新型復合材料表現(xiàn)出顯著的耐熱傳遞性能，一個由該復合材料制成的試驗樣品板進行熱傳遞試驗，該試驗樣品板的復合材料包括Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMScotchliteTMK-46玻璃泡作為中空微球體，該試驗樣品板的壁厚為5/16”的復合材料。
手持一個出口溫度約為758°F的手持吹干機靠近復合材料板的前面以持續(xù)時間間隔，以致板的前面達到約為758°F的溫度，在板的后面(對面)沒有顯著的溫度上升，復合材料板的后面大致保持在室溫，并且摸上去舒服。
在基體材料中的高密度中空微球體提供一種接近完美的熱絕緣體。通過隔絕在結(jié)構(gòu)表面或附近的極端溫度，該復合材料結(jié)構(gòu)保護另外的脆性環(huán)氧樹脂不會由于強熱明顯降解，這一點是重要的，因為大多數(shù)環(huán)氧類或樹脂在曝露于長時間的高熱如由手持吹干機產(chǎn)生的熱時顯著降解。優(yōu)選酚醛樹脂用于極端溫度應用，高溫和低溫兩方面，超過環(huán)氧樹脂，并將提供比基于所試驗的復合材料的環(huán)氧樹脂樣品更大的性能。
與復合材料試驗板相比，沒有微球體的相同環(huán)氧樹脂以相同樣式的板予以試驗，僅有環(huán)氧樹脂的該板變成橡膠狀材料然后開始在該強熱下相當迅速地化學分解。當有許多高溫樹脂被配制用于高溫應用時，本發(fā)明的復合材料顯著提高耐熱傳遞性能，并且還降低了材料重量用于高溫應用。
為進一步舉例說明該復合材料的絕緣性能，樣品卡拉夫瓶被制成具有大約1/2”的壁厚和1”CelotexTM絕緣板試件被置于容器頂部上作為密封蓋。該復合材料卡拉夫瓶包括Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMK46 ScotchliteTM玻璃泡作為中空微球體。一個帶蓋的ThermosTM瓶(具有壁間真空的雙層鉻壁瓶)被用于對比的目的以及一個第三種塑料容器被用作一種對照物，特別是一種高密度聚乙烯(HDPE)容器。
每個容器裝入8盎司154°F的水。容器在大約70°F的環(huán)境溫度和裝入水之前不預熱。一種數(shù)字溫度計被用于所有容器中的水溫讀數(shù)，溫度讀數(shù)經(jīng)過3-1/2小時的時間周期而被周期性地進行。該復合材料卡拉夫瓶，當與ThermosTM瓶相比同樣操作時，即具有相同的溫度下降，當與較厚壁的復合材料卡拉夫瓶相比時，薄壁ThermosTM瓶引起較小的溫度下降。下面的溫度數(shù)據(jù)和圖表表示三個容器的水溫降低試驗的對比結(jié)果。
新型復合材料耐熱傳遞性能顯著的另一個實例，將樣品復合材料保持在非常低溫度下的進行液氮實驗，新型復合材料容器樣品作成厚度為3”。該復合材料容器含有Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMK1玻璃球作為中空微球體。約為-328°F的液氮被放入復合材料容器內(nèi)，在8小時的時間周期測量液氮溫度，一個溫度探頭設(shè)置在復合材料容器的外底面用于8小時的實驗周期。溫度探頭允許雙探頭監(jiān)測和觀察到70°F的環(huán)境室溫(加或減4°F)，容器的外底面也含有一個探頭，在8小時的實驗期間，里面和外面容器探頭的溫度差異沒有變化，而且，液氮仍然存在于容器中，其保持在固定的溫度一328°F，引人注目地，由于復合材料容器絕緣，外面容器探頭的溫度沒有降低。
被認為微球體多的復合材料將不會助燃并且當火焰施加到材料上和然后移開時自熄。
強度對重量比新型復合材料也表現(xiàn)出引人注目的強度對重量比性能，其意味著該復合材料具有高的強度和低的重量，具有基體材料與高密度微球體的復合材料結(jié)構(gòu)能夠提高強度對重量比性能。
在使用碳纖維、玻璃纖維、聚芳基酰胺纖維、天然或其它高強度材料以制造一種產(chǎn)品部件中，基本方法是將許多預織樹脂浸漬材料層鋪在模具或模型上，模具被關(guān)閉、夾緊，并在一蒸壓器內(nèi)加熱。在預浸漬材料的例子中，各層在蒸壓器中經(jīng)受大約75-psi的壓力。一聚酯樹脂制件被熱活化(一般200°F以上)以及該部件被保持一段時間以排出夾入的空氣并固化該部件，這個工序慢并且該蒸壓器非常昂貴，對于大多數(shù)為達到剛性和抗沖擊性的應用(如，卡車外殼或機體座)需要許多布層或高充填的任意纖維加入基體材料中以制造該部件，如SMC(片狀模塑料)。此幾層或高充填樹脂化合物的最終夾芯材料致使當與由具有緊密充填的微球體混入基體材料中的新型復合材料制成的同樣生產(chǎn)制品相比時，制件重量比較重。當允許新型復合材料的微球體滲入紡織纖維織品時，由于純樹脂被較輕的微球體代替，制件的最終重量進一步降低。這也有助于穩(wěn)定在基體材料內(nèi)的纖維排列以便當受到外應力時，有可能側(cè)面負載和相鄰纖維內(nèi)偏轉(zhuǎn)較小。
用于使卡車底座傾斜的一種壓鑄鋁座升降臂(每個底座兩個升降臂，每個在一端繞一插入升降臂孔中的軸銷回轉(zhuǎn))被加倍，利用新復合夾芯材料和省去大約制件總重的68％，具有顯著的強度增長(高于升降臂要求強度大約550％)超過其鋁對應物。復合材料底座升降臂包括Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMK46ScotchliteTM玻璃泡作為中空微球體。該復合材料升降臂在兩側(cè)具有90°纖維取向的商品級交叉紡織碳纖維和46K碳纖維。被認為在基體材料中高密度微球體作為球形空隙在基體材料中產(chǎn)生接近完美的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。該網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)遠遠超過鋁、鈦、或非鐵對應物的蜂窩板。新型復合材料的壓縮強度被認為產(chǎn)生自基體材料與高密度充填微球體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而不是只來自微球體壓碎強度，因此，可以希望利用最輕的微球體使最終的結(jié)構(gòu)強度對重量比性能最大化。
