復合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供單向的彈性體復合物，其包含多個基本上在第一方向上對齊的纖維，以及填充纖維之間空間的彈性體。該多個纖維可以包含中等模量碳纖維。優(yōu)選地，該多個纖維具有1％以上的在極限斷裂伸長率或拉伸斷裂應(yīng)變，200?400GPa之間的拉伸模量和大于4GPa的抗拉強度。樹脂或母體可以是被動彈性體，其將在特定的作業(yè)溫度范圍保持它的機械和化學性質(zhì)。彈性體是具有粘彈性的聚合物，通常具有低楊氏模量和高的失效應(yīng)變。制造單向的彈性體復合物的方法包括向保持處于張緊的纖維涂敷樹脂，以維持纖維取向。
【專利說明】復合材料
[0001] 胡安梅希亞-阿里薩
[0002] 對相關(guān)申請的交叉引用
[0003]本申請要求2013年11月6日提交的且名為"燒性輕質(zhì)可調(diào)剛度鉸(FLASH)"的美國 臨時申請61/900，882優(yōu)先權(quán)，其通過引用以其全部結(jié)合在此。
[0004] 背景
[0005] 可展開結(jié)構(gòu)通常是可以分別通過打包或展開成較小的體積從而減少或增加它們 的原始體積的那些結(jié)構(gòu)。在可展開結(jié)構(gòu)中，使用不同的材料和機械結(jié)構(gòu)。
[0006] 例如，剛性機械連接允許在剛性連接的部件之間的不同的運動學自由度。柔順的 接頭和機構(gòu)通常使用撓性材料，從而變形至想要的構(gòu)型。然而，剛性連接通常在構(gòu)造上更加 復雜，這導致更高的制造成本。剛性連接還可能承受更高的磨損、以及更低的精度和可重復 性。
[0007] 此外，組分通常包含不同的材料，導致不同的熱膨脹系數(shù)、高密度、和更高的重量。
[0008] 剛性機械連接包括例如鉸、滑塊、萬向接頭和球窩接頭（ball-and-socket joint)，它們允許在連接的部件之間的不同的運動學自由度。這些是在制造業(yè)、機器人技術(shù) 和汽車等中所用的大部分機構(gòu)的構(gòu)造單元。然而，剛性接頭的匹配部件之間的間隙導致了 機械組裝體(如在圖1中的示例性銷接頭2)中的反撞。圖1圖示了示例性的剛性機械連接，其 中兩個剛性結(jié)構(gòu)體4、6通過銷8偶接。正如圖示的，組件在摩擦點3處靠在一起，并且留下反 撞空隙5。而且，在所有上述接頭中，都存在引起摩擦的相對運動，摩擦導致磨損和增加的間 隙。這樣的接頭的運動學鏈混合了每個的來自反撞和磨損的誤差，導致差的精確性和可重 復性。
[0009] 柔順的（compliant)結(jié)構(gòu)提供了將運動、力或能量傳遞或變換的備選方案。與剛性 連結(jié)機構(gòu)不同，對于裝置活動性來說，柔順的機構(gòu)依賴于撓性構(gòu)件的撓曲，而不是僅僅來自 于可移動的接頭。輸入力傳遞至輸出運動，并且一些能量以應(yīng)變能量的形式儲存在撓性構(gòu) 件中。然而，柔順的結(jié)構(gòu)通常不提供足夠的剛性，不是充分熱穩(wěn)定的，或者僅具有窄的作業(yè) 溫度范圍。
[00?0] 柔順的接頭如折裙（flexure)、聯(lián)接器（coupling)、柔性樞軸（flexure pivot)、彎 曲聯(lián)接器(flex connector)、活鉸鏈和燒性接頭為傳統(tǒng)機械接頭提供了備選，減輕了它們 的缺點中的許多。然而，在現(xiàn)今的許多應(yīng)用中，如眼鏡、機器人、剪子、玩具、假體等中，仍然 使用剛性體機構(gòu)，因為所得的柔順的材料缺乏機械性質(zhì)的恰當?shù)钠胶?。例如，在需要大的?形和緊的收起半徑的柔順的機構(gòu)中主要使用聚合物如塑料和彈性體。盡管它們具有低的密 度和大的彎曲應(yīng)變，但這樣的材料的局限是它們不夠剛硬、熱學上不穩(wěn)定，并且僅僅具有窄 作業(yè)溫度范圍。
[0011 ]驅(qū)動的復合物(actuated composite)通過改變作為溫度的函數(shù)的材料剛度嘗試 橋接剛性機械連接之間的空隙以及柔性結(jié)構(gòu)的那些。然而，這樣的材料為了收起和展開需 要受控的溫度。用于將材料加熱和/或冷卻到必要溫度的附加的裝置增加了系統(tǒng)復雜性、重 量以及將可展開結(jié)構(gòu)致動成本。
