用于模制部件的具有軸向性質(zhì)梯度的短切纖維的制作方法
【專利說明】用于模制部件的具有軸向性質(zhì)梯度的短切纖維
[0001]相關(guān)申請案的交叉參考
[0002]本申請案主張2013年3月15日申請的標(biāo)題為“用于模制部件的具有軸向性質(zhì)梯度的短切纖維(CHOPPED-FIBERS WITH AXIAL PROPERTY GRADIENT FOR MOLDED PARTS) ”的第13/841,444號美國非臨時專利申請案的優(yōu)先權(quán)且為所述非臨時專利申請案的延續(xù)案,所述美國非臨時專利申請案的揭示內(nèi)容以全文引用方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本描述涉及纖維增強(qiáng)聚合物,且特定來說,涉及用于模制部件中的具有軸向性質(zhì)梯度的短切纖維。
【背景技術(shù)】
[0004]因?yàn)槟V评w維增強(qiáng)塑料(FRP)(例如,注射模制FRP)相對于競爭材料擁有的有利性質(zhì)(例如,其低成本、低重量、強(qiáng)度及柔性),所以模制纖維增強(qiáng)塑料(FRP)正越來越多地用于各種產(chǎn)品中。然而,當(dāng)與大量纖維填料復(fù)合時,注射模制纖維增強(qiáng)塑料可為十分易碎的。易碎性導(dǎo)致過載(例如,跌落測試)時的較差能量吸收。此外,當(dāng)針對特定用途選擇材料時,注射模制纖維增強(qiáng)塑料的有利性質(zhì)常常必須相對于彼此而折衷。舉例來說,在材料中具有高纖維密度的FRP可為相對堅(jiān)固的但也相對易碎,而在材料中具有低纖維密度的FRP可為相對不結(jié)實(shí)的但也可具有相對高的延展性。
[0005]因此,需要用于解決現(xiàn)有技術(shù)的不足并提供其它新穎及創(chuàng)新特征的材料及產(chǎn)品。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]在第一一般方面中,一種便攜式計(jì)算裝置包含:處理器、存儲器及便攜式計(jì)算裝置殼體,所述便攜式計(jì)算裝置殼體圍封包含至少所述處理器及所述存儲器的一或多個集成電路。所述殼體包含模制纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)材料,所述模制纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)材料包含聚合物材料及細(xì)長纖維,所述細(xì)長纖維粘附到所述聚合物材料且具有沿著所述纖維的伸長軸隨著所述纖維的長度而變化的性質(zhì),其中所述纖維與所述聚合物之間的粘附強(qiáng)度至少部分由所述纖維的沿著所述伸長軸隨著所述纖維的長度而變化的性質(zhì)確定。
[0007]實(shí)施方案可包含以下特征中的一或多者。舉例來說,所述便攜式計(jì)算裝置可為膝上型計(jì)算機(jī)、手持式計(jì)算機(jī)、平板計(jì)算機(jī)、上網(wǎng)本計(jì)算機(jī)、個人數(shù)字助理、企業(yè)數(shù)字助理、智能電話或可穿戴計(jì)算機(jī)中的任一者。
[0008]所述細(xì)長纖維可包含玻璃纖維。所述細(xì)長纖維可包含碳纖維。所述纖維可為圓柱形的,且所述纖維隨著所述纖維的長度而變化的性質(zhì)包含所述纖維的直徑。所述纖維具有小于所述纖維的中心部分的直徑。所述殼體中的纖維可在所述纖維的末端處具有5 μπι到10 μ m的最小直徑,且可在所述纖維的中心部分中具有10 μπι到20 μπι的最大直徑。與在所述纖維的末端處相比,在所述纖維的中心部分處,所述纖維與所述聚合物之間的粘附強(qiáng)度可更強(qiáng)。所述纖維隨著所述纖維的長度而變化的性質(zhì)包含所述纖維的表面粗糙度。