當復合材料在側(cè)面受力負荷時，新型復合材料顯著的強度特別大，參考圖1，側(cè)面負荷是垂直于拉伸片材施加力，即該力施加到表示橫截面的復合材料側(cè)面上，而不是施加到側(cè)面層16的表面上。復合材料芯材14作為側(cè)面纖維層16之間的隔層，復合材料芯材14在生產(chǎn)工藝期間充滿(浸濕)側(cè)面纖維層16，復合材料芯材14，其滲入纖維之間的側(cè)面材料16，鎖定纖維在那里取向(如線性取向)，并且當受力時保護纖維束中的每根纖維以抗摩擦和破壞。
沖擊和壓縮性能該新型復合材料也表現(xiàn)出顯著的沖擊和壓縮性能，制造幾個具有46K線性碳纖維的5/16”厚的復合材料桿樣品，該復合材料包括AOC聚酯E-920樹脂作為基體材料與PQ-SG硅烷涂布陶瓷微球體，以及側(cè)面碳纖維層提供在樣品的兩側(cè)面。以重量計，芯材包括48％的微球體和52％的樹脂，該桿的實驗結(jié)果顯示無缺口IZOD沖擊值26；彎曲強度為27,790；彎曲模量4,851,000，以及壓縮強度15,690。
另一復合材料板樣品被制造為鉆有通孔和用3/8”螺栓固定到2-1/2”角鐵的角撐架上，復合材料芯材包括39％重量的3MTMK-46微球體和61％重量的樹脂，側(cè)面纖維是附加，樣品板在臺鉗中被緊密夾緊，大約2-1/2”角鐵向外延伸作為手柄。全部機體壓力產(chǎn)生在角鐵手柄上試圖破壞螺栓固定的結(jié)構(gòu)，該復合材料保持完整和不破裂，而且，3/8”夾緊螺栓在大約過去6個月期間沒有松，證明新型復合材料極高的壓縮性能。
應該注意，傳統(tǒng)的蜂窩板非常難于連接或夾緊到其它結(jié)構(gòu)上，由于蜂窩材料在夾芯結(jié)構(gòu)內(nèi)明顯隔開，當夾緊到另外的結(jié)構(gòu)時，現(xiàn)有蜂窩板有易于壓縮的趨向，并將進一步超時壓縮，其導致夾緊裝置變松，將支持嵌件加入現(xiàn)有蜂窩結(jié)構(gòu)以試圖提高壓碎強度，但是，這顯著增加了蜂窩板的成本和難于用具有支持嵌件的蜂窩板替換更新無嵌件蜂窩板。用新型復合材料制成的板不貴，不需要支持嵌件，并且易于使用，如通過鉚接、螺栓固定或膠接安裝由復合材料制成的地板。
將一個新型復合材料“夾芯材料”件嵌入臺鉗并且用強力上緊臺鉗沒有壓碎復合材料，復合材料也沒有像現(xiàn)有復合材料如預料的一樣破碎。該復合材料包括Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMK46 ScotchliteTM玻璃泡作為中空微球體，以及46K線性側(cè)面碳纖維層提供在樣品的兩側(cè)面。該復合材料芯材包括39％重量的3MTMK-46微球體和61％重量的樹脂。另外，用鐵錘強力沖擊同樣的新型復合材料板將不會顯著影響結(jié)構(gòu)，這樣的性能大多罕見于復合材料，因為它們在被沖擊、用螺栓固定到其它結(jié)構(gòu)、或在沒有含有特殊調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)時強力壓縮的時候常嚴重損壞，此外，該新型復合材料能夠易于利用傳統(tǒng)的木工行業(yè)設(shè)備包括打磨、鉆孔和切割進行機加工。
彎曲模量(剛性)該新型復合材料也表現(xiàn)出顯著的彎曲模量(剛性)性能，托板是產(chǎn)品的一個實例，其表現(xiàn)出由新型復合材料提供的顯著增強剛度，現(xiàn)有托板已經(jīng)利用塑料生產(chǎn)，但是，塑料托板已經(jīng)包含附加的增強材料用于重載應用，一種現(xiàn)有托板包括正方形的壁厚1/8”鋁管(1”×1”×40”)作為增強嵌件以滿足政府&食品雜貨市場規(guī)范。每個托板需要5個鋁管，其累加重量約為9.6磅，一種工業(yè)要求是當2,800磅的均勻重量載荷分布在40”×48”的塑料托板上時，增強鋁桿必須在中點不超過1/2”的撓曲，沿著其兩條48”邊支撐該托板并且不允許在10天后超過1/2”的撓曲。托板經(jīng)受包括熱、冷和潮濕的環(huán)境變化。
用該新型復合材料制造的桿已經(jīng)制成并滿足上面提到的撓曲要求，該桿包括一種具有48％重量PQ陶瓷微球體和52％重量樹脂以及側(cè)面具有46K線性碳纖維的復合材料芯材，該新型復合材料桿完成剛度要求，比鋁總重減少約為6.83磅(減少75.6％)和比鋼減少約為25.8磅(減少92.14％)，并且與鋁相比成本顯著減少。
比重該新型復合材料也表現(xiàn)出顯著的比重性能。利用3MTMScotchlite玻璃泡#K46和Ciba#8601樹脂基體材料以及46K側(cè)面纖維層在兩側(cè)制造一種新型復合材料試樣，該#K46 3MTMScotchlite玻璃泡微球體具有真密度為0.46(g/cc)。該樹脂和纖維層兩者都具有明顯在1.0以上的比重，可是，該復合材料試樣實際上浮在水里并且估計比重為大約0.80。一般地，該新型復合材料可具有比重約為0.38-2.2，以及優(yōu)選小于1.0，如果使用較厚密的芯材料，比重可超過1.0。
具有Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMK1中空微球體的本發(fā)明的一種復合材料試樣比重為0.38，該復合材料包括大約25％體積的樹脂和大約75％體積的微球體，加入線性24K碳纖維織物在矩形復合材料芯材的兩側(cè)面上，依賴芯材厚度將比重增加約為0.71。
聲學該新型復合材料也表現(xiàn)出顯著的聲學性能，制造一種1/2”厚的新型復合材料板并試驗隔音性，該復合材料樣品板包括Ciba雙組分環(huán)氧樹脂#8601作為基體材料與3MTMK1中空微球體，該復合材料包括約為85％重量的樹脂和約為15％重量的微球體，K1球的比重為0.125。通過將樣板對著揚聲器出口放置封閉Bose Acoutic WaveTM小型揚聲器聲音出口試驗該復合材料試樣板，將一種去耦聲學發(fā)泡隔膜沿著該揚聲器的側(cè)面放置以阻擋側(cè)面噪音。打開揚聲器并觀察到聲音減小，該復合材料試樣顯著降低聲音輸出量，包括最困難的低頻低音。