[0012] 驅(qū)動的復合物可以改變它們的作為溫度的函數(shù)的剛度。在剛度上的這一改變允許 驅(qū)動的復合物在打包的狀態(tài)下是柔軟的，以避免復合物失效(斷裂，failure)，并且在可展 開狀態(tài)下是剛性的，以滿足性能要求。此類驅(qū)動的復合物的主要局限在于，為了適當?shù)丶せ?驅(qū)動的復合物，需要在可控的環(huán)境中精確地監(jiān)測并調(diào)節(jié)溫度。這意味著需要外部能量源和 附加的裝備，這將不僅增加成本和質(zhì)量，而且可能引入幾何上的不理想性，如由于熱效果導 致的直線性的不理想性。這些不理想性可以降低結(jié)構(gòu)中軸向的剛度，并因此降低彎曲剛度。 相應(yīng)地，活性鉸對任何結(jié)構(gòu)都增加重量和復雜性。
[0013] -種示例性的智能材料是超彈性鎳-鈦形狀記憶合金。此合金具有幾乎五倍于彈 性體復合物的密度，并且它的作業(yè)溫度范圍僅僅從體溫到室溫。而且，它僅僅產(chǎn)生接近5% 的應(yīng)變。另一種示例性驅(qū)動的復合物包括:可剛性化的太空（space)樹脂(L6)，其在室溫具 有低模量（l〇.6MPa，1 .5kpsi)，并且可以在低溫-100C達到類似于環(huán)氧樹脂的模量 (1.68GPa，243kpsi)。
[0014] 此外，盡管在過去的十年間在輕質(zhì)可展開結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域有了多種技術(shù)進步，但是在 提高性能和功能性方面，材料密度的降低仍繼續(xù)是最為重要和有挑戰(zhàn)的參數(shù)。然而，目前的 大的系統(tǒng)也受到收起體積的限制。為了在輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域發(fā)展革命性的進步，想要具有與 溫度無關(guān)的更好材料規(guī)格(me tr i cs)和性質(zhì)的更好的輕質(zhì)且被動(pas s i ve)的復合物。
[0015] 簡要概述
[0016] 本文所述的實施方案包括撓性、輕質(zhì)的復合材料，其可以用作具有低收起體積的 可展開結(jié)構(gòu)，但仍滿足結(jié)構(gòu)要求。
[0017] 本文所述的實施方案包含彈性體復合物，在所述彈性體復合物中多個纖維與彈性 體組合。纖維可以是基本上對齊的，因此形成單向的彈性體復合物。在20-50%之間的纖維 體積分數(shù)是優(yōu)選的，但45-65%的典型值也是可以的。纖維體積分數(shù)是包含纖維的復合物體 積比包含纖維和彈性體的復合物的總體積的分數(shù)。所得的復合物的密度可以在6 0 0 -2000kg/m3之間，小于1500kg/m3,或小于大約1350kg/m3。如本文所述的彈性體復合物的實施 方案可以發(fā)展大的彎曲時有效壓縮應(yīng)變（20-60 %，優(yōu)選高于30 %，或30 % -50 % )和5-500MPa的壓縮臨界應(yīng)力。
[0018] 可以改善纖維的均勻性和直線性，以控制復合物的壓縮模量和臨界壓縮應(yīng)力。復 合物在展開狀態(tài)的初始拉伸模量（當纖維基本上是直的時）可以在30_150GPa之間，而取決 于纖維有多么直，初始壓縮模量可能為拉伸模量的一半以上。示例性的材料構(gòu)造提供了接 近于120-160%的層間（inter-laminar)剪切應(yīng)變發(fā)展。由0 · 1mm至10mm的材料厚度范圍可 以具有示例性的低于50mm的最小收起半徑，并且可以達到接近1mm的最小收起半徑。
[0019] 有幾種方式通過在材料的兩個或一個表面中添加非常薄的卡普頓(kapton)或邁 拉(Mylar)層來控制最小允許收起半徑。而且，在拉緊時將在外側(cè)的表面中，可以將紡織的 碳織物在+45/-45、+30/-30或+60/-60度添加至內(nèi)部纖維或0或90度添加至單向纖維，或是 任何準-各向同性的構(gòu)造。許多其他不同的構(gòu)造可以控制最小半徑，如在許多取向上和不同 的層中使用Kevlar、玻璃纖維或Vectran纖維。也可以選擇或替換層的構(gòu)造、組成和量，以形 成具有想要的特性的復合物。增加復合材料的厚度也可以用于幫助控制收起半徑。