[0009]在另一一般方面中,一種纖維增強(qiáng)聚合物(FRP)材料包含聚合物材料及細(xì)長纖維,所述細(xì)長纖維粘附到所述聚合物材料且具有沿著所述纖維的伸長軸隨著所述纖維的長度而變化的性質(zhì)。所述纖維與所述聚合物之間的粘附強(qiáng)度至少部分由所述纖維沿著所述伸長軸隨著所述纖維的長度而變化的性質(zhì)確定。
[0010]實(shí)施方案可包含以下特征中的一或多者。舉例來說,所述細(xì)長纖維可包含玻璃纖維。所述細(xì)長纖維可包含碳纖維。所述纖維可為圓柱形的,且所述纖維隨著所述纖維的長度而變化的所述性質(zhì)可包含所述纖維的直徑。所述纖維的末端可具有小于所述纖維的中心部分的直徑。所述纖維可在所述纖維的末端具有5 μπι到10 μπι的最小直徑,且可在所述纖維的中心部分中具有10 μπι到20 μπι的最大直徑。與在所述纖維的末端處相比,在所述纖維的中心部分處,所述纖維與所述聚合物之間的粘附強(qiáng)度可更強(qiáng)。所述纖維隨著所述纖維的長度而變化的所述性質(zhì)可包含所述纖維的表面粗糙度。
[0011]在另一一般方面中,一種制造用于模制纖維增強(qiáng)聚合物材料中的玻璃纖維的方法包含:從玻璃預(yù)成型件拉拔纖維;及在拉拔纖維時使所述被拉拔纖維振動??筛淖兯稣駝拥念l率及/或幅度,其中所述被拉拔纖維的直徑至少部分由所述振動的幅度及/或頻率確定??蓪⑺霰焕卫w維切割成若干子區(qū)段,其中所述子區(qū)段具有沿著子區(qū)段的伸長軸隨著長度而變化的直徑。
[0012]實(shí)施方案可包含以下特征中的一或多者。舉例來說,所述子區(qū)段可在所述子區(qū)段的末端處具有小于所述子區(qū)段的中間處的直徑的直徑。在拉拔纖維時使所述被拉拔纖維振動可包含使所述纖維以第一頻率振動及添加第二頻率,且改變所述振動的頻率可包含改變所述第一振動頻率的頻率及/或幅度及改變所述第二振動頻率的頻率及/或幅度。
[0013]所述方法可進(jìn)一步包含使被拉拔纖維的表面局部凹陷及沿著所述纖維的長度改變所述凹陷的幅度及/或頻率。
[0014]在附圖及以下描述中陳述一或多個實(shí)施方案的細(xì)節(jié)。將從所述描述及圖式及從權(quán)利要求書明白其它特征。
【附圖說明】
[0015]圖1為包含細(xì)長纖維及聚合物材料的實(shí)例模制材料的平面圖。
[0016]圖2為可用于模制材料中的實(shí)例細(xì)長纖維的橫截面圖。
[0017]圖3為可用于模制材料中的另一實(shí)例細(xì)長纖維的橫截面圖。
[0018]圖4為用于生產(chǎn)用于模制材料中的細(xì)長纖維的實(shí)例設(shè)備的示意圖。
[0019]圖5為用于生產(chǎn)用于模制材料中的細(xì)長纖維的實(shí)例設(shè)備的示意圖。
[0020]圖6為包含模制殼體的實(shí)例便攜式計(jì)算裝置的示意圖。
[0021]各種圖式中的相同參考符號指示相同元件。
【具體實(shí)施方式】
[0022]根據(jù)本文中描述的材料、設(shè)備及方法,纖維增強(qiáng)聚合物材料可歸因于使用細(xì)長纖維而具有改善的強(qiáng)度及延展性性質(zhì),所述細(xì)長纖維沿著所述纖維的縱軸在所述纖維與周圍聚合物基體之間具有粘附強(qiáng)度梯度,其中所述粘附在纖維長度的中心附近較高,且所述粘附在所述纖維的末端處較低。當(dāng)在纖維增強(qiáng)聚合物部件中使用此類纖維且所述部件經(jīng)受過載時,所述纖維與所述聚合物基體之間的界面從所述纖維的末端朝向所述纖維的中心逐漸損壞而非僅僅使所述纖維斷裂。在過載之后,所述部件可返回到接近于其原始形狀,盡管可能存在所述部件的表觀模量(apparent modulus)的某種降級。以此方式,所述部件可能夠吸收一些能量而不完全損壞。