該新型復合材料的隔音性能和高強度提供待用于居住和商業(yè)建筑的復合材料，例如，壁板(如4’×8’或4’×10’壁板)可由能夠用于居住和商業(yè)建筑的內(nèi)墻和外墻兩者的復合材料制造，該復合材料墻壁將提供超過鋁或乙烯基壁板、石頭或磚、以及絕緣建筑材料的優(yōu)點。而且，在濕度高的氣候中，許多墻壁覆蓋材料，包括粉飾灰泥，在夾入濕氣或水進入墻壁之間時嚴重降解。由新型復合材料構(gòu)造的墻壁將不透過事實上所有外界的成分，包括濕氣。
導電性通過在材料中包含碳纖維，該新型復合材料也能夠表現(xiàn)出顯著的導電性，制造一種包括碳纖維的新型復合材料試樣，并且將電流施加到試樣上。以重量計，該芯材包括39％的3MTMK-46微球體和61％的樹脂，碳纖維46K在芯材的側(cè)面，一電源被連接到夾芯復合材料試樣的一側(cè)上，具體地是到碳纖維上，以及該復合材料試樣的溫度加熱到非常適宜使試樣沒有表觀損害。被均勻加熱到高溫的該復合材料板試樣，其觸摸后灼傷，少于一秒。該導電碳纖維用作發(fā)熱源，同時基體材料和微球體芯材是電絕緣的，除了碳纖維之外的導電材料也可以使用。
具有導電添加劑如碳纖維的復合材料，能夠被用于在一種控制方式中發(fā)熱和均勻加熱所需要的表面，例如，整個墻壁或其它表面可通過使用該復合材料被加熱，一種變壓器或其它電控制裝置能夠被用于調(diào)整施加到該復合材料上的電流量，并因此調(diào)整該復合材料的發(fā)熱量。
與傳統(tǒng)的氣體強迫空氣(gas forced air)、電護壁板、熱水散熱器和丙烷加熱相比，利用該復合材料構(gòu)造的墻壁加熱房間將是一種對于房間加熱的突破，這種利用該復合材料的房間加熱結(jié)構(gòu)也為軍隊、娛樂、永久或臨時掩蔽地和其它掩蔽地提供巨大的潛力，其它應用可包括，但不限于此，例如，外科或內(nèi)科加熱桌、救護車擔架，及其它醫(yī)學檢查設(shè)備如女性乳房X光照片設(shè)備，當遇到冷表面時病人體驗不舒服是不必要的，并且通過使用新型復合材料能夠有可能消除。
紅外線頻率和傳導屏蔽該新型復合材料對于電磁干擾/無線電頻率干擾(EMI/RFI)也表現(xiàn)出顯著的紅外線頻率和傳導屏蔽性能，通過在該新型復合材料制造的板的表面或里面上提供銅粉或一種等效材料，板能夠?qū)ｉT屏蔽內(nèi)部和外部兩者的傳導波，紅外線和傳導屏蔽的應用實例可包括軍隊應用、軍隊野外車輛、飛機、船舶和屏蔽個人不受紅外線探測，該復合材料能夠被用于避免來自人造衛(wèi)星或其它監(jiān)測技術(shù)的傳導檢測。
可成型性該新型復合材料的另一個性能是可成型性，該復合材料能夠在基體材料硬化之前易于成型為所希望的形狀，而且，在基體材料固化后，該剛性復合材料能夠被易于成型為所希望的形狀，例如通過切割、砍削、機加工、打磨、模塑和沖切。
制造該復合材料方法的實施例各種方法能夠被用于制造本發(fā)明的新型復合材料，能夠被利用來制造該復合材料的幾種方法在下面描述。例如，這些生產(chǎn)方法能夠被用于制造復合材料板或成型制件，如高爾夫球棒驅(qū)動器頭。
混合和模塑制造新型復合材料方法的一個實施例是將未固化復合材料混合，將混合的復合材料模塑成一種所希望的形狀，并然后固化該模塑復合材料。將小粒子，如中空微球體與基體材料混合以得到一種密度理想的微球體，以及一種稠度理想的材料，例如，充分的微球體能夠完全與基體材料混合以得到類粘土狀的未固化混合物，如果愿意，其它組分能夠被混入混合物中。
該未固化復合材料混合物被模塑或用其它方法成型為所希望的形狀，當然，能夠使用模具以得到專門想要的形狀，如果希望，在模塑工藝期間，可以施加熱，粘土狀未固化復合材料甚至能夠用手自由成型為所希望的形狀，側(cè)面材料或其它組分能夠被任意加入基體材料/微球體混合物中，模塑復合材料中的基體材料然后被固化以形成一種剛性模塑產(chǎn)品，復合材料的固化能夠通過各種方法完成，其取決于所使用的基體材料。例如，該復合材料能夠通過熱、固化劑、光或者微波被固化。
一種混合和模塑工藝被用于制造復合材料試樣板。該試樣板具有平面的、常規(guī)正方形或矩形。將中空微球體與汽車級聚酯、酚或乙烯基酯樹脂混合以使微球體充滿樹脂以形成粘土狀未固化復合材料混合物芯材，該粘土狀復合材料混合物芯材在一種片狀模塑料(SMC)液力板式壓機中弄平成為一種平面、薄板狀的板形，并然后將變平的芯材從壓機取出，干燥的碳纖維絞經(jīng)織物被施加到復合材料芯材的兩個側(cè)表面，任選地，過濾紙(咖啡型過濾紙)加在纖維/芯材/纖維夾芯型結(jié)構(gòu)的兩側(cè)面上，并且密封在全部四個邊以形成一種包住纖維/芯材/纖維結(jié)構(gòu)的密封過濾包，一種合適的過濾紙通過DexterManufacturing制造并被稱為Grade 11697 Filter Paper。該包裝結(jié)構(gòu)被嵌入液壓機，加熱壓機，以及該板壓機壓縮該包裝結(jié)構(gòu)大約3分鐘，在壓縮固化該熱固性樹脂期間施加熱，緊接著打開壓機，看到該復合材料試樣板具有完全浸潤側(cè)面纖維織物，以及清晰可見微球體通過透明過濾紙的跡象，該復合材料試樣板被壓和固化大約2到3分鐘，與需要8-24小時來固化和附加2-6小時后固化的緩慢固化樹脂模塑相比，這是顯然快速的生產(chǎn)時間。用本發(fā)明的復合材料迅速生產(chǎn)產(chǎn)品的能力提供顯著的優(yōu)點，如高速生產(chǎn)連續(xù)片材生產(chǎn)線和降低生產(chǎn)成本。
任選的過濾紙用來在壓縮期間容納未固化復合材料，可是，不需要過濾紙。例如，具有一個模腔的一模具能夠被用于在壓縮期間容納復合材料，而且，已經(jīng)制造一種沒有過濾紙的復合材料樣品板并替代為利用玻璃纖維氈覆面織物或棉覆面層在線性或絞經(jīng)織物的背面。