[0020] 本文所述的示例性復合材料對于結(jié)構(gòu)的輕質(zhì)的應(yīng)用來說是完美的。本文所述的示 例性的復合物可以具有被動(passive)展開機制，其允許碳纖維超出平面(out-of-plane) 微裙皺(micro-buckle)，防止了當折疊復合物時它們折斷。在不需要在彎曲材料的同時在 復合物中施加低張力的情況下，在本文所述的復合材料中就存在彈性微褶皺行為。這一現(xiàn) 象是使得復合材料在折疊期間儲存小量彈性能的原因。在展開過程中，釋放彈性能，使得材 料能夠打開回到它的原始的展開的形狀。因為硬的樹脂含有碳纖維，典型的單向的硬的復 合物將通過防止它們適應(yīng)超出平面的褶皺取而代之地具有塑性微褶皺失效或扭折 (kinking)〇
[0021] 本文使用的示例性的纖維可以具有1%以上的在極限斷裂伸長率，或拉伸斷裂應(yīng) 變。同時，示例性樣品可以具有200_400GPa之間的拉伸模量和大于4GPa的抗拉強度。圖9是 顯示用于本文用途的示例性纖維的表格。
[0022] 在示例性實施方案中，填充纖維之間的空間的樹脂或母體是被動(passive)彈性 體，其將在特定的作業(yè)溫度范圍保持它的機械和化學性質(zhì)。彈性體是具有粘彈性的聚合物， 并且與傳統(tǒng)材料如金屬、陶瓷和甚至環(huán)氧樹脂類及許多塑料相比，通常具有低楊氏模量和 高的失效應(yīng)變。在具體實例中，在變形后，它們可以回到它們的原始形狀。這類樹脂可以是 熱固體或熱塑體，但是最典型的樹脂是熱固體如硅氧烷（silicone)和聚氨酯。一些硅氧烷 對于太空應(yīng)用來說是理想的，因為它們與其他彈性體相比具有最高的作業(yè)溫度范圍（高溫 和低溫，從_150°C到200°C)。優(yōu)選地，樹脂具有大約25-55肖氏A硬度或相當于0.5-5MPa的楊 氏模量的硬度?？梢杂胠_2MPa的模量實現(xiàn)最佳的性能。彈性體的一些實例列在圖10中，其滿 足優(yōu)選的樹脂要求。而且，樹脂可以具有大于100%的斷裂時伸長，大于300psi的抗拉強度， 和為了容易浸漬而低于100, 〇〇〇cP的粘度。
[0023] 附圖
[0024]圖1圖示了示例性常規(guī)的銷接頭；
[0025] 圖2圖示了根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物結(jié)構(gòu)；
[0026] 圖3圖示了根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物結(jié)構(gòu)；
[0027] 圖4圖示了根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物結(jié)構(gòu)；
[0028] 圖5圖示了根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物結(jié)構(gòu)；
[0029]圖6圖示了對于根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物結(jié)構(gòu)來說有效壓縮模量 作為彎曲時有效壓縮應(yīng)變的函數(shù)的示例性圖；
[0030] 圖7圖示了對于根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物結(jié)構(gòu)來說有效壓縮模量 作為彎曲時收起半徑的函數(shù)的示例性圖；
[0031] 圖8A-8E圖示了彎曲期間復合物結(jié)構(gòu)內(nèi)的纖維的示例性微褶皺，圖8A是處于打包 (packaged)狀態(tài)的復合物，圖8B圖示了離開平面的（out of lane)的微裙皺的靠近視圖，圖 8C是處于展開狀態(tài)的復合物，圖8D是圖8E的復合物的彎曲的線圖，具有有關(guān)的彎曲函數(shù)和 描述；
[0032] 圖9是用于本文所述的示例性彈性體復合物中的不同種類的示例性商業(yè)纖維的材 料性質(zhì)的示例性表格；
[0033 ]圖10是用于本文所述的示例性彈性體復合物中的選出的樹脂的示例性表格；
[0034]圖11是在近似解法和實驗結(jié)果之間的折疊失效應(yīng)變和模量比較的示例性表格，其 中材料具有以下特性:k = 0 · 9/mm，Vf = 35%，且t = 0 · 54mm ； IM7F:k = 0 · 339/mm，Vf = 63%，且 t = 0.127mm;其他：k = 0.8/mm，Vf = 40%，且t = 0.386mm;