[0023]在給定強(qiáng)度下,由此類材料制成的纖維增強(qiáng)聚合物部件與使用沿著纖維的縱軸在纖維與周圍聚合物基體之間不具有粘附強(qiáng)度梯度的纖維制成的類似部件相比可具有相對高的延展性。類似地,在給定延展性下,由此類材料制成的纖維增強(qiáng)聚合物部件與由具有沿著纖維的縱軸在纖維與周圍聚合物基體之間不具有粘附強(qiáng)度梯度的纖維的材料制成的類似部件相比可具有相對較高的強(qiáng)度。
[0024]圖1為包含細(xì)長纖維102及聚合物材料的實(shí)例模制材料的平面圖。所述模制材料包含與聚合物材料混合的大量細(xì)長纖維,所述細(xì)長纖維粘附到所述聚合物材料。所述細(xì)長纖維各自具有軸向方向,且不同纖維的軸向方向可隨機(jī)定向或可在一或多個特定方向上偏置。模制材料可以液體狀態(tài)或可流動狀態(tài)存在,在所述液體狀態(tài)或可流動狀態(tài)中,所述模制材料可形成為所要形狀。舉例來說,當(dāng)處于液體狀態(tài)或可流動狀態(tài)中時,可通過將模制材料放置到具有所要形狀的模具中來將所述材料模制成所要形狀。在一個實(shí)施方案中,可使用注射模制工藝來使所述材料形成為所要形狀。一旦將所述材料形成為所要形狀,便可使所述材料固化或定形為固態(tài)狀態(tài)或不可流動狀態(tài)??稍诰酆衔锘w中使用各種不同聚合物材料,例如,乙烯醋、聚氨酯澆注彈性體、聚丙烯、環(huán)氧樹脂、熱固性聚氨酯、不飽和聚氨酯樹月旨、聚酰胺、聚碳酸酯、聚酯、聚縮醛、聚乙烯酯、聚苯乙烯及/或上述材料的組合。
[0025]在固化狀態(tài)或不可流動狀態(tài)中,模制材料的細(xì)長纖維粘附到圍繞所述模制材料的聚合物材料,且所述纖維與所述聚合物材料之間的粘附強(qiáng)度可沿著所述纖維的長度不統(tǒng)一。舉例來說,沿著所述纖維的縱軸在所述聚合物材料中的纖維之間可存在粘附強(qiáng)度的梯度。舉例來說,所述纖維與所述聚合物材料之間的粘附可在所述纖維的末端處最弱且可在所述纖維的中心部分附近最強(qiáng)。
[0026]圖2為可用于模制材料中的實(shí)例細(xì)長纖維200的橫截面圖。纖維200在第一端204與第二端206之間沿著伸長軸202伸長。纖維208的中間區(qū)段定位在所述第一端與所述第二端之間。所述纖維可具有大體上圓柱形形狀,但是所述圓柱形形狀無需為其中圓柱體沿著其軸具有恒定直徑的直圓柱體形狀。替代地,中間區(qū)段208的直徑可大于末端204、206處的直徑。因?yàn)檠刂w維長度的纖維直徑梯度,所以聚合物材料與纖維的粘附強(qiáng)度也可具有沿著所述纖維長度的梯度。特定來說,在沿著纖維的長度的任何點(diǎn)處的每單位長度的粘附力差可根據(jù)π d.dx變化,其中d為所述纖維的局部直徑,且dx為沿著所述纖維的微分長度。因此,所述聚合物材料與所述纖維的粘附可根據(jù)直徑d變化。
[0027]在特定實(shí)施方案中,纖維200的直徑可為約3 μπι到25 μπι。在一些實(shí)施方案中,纖維的末端202、206可具有的約5 μ m到10 μ m的直徑,且纖維200在所述纖維的中心部分208中的最大直徑可為約ΙΟμπι到20 μm。在特定實(shí)施方案中,纖維200可具有大約10ym到500 μπι的長度。所述纖維可由各種材料制成。舉例來說,在一些實(shí)施方案中,所述纖維可為玻璃纖維,且在其它實(shí)施方案中,所述纖維可為碳纖維。
[0028]圖3為可用于模制材料中的另一實(shí)例細(xì)長纖維300的橫截面圖。如同圖2中展示的細(xì)長纖維200,纖維300具有隨著所述纖維的長度變化的直徑,且末端304、306具有小于中間區(qū)段308的直徑的直徑。此外,所述纖維的表面可具有沿著纖維的長度變化的局部微觀結(jié)構(gòu)。舉例來說