另外的復合材料試樣板(具有碳在側(cè)面的未固化粘土狀復合材料)在壓機中被成型為厚5/16”的板，在壓機壓制期間沒有施加熱，該未固化試樣板被從壓機中取出并使其固化一夜成為最終試樣板，這證明該新型復合材料能夠被冷成型，而且，便宜的壓機和模具能夠被用于迅速制造復合材料產(chǎn)品(壓機或模具循環(huán)時間約為10-15秒)。干燥或微波爐能夠被用于迅速固化壓機或模具外面的該復合材料產(chǎn)品，其不用壓機和模具以成型更多復合材料產(chǎn)品。而且，能夠?qū)⒃搹秃喜牧吓c柔性材料結(jié)合，如地毯、乙烯基、和人造革，待預成型為所希望的形狀，并然后固化以在固化后呈現(xiàn)所希望的形狀。
反應釜一種制造該新型復合材料方法的例子是通過利用具有一模具在密封真空腔中的反應釜，該模具受到真空壓力以及具有基體材料和微球體的該流體復合材料覆蓋模具的入口形成一種流體密封，該流體復合材料利用模具里面和該流體復合材料外面之間的壓力差被注入模具，該模具里面的復合材料被固化或硬化并然后從模具取出模制件，在將流體復合材料注入模具之前和期間，模具保持從漏洞密封，在適當?shù)臅r候，真空腔中的真空可以被解除，如復合材料注入模具后或注入之前，只要模具沒有里面的氣體漏洞。
使用一種封閉真空腔或端部封閉商業(yè)級管，例如，能夠被利用來產(chǎn)生注入型腔閉合模具所需的必要的負真空壓力，例如一種塑料或硅模具，已經(jīng)令人驚奇地發(fā)現(xiàn)將新型復合材料，其具有基體材料如環(huán)氧樹脂、熱固性材料、或聚酯，在減壓之前注入密閉真空腔，作為一種在模具入口上的流體密封，將導致這些流體將微球體以及任何添加劑，如玻璃纖維、碳纖維、玻璃纖維或碳纖維氈，完全注入模具以實際消除所有夾入的氣體。這得到一種最終產(chǎn)品，其反映模具表面和消除傳統(tǒng)模塑斑點、圓形疤和產(chǎn)品表面缺陷。
該復合材料甚至能被用于制造模具，該模具然后被用于生產(chǎn)制件。典型地，待成型的大多數(shù)產(chǎn)品需要預先模具成本大和生產(chǎn)延時，由于過度需求高質(zhì)量塑料或金屬模具模頭，該新型復合材料能夠被用于有效和迅速地生產(chǎn)低成本注塑塑料模具(例如塑料芯/腔容器)，其可被任意處置，如果愿意，該復合材料模具里面能夠被涂布TelflonTM或用其它合適的材料涂布，并且能夠易于放置在多腔加料盤用于自動化注入流體復合材料和后固化操作，這種制造復合材料的方法被特別希望用于那些制件，其要求精確公差、可重復一類表面的，以及具有芯材如泡沫材料。
圖11簡略表示一個用于制造新型復合材料的系統(tǒng)46和工藝的實例，系統(tǒng)46和生產(chǎn)工藝將利用通過封裝瓷磚生產(chǎn)板的方法來描述，但是系統(tǒng)46和工藝能夠被用于生產(chǎn)具有該新型復合材料的其它產(chǎn)品，利用系統(tǒng)46和生產(chǎn)工藝制造的板包括一層在平面內(nèi)但是交錯的瓷磚和幾層纖維織造布(例如碳纖維或玻璃纖維)。其兩者都通過具有微球體的樹脂如環(huán)氧樹脂封裝。
制造封裝板的工藝包括將一層瓷磚和幾層纖維織造布放在柔性容器48的里面，該柔性容器或包48是頂部開放和在剩下的三個側(cè)邊氣密封閉。該具有陶瓷板和幾層纖維制品的柔性容器48被容納在壓力容器50內(nèi)，端部開放的容器48是兩個平面端部板52在側(cè)面和一個容納在壓力容器50內(nèi)的膨脹囊54靠近平面端部板52之一，膨脹囊54被充氣膨脹靠在一個平面端部板52以在柔性容器48和瓷磚和纖維制品層的“夾芯材料”上產(chǎn)生壓力。
一種不銹鋼真空罐56裝有壓力容器50并被連接到一個計算機控制的真空系統(tǒng)58，流體復合材料60(具有微球體的環(huán)氧樹脂基體材料)被由真空罐56外面的儲器62提供到容納在真空罐56內(nèi)的另一個儲器64。
驅(qū)動計算機控制真空系統(tǒng)58以通過從真空罐56除去氣體分子使真空罐56成真空。柔性容器48及其內(nèi)容物經(jīng)受真空，因為柔性容器48和壓力容器50對真空罐56開放。容納在儲器64內(nèi)的流體復合材料66也經(jīng)受真空和可以被部分除氣。真空泵系統(tǒng)58在真空罐56中產(chǎn)生約為0或+1torr程度的真空，例如約為0或+1torr的真空水平能夠通過利用低真空泵68產(chǎn)生。而且如果愿意，能夠使用一個分子泵70，一個控制系統(tǒng)72控制抽氣工藝，施加真空大約30分鐘以內(nèi)的時間周期。
真空抽氣系統(tǒng)58不需要在真空罐56內(nèi)產(chǎn)生足以使內(nèi)容物顯著除氣的強真空，該內(nèi)容物在真空罐內(nèi)，包括柔性容器48、陶瓷板和柔性容器48內(nèi)的纖維制品層，以及儲器64內(nèi)的復合材料。
真空罐56及其內(nèi)容物經(jīng)受真空后，流體復合材料66從儲器64流到柔性容器48的開口頂部和密封柔性容器48關(guān)閉成一種氣密封閉。真空系統(tǒng)58被關(guān)掉和使真空罐56回到大氣壓，一壓差產(chǎn)生在儲器64中的復合材料66和柔性容器48之間，該壓差迫使復合材料66進入柔性容器48以封裝陶瓷板和纖維制品層。當迫使復合材料66進入柔性容器48時，柔性容器48保持氣密密封以防止任何氣體分子進入柔性容器48里面，儲器64必須含有過量復合材料66以便柔性容器48的開口端部和復合材料66之間的密封不破壞。
柔性容器48是透明的以便復合材料66進入柔性容器48能夠被監(jiān)視。柔性容器48被完全充填復合材料66后，使封裝板硬化。膨脹囊54被放氣以及將該封裝板從柔性容器48取出，在復合材料注入之前和之后，估計柔性囊54將在柔性容器48及其內(nèi)容物上產(chǎn)生約為10-30psi的壓力。