[0035] 圖12圖示了對于薄復合物來說示例性的曲率測量，其中圖12A的材料特性為k = 0.399/mm IM7F具有Vf = 63%且t = 0.127mm，且圖 12B的材料特性為k = 0.900/mm LGHM具有 Vf = 35%，且t = 0.54mm。
[0036] 圖13是用于本文所述的實施方案的不同類型的示例性中等模量材料的材料性質(zhì) 的不例性表格；
[0037]圖14圖示了對于圖13所列的材料來說的包裝半徑，其中顯示LGHM作為理想的用于 短的柔性鉸的復合物；
[0038]圖15A-15D圖示了 Miura折紙圖案的根據(jù)本文所述的實施方案的復合物薄板的示 例性折置序列；
[0039]圖16是常規(guī)用于輕質(zhì)太空結(jié)構(gòu)的不同種類的材料的材料性質(zhì)的示例性表格；
[0040]圖17圖不了用于輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的材料性能的不例性圖；
[0041]圖18圖示了儲存本文所述的復合材料的示例性卷起或打包方法；
[0042]圖19是單向的彈性體復合物的材料性質(zhì)和參數(shù)的示例性表格，具有t = 0.386mm的 復合物（除了頂7F具有t = 0.127mm和LGHM具有t = 0.54mm之外）；硅氧烷模量為0.916MPa，且 8552環(huán)氧樹脂模量為4.67GPa;
[0043] 圖20圖示了分布型應(yīng)變材料性能的示例性圖，其中根據(jù)本文所述的實施方案的彈 性體復合物在右上部分，具有與傳統(tǒng)材料相比更高的材料規(guī)格(MlO/s和AS4/s是由碳纖維 和硅氧烷制成的概念上的復合物，其中V f = 40%且t = 0.386mm，且小寫c表示處于壓縮的材 料，且小寫t表示處于張緊的材料）；
[0044] 圖21圖示了對于使用LGHMc的薄壁管的桁架來說的示例性桁架性能規(guī)格；
[0045]圖22圖示了壓縮型應(yīng)變材料性能的示例性圖，對于彈性體復合物來說Vf = 40%且 t = 0.386mm(除了LGHM具有Vf = 35%且t = 0.54mm之外），其中根據(jù)本文所述的實施方案的 彈性體復合物在圖的右方，具有更好的材料規(guī)格；
[0046] 圖23圖示了使用分布的應(yīng)變途徑的示例性可盤繞（co i lab 1 e )的較長的井架 (mast)(ATK-Able Graphite Coilable)；
[0047] 圖24A-24H圖示了根據(jù)本文所述的實施方案使用有機硅的示例性彈性體復合物管 形桿(boom)，其中圖24A-24G圖示了示例性的彈性體形狀記憶碳復合物管形桿從自由形狀 到卷起隨后從卷起到自由形狀，并且圖24H圖示了由可剛性化的碳復合物制得的示例性8英 寸直徑管形桿；
[0048]圖25A-25C圖示了根據(jù)本文所述的實施方案的使用脲烷的示例性彈性體復合物管 形桿，其中管形桿1具有大約1.5英寸的直徑、38.38英寸的長度、0.015的厚度和0.105鎊力 的重量，且管形桿2具有大約0.5英寸的直徑、27.25英寸的長度、0.008的厚度和0.015鎊力 的重量，第一管以2英寸的邊長折疊，以得到1.6英寸的收起長度，且第二管以0.8英寸的邊 長折疊，以得到〇. 9英寸的收起長度；
[0049] 圖26圖示了示例性眼鏡，包括可以結(jié)合如本文所述的復合材料的各種有標記的框 架部件;且
[0050] 圖27圖示了制造如本文所述的單向的彈性體復合物的示例性方法。詳細描述
[0051] 以下詳細描述作為實例但不作為限制說明本發(fā)明的原理。此說明書將清楚地使本 領(lǐng)域技術(shù)人員制造和使用本發(fā)明，并且描述本發(fā)明的若干實施方案、改編、變型、備選和用 途，包括目前據(jù)信為進行本發(fā)明的最佳方式。應(yīng)當理解，附圖是本發(fā)明的示例性實施方案的 圖形的和示意性的表示，且不限制本發(fā)明，并且它們也不必須按比例繪制。
[0052]本文描述的復合物結(jié)構(gòu)的實施方案可以包括在減少系統(tǒng)的質(zhì)量和復雜性的同時 增加可靠性和結(jié)構(gòu)性能的性質(zhì)。例如，想要的性質(zhì)可以包括低的熱膨脹系數(shù)和低的密度，同 時保持足夠的結(jié)構(gòu)剛度或剛性。