當制造板時，在系統(tǒng)46中使用的真空強度和持續(xù)時間不足以引起容器48里面纖維制品內(nèi)的被吸收和化學吸附的原子和氣體從纖維制品大體上揮發(fā)。使柔性容器48里面的纖維制品除氣到致使被吸收和化學吸附的原子和氣體從纖維制品揮發(fā)的程度將導致這些板性能降低。如果纖維制品通過除去被吸收和化學吸附的原子和氣體被脫氣，環(huán)氧樹脂基體材料和纖維制品之間的結(jié)合變得過強。這種強結(jié)合將導致產(chǎn)生一種易碎板，當被發(fā)射體沖擊時，其易于破碎。一種在環(huán)氧樹脂基體材料和纖維制品之間弱幾分的結(jié)合是適合用于這些板以避免脆性和增加有效抵抗沖撞攻擊性。由系統(tǒng)46及其生產(chǎn)方法制造的板是強的還有幾分“寬容”以提供抵抗沖撞攻擊的有效保護，當然，可以變化系統(tǒng)46和生產(chǎn)參數(shù)用于其它應用。
為制造板，理想的是封裝系統(tǒng)46和工藝在復合材料66注入柔性容器48內(nèi)期間保持氣密密封，如果沒有在柔性容器48內(nèi)保持氣密密封，氣體分子可進入柔性容器48和損害該板。例如，一種氣體漏洞可減少進入柔性容器48以形成該板的復合材料66的量，并且可危害產(chǎn)生在環(huán)氧樹脂基體材料、陶瓷板和纖維制品層之間的結(jié)合。顯而易見，一種被損害的板可導致防護抵抗來自沖擊發(fā)射體的損害的能力降低。
系統(tǒng)46和生產(chǎn)工藝能夠提供一種低成本生產(chǎn)方法，其用于封裝陶瓷板和/或磚在整塊基體中，其可包括瓷磚、基材和碎片防護用于彈道保護免受小的武器攻擊，例如，板可被設(shè)計成包括易于整合成為現(xiàn)有系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)如車輛、戰(zhàn)術(shù)庇護處及人員外衣。與現(xiàn)有沖擊結(jié)構(gòu)材料相比，該板可表現(xiàn)出顯著的重量減少。此外，系統(tǒng)46和生產(chǎn)方法可提供低成本生產(chǎn)，其將使單生產(chǎn)步驟制造大型盔甲成為可能。最后該工藝能夠?qū)е聠我粷茶T復合材料汽車底盤結(jié)構(gòu)，車體熱控制系統(tǒng)的隱身應用和車總重降低。
新系統(tǒng)46和生產(chǎn)方法提供超過現(xiàn)有沖擊材料生產(chǎn)方法的顯著優(yōu)點。需要結(jié)構(gòu)材料用于在各種威脅下提高沖擊性能已經(jīng)正在增加。今天的典型結(jié)構(gòu)包括用外半固化片碎片層機械膠合到小型正方形排列的沖擊瓷磚封裝瓷磚。該排列背靠很多涂有水泥的半固化片附加層，以及各種方法被用于將該封裝安裝在車輛上。幾個問題可伴隨該工藝產(chǎn)生，包括1)濕手疊鋪；2)半固化片、蜂窩或其它底板以及瓷磚層之間的結(jié)合弱；3)生產(chǎn)工藝昂貴；4)相鄰瓷磚之間的側(cè)面損害；5)場地瓷磚更換；以及6)與場地障礙物如樹木、車輛和柵欄碰撞導致車輛中災難性防具失效，必須非現(xiàn)場維修。新系統(tǒng)46和封裝工藝可對付這些問題，但是，不要求實行本發(fā)明。
新封裝工藝是一種干疊鋪工藝，其允許各種基體化學組合物、纖維直徑和取向(包括單向纖維)、注射內(nèi)容和纖維長度。纖維可以采用一種“人造的”形式、工程的、或與其它材料混合的，如陶瓷板或粉料，用于最高的性能。盲機器嵌件能夠被加入板設(shè)計中用于安裝到所有類型和種類的車輛、飛機或船舶。
壓片工藝制造新型復合材料方法的另一個實例是利用一種壓片工藝，新型復合材料板能夠通過壓片工藝被連續(xù)生產(chǎn)或分批生產(chǎn)，壓片工藝的優(yōu)點包括一種低成本生產(chǎn)方法和生產(chǎn)具有該復合材料的最終產(chǎn)品的能力。
一種制造復合材料板的壓片工藝包括下面的步驟。
1.將陶瓷或玻璃微球體預混入基體材料中達到一種薄烤餅糊稠度以成型該流體復合材料。
2.一種盤，近似于一種餅干片，能夠被用于盛裝各組分來制造板或具有所希望形狀的其它模式。用于制造復合材料板的一種盤尺寸為6”寬×50”長×1”深。在盤中鋪設(shè)一種HDPE(高密度聚乙烯)制造的厚度為24mil的柔性薄膜(尺寸24”×58”)作為襯里以便使流體復合材料和纖維可能被加入。
3.一種過濾紙片材被放在柔性薄膜內(nèi)襯的頂部，使浸漬熱活性膠的側(cè)面朝上。應該這樣選擇過濾紙以便流體復合材料能夠通過過濾器，同時微球體和其它固體添加劑被阻止通過過濾器，例如該過濾器應該具有比微球體尺寸更小的孔尺寸，但是足夠大以使基體材料能通過過濾器。該內(nèi)襯尺寸比盤和過濾器大得足以在盤中的組分頂部上折疊內(nèi)襯以形成包裹。
任選使用過濾紙，例如具有幾層內(nèi)襯面層的碳纖維品能夠被使用，這些面層由棉或無紡玻璃纖維墊制成。
4.織造布(例如玻璃纖維、碳纖維、玻璃墊、或其它高強度芳族聚酰胺型材料)或者其它材料能夠被直接放在盤中下層過濾紙上面。這些材料可為最終產(chǎn)品提供增大的強度或者其它所希望的性能。如果具有內(nèi)襯面層的碳纖維制品被采用，該纖維制品能夠被放在薄膜內(nèi)襯上代替過濾紙。
5.將基體材料與微球體和任何其它所希望的組分混合以成型該流體復合材料，例如，能夠人工或者計算機控制該復合材料混合。該流體復合材料然后被灌注或者均勻分配在盤中，以及在第4步驟中提到的材料，如果有的話?？梢约尤腩~外的增稠劑和其它樹脂改性劑用于專門增強產(chǎn)品。
6.在第4步驟中提到的材料也能夠被放在流體復合材料上面，例如一種匹配底面纖維的備份材料然后被放在流體復合材料上。為防止頂層纖維材料陷入流體復合材料，一種等尺寸分離過濾紙被熱密封到纖維層上面，或者可使用一種具有內(nèi)襯面層的碳纖維制品。該過濾紙的孔隙率小于微球體平均直徑，并且當組件被夾緊時，將只允許流體基體材料通過，這也增加了微球體在基體材料中的密度和減小了產(chǎn)品重量。在大多數(shù)應用中，重量減少和強度增加是所希望的特性。
7.在過濾紙袋或者內(nèi)襯面層上面或下面，提供一種柵板(形狀類似于那些使用在普通辦公室頭頂燈固定物)或者間隔裝置，其具有基體材料接收空隙，當壓力施加到夾芯材料包裹頂部或底部時，將使過量基體材料流進空隙。
8.柔性內(nèi)襯然后被折疊在鋪設(shè)的組分上面和在邊緣密封形成密封包裹。
9.一壓力板然后被嵌套在盤和包裝組件上面并夾緊，該夾緊組件能夠被旋轉(zhuǎn)90°到一個垂直方向或者所希望的這點之后的任何其它取向。
10.該夾緊包裹被放在壓力涂布機里，如具有一膨脹囊的尺寸稍微大一些的壓力室，以及將壓力施加到壓力板上。將過量基體材料通過過濾紙或面層內(nèi)襯從流體復合材料中清除，以及該復合材料中的微球體密度增加。施加漸增的壓力以便不造成過濾器的側(cè)面破裂或爆裂。施加到組件的壓力可以被監(jiān)視和控制以保證適當?shù)奈⑶蝮w壓縮、緊密，以及除去過量基體材料，同時避免過濾紙和密封內(nèi)襯破裂。由于過量基體材料通過過濾紙，該基體材料可進入柵板或間隔裝置中的空隙。例如，大約10-20psi的壓力被用于壓縮該包裹，迫使基體材料出來通過該過濾器或面層內(nèi)襯，以及迫使微球體緊靠在一起。在根據(jù)特別的應用需要時，可以使用其它壓力，甚至低于10psi，如具有合模壓力的手動壓力，已經(jīng)被用于模塑該新型復合材料。這些低模塑壓力明顯小于模塑SMC或者其它壓塑技術(shù)通常使用的模塑壓力(如1000-1200psi)。
11.壓縮包裹中的基體材料被固化或硬化，以及然后包裹被拆開以生產(chǎn)新型復合材料。
12.如果需要，組裝好的包裝能夠在基體材料固化之前被移開。例如在壓縮之前和/或期間，未固化流體復合材料可通過應用真空被除氣，真空水平能夠被調(diào)節(jié)以除去所希望量的氣體，如可施加一般的真空以使夾入氣體極小化或一種分子泵能夠用于在更大的程度除氣。另外，微球體可能置換別的方式夾入的氣體，并且如果沒有障礙的氣體出口路徑被設(shè)計到產(chǎn)品設(shè)計中，那么氣體出口路徑能使氣體可能逃逸。壓縮有助于除去夾入的氣體。
應該注意到夾入的氣體對于現(xiàn)有復合材料生產(chǎn)是一種前進中的問題，包括SMC模塑，不管真空輔助裝置。反應樹脂或者聚合物被認為在其固化或反應過程期間產(chǎn)生氣體。
管制造制造新型復合材料方法的另一個實例是通過利用一種管制造工藝。該管制造工藝包括將預混流體復合材料注入管中。基體材料、微球體，以及其它組分，如果需要，被混合在一起以形成預混流體復合材料。將微球體以高密度混合進基體材料，而且，增強材料、模芯嵌件、或者其它嵌件能夠在流體復合材料注入之前被放在管里面。管里面的復合材料被固化或硬化以形成模制產(chǎn)品。
圖8表示一個根據(jù)管制造工藝制造的裝置24的實施例，流體復合材料被注入剛性外管26中和硬化以成型復合材料芯材28。
雖然高密度包裝微球體能夠通過在注入之前將微球體預混進基體材料得到，然而緊密包裝微球體能夠被進一步增加。一個或更多開口能夠被提供在管中以及開口用過濾紙覆蓋，類似于上述的壓片過程。當流體復合材料被注入管中時，過量基體材料將通過過濾紙并離開該管。通過迫使過量基體材料出來同時保持微球體在管里面，管中的微球體將以更高的密度充填到基體材料中。通過將流體復合材料注入其它容器或模具、甚至柔性或非柔性容器或模具，也能夠使用管制造工藝。
通過管制造工藝的實施例，制造試樣，其使用注入了預混復合材料的各種塑料管。管試樣包含各種預織造金屬、傳統(tǒng)的繩或線(合成或天然)以及線性連續(xù)碳纖維束的增強材料。該復合材料包括61％重量的Ciba 8601樹脂和39％重量的3MTMK46球。
復合材料內(nèi)襯具有新型復合材料的產(chǎn)品制造方法的另一個實施例是利用復合材料作為另一種材料的內(nèi)襯，汽車的車體板、飛機駕駛艙、尾艙門、車內(nèi)硬裝飾、復合材料表面、車內(nèi)裝飾和其它表面可以用該新型復合材料內(nèi)襯。各種結(jié)構(gòu)能夠用該新型復合材料加強以減小重量和增強其它性能，如強度。降低重量同時保持強度在汽車應用中是所希望的，另外，“A”級表面能夠通過將薄膜貼花(appliqués)使用到復合材料內(nèi)襯表面獲得。
該新型復合材料能夠在過濾紙或者具有內(nèi)襯面層的纖維制品之間被壓縮-類似于上述壓片工藝-以減小基體材料體積和增加微球體密度以便形成一種稠度與粘土大約相同的未固化復合材料。然后這種柔性夾芯材料能夠被放在兩片熱塑性塑料層之間，如果愿意，熱塑性塑料層直接靠在過濾紙上，一種壓模或真空輔助模具，例如，將關(guān)閉、壓縮和成型組件為所希望的形狀。復合材料內(nèi)芯被固化。在模塑工藝期間，該復合材料被接合到熱塑性塑料層，以及制造出一種具有所希望形狀的產(chǎn)品。
各種最終產(chǎn)品能夠通過具有新型復合材料的內(nèi)襯材料制造，例如，用于汽車用途的具有一級表面的材料層能夠被用新型復合材料內(nèi)襯以形成一種新一級表面板。
復合材料應用的實施例本發(fā)明的新型復合材料技術(shù)可以有無盡的用途和應用，通過閱讀該公開的其它部分，可顯而易見該新型復合材料的實施例應用。但是，以下的應用進一步例證該新型復合材料的用途。該新型復合材料技術(shù)的以下應用僅僅是該復合材料用途的實施例以說明各種潛在用途。本復合材料發(fā)明不予以限制為僅僅是這些應用實施例，本發(fā)明人期待該復合材料技術(shù)能夠被用在這些實施例和其它領(lǐng)域，現(xiàn)在已知的和未知的。
許多產(chǎn)品能夠利用這種復合材料技術(shù)，例如溫室、冰箱、熱水器、房屋和建筑結(jié)構(gòu)、野營可移動房屋、飛機結(jié)構(gòu)和軍事應用，該新型復合材料技術(shù)應用的另外實施例包括航天空間、船舶、汽車、汽車車體結(jié)構(gòu)、夾板、船體、船塢、甲板、墻壁、娛樂產(chǎn)品、雪板、公路隔音板、池桌、以及雪橇，絕熱體和絕熱層是該新型復合材料的進一步應用，如低溫儲槽。
片材型制品生產(chǎn)由片材和板材生產(chǎn)制件是該新型復合材料的另一種應用，例如，板材或片材能夠被制造為具有一種復合材料芯材，其在側(cè)面使用連續(xù)生產(chǎn)線上的各種高強度材料，與傳統(tǒng)的壁板生產(chǎn)相同。許多汽車或工業(yè)模鑄制件，包括鋁制件，能夠易于由這種片材被沖切和然后被機加工成目標規(guī)格制件，該新片材板也能夠被切成所希望的寬度和切成適當?shù)拈L度。而且，該新型復合材料板能夠任意由一種擠塑線擠出和割、切或機加工。