[0053]盡管本文描述和圖示的本發(fā)明的實施方案是復合材料的棒或片，應(yīng)當理解，本發(fā) 明的實施方案不限于如此，而是此外可以用于具有不同橫截面或表面構(gòu)造的其他材料構(gòu) 造。此外，盡管本發(fā)明的實施方案在本文中可以按照示例性應(yīng)用描述和圖示，應(yīng)當理解，本 發(fā)明的實施方案也可用于從所述材料性質(zhì)得益的其他應(yīng)用。
[0054] 圖2和3圖示了根據(jù)本文所述的實施方案的示例性復合物。示例性復合物10、1(/包 含多個纖維12和樹脂14。纖維12為了說明的目的圖示為分開的，但可以是分開的或是與相 鄰纖維接觸的。樹脂14填充纖維12之間的開放空間。纖維沿其長度以圓形、均勻的橫截面示 出，但可以包括任何橫截面或者沿著纖維長度或橫過復合物橫截面的橫截面變化性，以得 到不同的材料響應(yīng)。如所示的，示例性復合物沿著它的長度處于基本上均勻的橫截面。圖2 圖示了示例性的圓形橫截面，而圖3圖示了基本上矩形的橫截面。不同的橫截面和可變的橫 截面是預期的，并且包括在本公開的公開內(nèi)容內(nèi)。例如，復合材料可以成形為棒、纜、索或其 他長的結(jié)構(gòu)，或者通過改變復合物結(jié)構(gòu)的尺寸成為片。
[0055] 如圖示的，纖維12沿著纖維的縱軸對齊。在示例性實施方案中，纖維是基本上平行 的。如本文關(guān)于對齊的或構(gòu)造所使用的"基本上"意在包括從完美對齊的一些偏離。然而，通 常，纖維沿著相同的方向朝向，使得纖維的一端的終端端點是復合材料的一端或一側(cè)，并且 纖維的另一相反端的終端端點是復合物結(jié)構(gòu)的另外一端或一側(cè)。各自纖維之間越是對齊， 基本上對相應(yīng)材料性質(zhì)的控制越好。然而，在制造期間對齊纖維和形成材料的成本存在折 衷。因此，在本公開的情況下，想要完美的對齊，但是并不必須。本領(lǐng)域技術(shù)人員會將容許偏 差理解為在選擇的制造過程中固有的偏離或誤差。纖維12優(yōu)選在不受力的狀態(tài)下基本上是 對齊的。例如，纖維可以沿著纖維的長度是直的且平行的。
[0056] 纖維也可以在橫過纖維縱軸的面內(nèi)的一個以上方向上對齊。例如，纖維12可以基 本上成層，使得它們與片的側(cè)邊緣對齊。這樣，所有纖維都是基本上對齊的。在另一個實例 中，可以將第一多個(plurality)纖維在第一面中對齊，并將第二多個纖維在第二面中對 齊。第一和第二面可以是相鄰的、對齊的、平行的、或它們的組合。在一個示例性實施方案 中，第二面可以是復合物結(jié)構(gòu)的外部側(cè)邊緣。在一個示例性實施方案中，纖維12可以如圖示 的以對齊的行成形。備選地，或附加其上地，纖維12可以在側(cè)面中的第二方向上對齊。在示 例性實施方案中，纖維可以沿著與纖維縱軸平行取向的基本上平行的面對齊。面內(nèi)的纖維 可以可變地間隔開的或均勻地間隔開的。
[0057] 本文所用的術(shù)語面描述了纖維的取向。面不意在限制為二維的構(gòu)造。因為纖維具 有深度，當它們在面中對齊時，它們基本上沿著相同的兩個維度軸對齊。然而，因為纖維的 深度和可能的纖維半徑的可變性，面意在包括一些深度部分，使得如果纖維當從垂直于所 述的對齊面看上去是重疊的，那么認為纖維在相同的面內(nèi)。換言之，如果纖維的任何橫截部 分都包含在沿著纖維長度的一個二維面內(nèi)，那么認為纖維在該面內(nèi)是對齊的。例如，如果使 用單一行的纖維并且定位在水平的、平坦的表面如桌面上，會認為纖維對齊了，不管它們的 直徑或橫截尺寸，因為至少纖維的較低點都在接觸桌面的面內(nèi)。根據(jù)制造選擇和復合物要 求，本領(lǐng)域人員會理解，對于在面內(nèi)的纖維的長度的包含（inclusion)允許一些誤差。例如， 如果纖維的橫截面被包含在面內(nèi)多于纖維長度的90%并且剩余的10%不從面垂直偏離纖 維直徑的多于l-2x，則認為整個纖維都在面內(nèi)對齊。
[0058]在示例性實施方案中，第一多個纖維在第一方向上在復合材料的整個內(nèi)部對齊。 在復合物結(jié)構(gòu)的外表面上的第二多個纖維在不同于第一方向的第二方向上對齊。在示例性 實施方案中，第二方向?qū)τ诘谝环较蚴莾A斜的。第二多個纖維的縱軸可以對于第一多個纖 維的縱軸基本上是傾斜的。在示例性實施方案中，兩軸在20至70度之間，例如，角度可以為 大約45度、30度或70度。