板彈簧和扭力桿板彈簧和扭力桿是新型復合材料另外的應用，并且能夠被構(gòu)造為類似于圖1所示的部件10。復合材料板彈簧和扭力桿能夠被用于各種工業(yè)，例如，包括汽車、越野車輛、卡車、公共汽車和摩托車。該新型復合材料板彈簧和扭力桿重量輕和具有極好的記憶功能，即在一偏負荷從該復合材料被除去后，它們回到其初始位置，優(yōu)選地，該板彈簧被構(gòu)造和定位成使它們側(cè)面負載(圖1中一個力垂直于頁面施加)，以及側(cè)面纖維16在縱向邊緣上垂直。新型復合材料彈簧的這個位置大大增強了該材料的剛度性能，因為當側(cè)面負載與側(cè)面平面上的頂部負載相比時，纖維通過球體和樹脂被充填和穩(wěn)定以增加彎曲模量。使在垂直位置纖維固定和排成直線提供了超級彈簧、減震器以及振動緩沖裝置。
當一個力被施加到微球體時，玻璃微球體能夠彈性變形。因此，具有玻璃微球體的本發(fā)明復合材料當放置在一個載荷下時，能夠表現(xiàn)出有益的彈性變形。
滅火滅火產(chǎn)品是該新型復合材料的另一種應用，重量較輕的消防隊員鋼盔和保護用具能夠利用該新型復合材料被制造，特別是一種薄壁復合材料層。另外，能夠用該新型復合材料制造的梯子代替鋁梯。該新型復合材料梯子提供充分的強度同時顯著降低梯子的重量。一種典型的28-腳輕便鋁梯重量約為78磅。可是，一種用該新型復合材料制造的28-腳梯重量大約小于18磅，重量顯著減小。
管材一個新型復合材料產(chǎn)品應用的實施例是用復合材料管材替代現(xiàn)有金屬管材。該復合材料管材能夠通過上述管制造工藝制造。覆鍍鋼管通常用于食品雜貨車構(gòu)造?？捎盟芰瞎艽娓插冧摴芤灾圃焓称冯s貨車，該塑料管具有新型復合材料注入在管中。由于在北方氣候中暴露在鹽漬停車場生銹和腐蝕是金屬食品雜貨車的一個問題，而該新型復合材料管不受到生銹腐蝕，并且，該新型復合材料管材比金屬管材重量輕。
幾個樣品復合材料管是利用PEEK曲管(波狀)制造，曲管可以彎曲，如90。彎曲，不包括內(nèi)管尺寸。用于制造樣品的曲管被彎曲到所希望的角度和用新型復合材料注入。該新型復合材料包括Ciba8601樹脂為61％重量和3MTMK46微球體為39％重量。該彎管被固定在一種固定裝置中和基體材料被固化，例如，在一熱固化爐中以便形成該復合材料管材。為消除在復合材料注入和固化期間需要固定裝置來將曲管固定成所希望的形狀，可在曲管中心嵌入一種線來保持形狀。新型復合材料管材的另外應用可包括，例如輪椅、扶杖、手杖、和其它管材應用。
汽車沖擊結(jié)構(gòu)新型復合材料還有的另外應用是用于汽車的和沖擊的結(jié)構(gòu)。保險杠、側(cè)面沖擊結(jié)構(gòu)、橫搖穩(wěn)定桿、和車體板可由該新型復合材料制造。該新型復合材料用作一種結(jié)構(gòu)芯材或I一梁設(shè)計的用途可顯著降低用于這些結(jié)構(gòu)的未來汽車設(shè)計重量。被認為陶瓷或玻璃微球體的層壓層在被壓壓力為250psi-60,000psi的范圍下可產(chǎn)生一種接近完美、可折疊和吸收沖擊能量的結(jié)構(gòu)。該復合材料結(jié)構(gòu)可以在側(cè)面具有合適的玻璃纖維、碳纖維或芳族聚酰胺纖維。根據(jù)所希望的壓縮強度指標，該復合材料可用短或中線切斷纖維和用適當?shù)膫?cè)面材料加強以完成梁設(shè)計方法。
由該新型復合材料制造的新汽車結(jié)構(gòu)提供顯著改善的結(jié)構(gòu)，其將重量更輕和表現(xiàn)出超級的結(jié)構(gòu)性能、強度和沖擊能量吸收性。該復合材料結(jié)構(gòu)能具有抗壓強度不同的多層?？箟簭姸缺容^低的一層被提供在一側(cè)和抗壓強度逐次增加的層被放在第一層上。如果愿意，該多層材料能夠被連接到其它材料上，如塑料或金屬層或陶瓷板。具有中空中心和可選擇的微球體壓碎比率的微球體特性可以被選擇，使最輕微球體(如250lb抗壓強度)在表面，以及選擇抗壓強度增加的層朝向保險杠背面。這種技術(shù)將使能量可由被沖擊物體逐漸吸收，其類似于在Indianapolis使用的充滿水或砂的賽車障礙，在它們離開賽道進入凹坑時的原理，固體球可證明在這種設(shè)計中也有益。
這也類似于在防彈裝甲應用中利用的原理，其外層(碎片層)由Kevlar織造纖維制造，接著一種具有鋁蜂窩基材的軍事級陶瓷和9-層縫合夾芯材料的環(huán)氧樹脂夾芯材料在后面。該設(shè)計是打算穿甲彈穿入外碎片襯里沖擊陶瓷板，導致射彈圓錐形彈頭變形、破碎以及最有利地，碎片被后面由7-9層夾芯材料俘獲。
制造一種具有該新型復合材料的軍事彈道板的實施例。該彈道板試樣包括一種厚度為5/16”是復合材料連接到一片1/4”厚、12”正方形大理石磚。該復合材料包括61％重量的Ciba 8601樹脂和39％重量的3MTMK46微球體。具有該復合材料的彈道板試樣被反復從大約6英尺的高度拋到地板，在混凝土上具有工業(yè)級無襯墊地毯，而沒有破裂。作為對比，沒有該新型復合材料保護的同樣大理石磚被從同樣的高度拋到同樣的地板，像玻璃一樣破碎。該新型復合材料加強了陶瓷/大理石板并能夠被用作彈道裝甲板。而且，該新型復合材料板能夠替代鋁、酚醛樹脂、鈦或其它蜂窩材料，其用于具有中等野戰(zhàn)性能的彈道板。
雖然現(xiàn)在已經(jīng)說明和描述了優(yōu)選實施例，但是不背離本發(fā)明的精神和范圍能夠作很多變化和修改，因此，本發(fā)明人計劃用所附的權(quán)利要求覆蓋這些變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種復合材料包括一種基體材料；以及在基體材料中的許多粒子，該粒子的范圍為該復合材料的大約40％體積-85％體積。
2.如權(quán)利要求1所述的復合材料，其中，許多粒子范圍為該復合材料的大約69％體積-81％體積。
3.如權(quán)利要求1所述的復合材料，其中，許多粒子構(gòu)成復合材料的大約75％體積。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，許多粒子包括至少許多第一種粒子和第二種粒子，其相互比較不同尺寸。