[0059]在示例性實施方案中，第三多個纖維可以在第三方向上對齊。第三多個纖維可以 在第一和第二多個纖維之間，從而形成在由第一多個纖維形成的內(nèi)部復合材料與由第二多 個纖維限定的外部表面之間的中間層。第三多個纖維可以基本上與第二多個纖維垂直對 齊。第三多個纖維可以對于第一多個纖維的縱軸是傾斜的。例如，第三多個纖維可以在+/-20與+/-70度之間，例如，角度可以為大約-45度、-30度或-70度。
[0060] 在示例性實施方案中，第二和第三多個纖維可以是基本上相同的層。例如，第二和 第三多個纖維可以是機織的。備選地，第二和第三層可以是相鄰的、分開的層，使得第二層 是外部層且第三層在內(nèi)部的第一層與外部的第二層之間。第一和第二層可以直接接觸而沒 有第三層。第三層可以與第一和第二層兩者同時直接接觸。
[0061] 在圖4中所示的示例性片實施方案中，類似于圖3中圖示的，可以在分別的平面層 中含有第一多個纖維402、第二多個纖維404和第三多個纖維406。第一和第二多個纖維可以 出現(xiàn)在第一多個纖維的單一側(cè)，或者可以對稱位于(mirrored)或位于復合材料的一個以上 外部表面上。正如所示的，第二多個纖維404相對于平行于第一多個纖維的軸的線成(α)角 度，且第三多個纖維406相對于同一根線成(β)角度。所述角度可以在+/-20和+/-70度之間。 角度的大小可以是相同的或不同的。角度可以圍繞測量軸408相對或?qū)ΨQ。
[0062]在如圖5中所示的棒或纜實施方案中，類似于圖2中圖示的方案，第一層502可以是 基本上為圓柱形構(gòu)造的棒的內(nèi)部的部分。第二多個纖維504可以是在外周上包圍第一多個 纖維的外部表面，或者可以圍繞由第一多個纖維限定的周界的部分。在示例性實施方案中， 第二和/或第三多個纖維506可以基本上螺旋圍繞第一多個纖維。如所示的，第二多個纖維 504相對于平行于第一多個纖維的軸的線成(α)角度，且第三多個纖維506相對于同一根線 成⑴）角度。所述角度可以在+/-20和+/-70度之間。第二和/或第三多個纖維也可以配置為 使得片的一部分在第一多個纖維的全部或部分周圍卷繞。因此，多個不連續(xù)的纖維部分可 以位于沿著第一多個纖維的長度，并且可以完全或部分地限定第一多個纖維的外周界。 [0063]在示例性實施方案中，復合材料包含多個基本上在它的體積內(nèi)對齊的纖維，具有 完全填充該多個纖維之間的空間的樹脂。如果用途定向為使得外部表面或側(cè)面處于拉伸， 可以以+45/-45、+30/-30或+60/-60的角度向具有纖維的外部表面加入紡織的織物。備選 地，可以使用〇或90度的紡織的碳織物，或者單向的纖維，或任何準各向同性的構(gòu)造。
[0064]另一個控制復合材料的收起半徑的示例性方法可以通過增加樹脂的剛度和/或作 為厚度的函數(shù)的纖維體積分數(shù)來達成。當彎曲建議的復合物時，因為中性軸移動接近外表 面層，大多數(shù)層中的纖維將褶皺，并且儲存應(yīng)變能，由于纖維越靠近內(nèi)層，它們褶皺得越多， 因此可以存在較低剛度彈性體以及也較低的纖維體積分數(shù)。此外，更靠近外表面層的纖維 可能發(fā)生相反情況。這些處于拉伸，并且因此可以使用非常高剛度樹脂和高體積纖維分數(shù)。
[0065] 本文所述的實施方案包含彈性體復合物，其中多個纖維與彈性體組合。纖維可以 是基本上對齊的，因此形成單向的彈性體復合物。在20-70%之間的纖維體積分數(shù)是優(yōu)選 的，但是45-65%的典型值也是可以的。所得的復合物的密度可以在600-20001^/1113之間，小 于1500kg/m 3,或小于大約1350kg/m3。如本文所述的彈性體復合物的實施方案可以發(fā)展大的 彎曲時有效壓縮應(yīng)變(20-60 %，優(yōu)選高于30 %，或30 % -50 % )和5-500MPa的壓縮臨界應(yīng)力。 可以改善纖維的均勻性和直線性，以控制復合物的壓縮模量和臨界壓縮應(yīng)力。復合物在展 開狀態(tài)的初始拉伸模量（當纖維是直的時)可以在30_150GPa之間，而取決于纖維有多么直， 初始壓縮模量可能為拉伸模量的一半以上。該材料構(gòu)造提供了接近于120-160%的層間剪 切應(yīng)變發(fā)展。材料厚度范圍為0. 且可以達到低于50mm的最小收起半徑，并接近 1mm。有幾種方式通過在材料的兩個或一個表面中添加非常薄的卡普頓或邁拉層來控制最 小允許收起半徑。而且，在拉緊時將在外側(cè)的表面中，可以將紡織的碳織物在+45/-45、+ 30/-30或+60/-60度添加至內(nèi)部纖維或0或90度添加至單向纖維，或是任何準-各向同性的 構(gòu)造。許多其他不同的構(gòu)造可以控制最小半徑。例如，在許多取向上和不同的層中使用 Kevlar、玻璃纖維或Vectran纖維。增加復合材料的厚度也可以用于幫助控制收起半徑。
[0066] 本文所述的彈性體復合物平衡了彎曲時的有效壓縮剛度和有效壓縮應(yīng)變，并且因 此，當被驅(qū)動的復合物需要時不需要任何外部能量源或設(shè)備而展開。公開的復合材料是由 彎曲時具有可變的壓縮剛度和可變的壓縮應(yīng)變的被動的單向的彈性體復合物制得的，如圖 6上所示。因此，壓縮有效模量可以從展開狀態(tài)的30-150GPa到打包狀態(tài)的5MPa。圖7中給出 了相應(yīng)的圖線，提供了作為收起半徑的函數(shù)的有效壓縮剛度。由于在彎曲時有效壓縮剛度 的減少，本發(fā)明可以達到的最小半徑為1mm那么低。
[0067] 因此，本文所述的示例性復合材料對于結(jié)構(gòu)輕質(zhì)應(yīng)用時完美的。本文所述的示例 性復合物可以具有允許碳纖維離開平面微褶皺的被動展開機制，防止它們在如圖6中所示 折疊復合物時折斷。在不需要在彎曲材料的同時在復合物中施加低張力的情況下，在本文 所述的復合材料中就存在彈性微褶皺行為。這一現(xiàn)象是使得復合材料在折疊期間儲存小量 彈性能的原因。在展開過程中，釋放彈性能，使得材料能夠打開回到它的原始的展開的形 狀。因為硬的樹脂含有碳纖維，典型的單向的硬的復合物將通過防止它們適應(yīng)超出平面的 褶皺取而代之地具有塑性微褶皺失效或扭折。另一方面，如果在彎曲材料的同時向復合物 施加足夠的張力，非常薄的硬復合物(0.125-0.4mm)將能夠獲得彈性微褶皺現(xiàn)象。當彎曲時 需要具有張力以表面失效的材料的另一個實例是室溫下由L · Garde L6智能(可剛性化)樹 脂制得的驅(qū)動的復合物。在室溫，L6具有接近~lOMPa的模量，并且它高于對于FLASH應(yīng)用來 說的最大理想模量。在用于工業(yè)中的其他智能樹脂的情況下發(fā)生相同情況，如形狀記憶聚 合物（SMP)與纖維增強組合，以形成得知Composite Technology Development (CTD)公司 的Elastic Memory Composite(EMC)〇
[0068]用于薄復合物應(yīng)用的示例性性質(zhì)測量，如在圖8D中所示的，為ε = 64.5,k = 0.900/ mm，Vf = 35%，和t = 0.54mm。
[0069]常規(guī)的呈現(xiàn)彈性微褶皺行為的驅(qū)動的復合物僅僅當將智能樹脂加熱高于室溫(在 40-80攝氏度之間）時才出現(xiàn)，將樹脂的模量減少指低于或高于呈現(xiàn)的樹脂模量范圍（0.5- 5MPa)。然而，低于此范圍的樹脂模量將導致在展開狀態(tài)沒有適宜的低壓縮臨界應(yīng)力的彈性 體復合物，導致可展開結(jié)構(gòu)或一些柔順的機構(gòu)中的失效。而且，在打包狀態(tài)，將沒有足夠的 彈性性質(zhì)以防止反纖維超出它們的允許的彎曲時應(yīng)變。換言之，常規(guī)材料不能儲存應(yīng)變能。 這就是為何驅(qū)動的復合物通常需要受冷，以增加智能樹脂剛度，并因此增加在展開狀態(tài)下 的復合物壓縮性質(zhì)。然而，如果樹脂模量高于限定的模量范圍，那么單向的彈性體復合物將 具有扭折失效，除非如上所述在復合物中施加張力。相反，本發(fā)明的復合物的實施方案通過 使用樹脂如硅氧烷和聚氨酯，具有對于特別的可展開太空結(jié)構(gòu)來說剛好足夠的壓縮臨界應(yīng) 力，并且當彎曲時可以無需張力地發(fā)展彈性微褶皺行為。