5.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，許多粒子是中空微球體。
6.如權(quán)利要求5所述的復合材料，其中，中空微球體包括至少兩種尺寸不同的微球體。
7.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，基本上相鄰微球體之間的任何給定距離小于最小微球體直徑。
8.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，基本上所有的許多粒子與相鄰的粒子接觸。
9.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，該粒子選自由陶瓷粒子、玻璃粒子、塑料粒子及其組合組成的一組材料。
10.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，基體材料選自由環(huán)氧樹脂、聚酯、乙烯基酯、酚醛樹脂、熱塑性塑料、熱固性塑料、聚氨酯、膠、水泥、基體材料粘合劑及其組合組成的一組材料。
11.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，進一步包括至少一層材料與具有該粒子的基體材料接觸。
12.如權(quán)利要求11所述的復合材料，其中，至少一層選自由碳纖維、玻璃纖維、單向纖維、交叉紡織纖維、無光纖維、纖維編線、單向編織碳纖維編線、塑料、人造革、箔、金屬、層壓材料、復合材料、熱塑性塑料、熱固性材料、樹脂、陶瓷、乙烯基類、剛性材料、柔性材料、側(cè)面材料及其組合組成的一組的材料。
13.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，復合材料具有比重為大約0.38-2.2。
14.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的復合材料，其中，復合材料的比重小于1.0。
15.一種復合材料包括一種基體材料約為15％體積-60％體積；以及，微球體為大約40％體積-85％體積。
16.如權(quán)利要求15所述的復合材料，其中，基體材料為大約19％體積-31％體積，以及該微球體為大約69％體積-81％體積。
17.如權(quán)利要求16所述的復合材料，其中，基體材料約為25％體積，以及微球體為大約75％體積。
18.一種復合材料包括一種基體粘合劑材料和微球體，該微球體具有比基體粘合劑材料大的體積。
19.一種復合材料包括一種芯材具有基體材料約為芯材體積的15％-60％，以及微球體約為芯材體積的40％-85％；以及一側(cè)面層結(jié)合到該芯材。
20.如權(quán)利要求19所述的復合材料，其中，芯材具有側(cè)面層結(jié)合到芯材的對面。
21.如權(quán)利要求19所述的復合材料，其中側(cè)面層基本上包圍該芯材。
22.如權(quán)利要求19所述的復合材料，其中側(cè)面層選自由碳纖維、玻璃纖維、單向纖維、交叉紡織纖維、無光纖維、纖維編線、單向編織碳纖維編線、塑料、人造革、箔、金屬、復合材料、熱塑性塑料、熱固性材料、樹脂、陶瓷、乙烯基類、剛性材料、柔性材料及其組合組成的一組的材料。
23.一種制造復合材料的方法包括步驟將粒子在基體材料中混合直到基體材料基本上被粒子充滿；將混合的基體材料和粒子成型為一種所希望的形狀；并固化基體材料。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其中，混合步驟進一步包括迫使該粒子在壓力下彼此靠近。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，進一步包括除去一部分基體材料的步驟，其通過將基體材料部分通過一過濾器而保留粒子。
26.如權(quán)利要求23所述的方法，進一步包括將一側(cè)面層粘合到混合的基體材料和粒子上的步驟。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，其中，側(cè)面層是通過固化基體材料粘合的。
28.一種復合材料包括基體粘合劑和微珠體或粒子，其中所述微珠體或粒子包括比所述基體粘合劑重量百分數(shù)更大的所述復合材料。
29.一種復合材料包括高達50％重量的基體粘合劑；和基于所述復合材料總重大約50％重量或更大的微珠體或粒子。
30.一種復合材料包括基體粘合劑和微珠體或粒子，其中，所述微珠體或粒子包括比所述基體粘合劑重量百分比小一些的所述復合材料。
31.一種復合材料包括高達50％重量的微珠體或粒子；和基于所述復合材料總重大約50％重量或更大的基體粘合劑。
32.如權(quán)利要求31所述的復合材料，其中，所述復合材料包括大約30％-45％重量的微珠體或粒子；和基于所述復合材料總重大約70％-55％重量的所述基體粘合劑。
33.如權(quán)利要求31所述的復合材料，其中，所述復合材料包括大約38％-41％重量的所述微珠體或粒子，以及基于所述復合材料總重大約72％-59％重量的所述基體粘合劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了在基體材料中具有諸如中空微球體的高密度小粒子(11)的新型復合材料(12)。該微球體(11)在基體材料中緊密充填以使相鄰微球體(11)處于彼此接觸的位置或在一起很靠近，側(cè)面纖維可以被提供在具有小粒子(11)和基體材料的一層復合材料芯材(12)的對面，還公開了制造和利用該復合材料的方法。
文檔編號B29C70/66GK1468165SQ01816987
公開日2004年1月14日 申請日期2001年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2000年8月8日
發(fā)明者勞倫斯·W·金伯利, 勞倫斯 W 金伯利 申請人:莫爾德特有限公司