[0070] 本文所用的示例性纖維可以具有1 %以上的在極限斷裂伸長率，或拉伸斷裂應(yīng)變。 同時，示例性樣品可以具有200_400GPa之間的拉伸模量和大于4GPa的抗拉強度。圖9是顯示 用于本文用途的示例性纖維的表格。從此表可見，示例性優(yōu)選的中等模量碳纖維如AS4、 頂7、頂10、T700S和T700G等同時滿足所有上述所需性質(zhì)。最后，重要的是提到能夠獲得優(yōu)選 的Vf，具有不大于1%的膠料（sizing)的纖維是優(yōu)選的。0.25%膠料是理想的或任何接近 0%的數(shù)。0%膠料纖維通常非常難以處理，而太多的膠料將使得難以用彈性體樹脂浸漬纖 維。此外，一些樹脂將中毒，即使是用1%膠料。因此，幾乎所有彈性體樹脂可以保持0.25% 或0%膠料。通常，我們可以使用單向的l-24k長絲的絲束，然而，我們可以使用任何類型的 碳織物構(gòu)造，如平織織物、編織套簡短襪(socks)或具有任何量的層的帶織物?？梢跃哂幸?些提及的想要的碳纖維與任何其他不滿足上述規(guī)定的纖維的組合。
[0071] 在示例性實施方案中，樹脂或母體是被動的彈性體，其在特定的作業(yè)溫度范圍將 維持它的機械和化學性能。彈性體是具有粘彈性的聚合物，并且與傳統(tǒng)材料如金屬、陶瓷和 甚至環(huán)氧樹脂類及許多塑料相比，通常具有低楊氏模量和高的失效應(yīng)變。在具體實例中，在 變形后，它們可以回到它們的原始形狀。這類樹脂可以是熱固體或熱塑體，但是最典型的樹 脂是熱固體如硅氧烷和聚氨酯。與硅氧烷相比，聚氨酯易于加工，因為它們沒有具有1%膠 料的纖維的問題，但是它們具有較小的作業(yè)溫度范圍。一些硅氧烷對于太空應(yīng)用來說是理 想的，因為它們與其他彈性體相比具有最高的作業(yè)溫度范圍（高溫和低溫，從_150°C到200 °C)。它們中的一些可以在纖維中承受1%的膠料而不中毒。然而，為了得到較低的V f，使用 幾乎零膠料是實用的。優(yōu)選地，樹脂具有25-55肖氏A硬度或相當于0.5-5MPa的楊氏模量的 硬度?？梢杂胠_2MPa的模量實現(xiàn)最佳的性能。彈性體的一些實例列在圖10中，其滿足優(yōu)選的 樹脂要求。而且，樹脂可以具有大于100%的斷裂時伸長，大于300psi的抗拉強度，和為了容 易浸漬而低于100，〇〇〇cP的粘度。用于將彈性體復合物與它們自己或許多其他材料結(jié)合的 最佳的粘合劑實際上是使用與復合物中所用的相同的彈性體樹脂或具有更高硬度的類似 樹脂。例如，CV-1142可以用作用于用CV1-1142制造的彈性體復合物的粘合劑。彈性體越硬， 它對于結(jié)合來說越好，如Aptek 2100A/B。
[0072] 第一示例性復合材料(LGHM)由AS4碳纖維制成，具有厚度(t = 0.54mm)和填充體積 (Vf = 3 5 % )。對于所選的LGHM硅氧烷來說，拉伸模量、剪切模量和泊松比分別為Em = 0·916MPa，Gm=0·305MPa，和=0·499。
[0073] 在圖11中列出了對于LGHM來說的計算的和試驗的結(jié)果，以及根據(jù)本文所述的實施 方案的三種備選復合材料的計算的結(jié)果。不僅相對于驅(qū)動的復合物，而且相對于傳統(tǒng)材料 如與8552環(huán)氧硬復合物一起的頂7碳纖維aM7F，參見如圖12A和B所示的頂7F和LGHM的曲率 測量的差別），這些備選復合材料是具有機械性能和材料規(guī)格的出色平衡的單向的彈性體 復合物(AS4/s，頂7/s，和頂10/s，由IMPa硅氧烷樹脂制備）。盡管LGHM比頂7F更厚，但LGHM在 失效前具有比頂7F更高的曲率。
[0074] 因為纖維的對齊可以對所得的復合物的特性具有本質(zhì)的影響，制造根據(jù)本文所述 的實施方案的示例性復合物可能是困難的，因為可能難以保持在樹脂涂敷、干燥和固化期 間保持纖維的對齊和取向。在示例性制造過程中，將纖維以想要的構(gòu)造對齊和錨定。用樹脂 如本文所述的彈性體浸漬纖維。涂敷可以是例如通過輥、橡皮掃帚、噴霧、傾倒等的。在固化 溫度將樹脂/纖維固化。然而，因為樹脂和纖維可能具有不同的熱膨脹系數(shù)，古國過程可以 使樹脂膨脹，這引起纖維的波或未對齊。
[0075] 圖27圖示了制造如本文所述的單向的彈性體復合物的示例性方法。首先，提供多 個比意圖的最終復合物結(jié)構(gòu)的長度更長的纖維。例如，可以使用由最終意圖的復合物結(jié)構(gòu) 長度長度大約翻倍的纖維。將模具置于纖維周圍。模具可以包含內(nèi)與最終復合物結(jié)構(gòu)的想 要的外表面橫截面形狀相同的內(nèi)橫截面。例如，可以使用特氟龍管。模具可以包含等于或大 于想要的最終復合物長度的長度。可以隨后將纖維放置為處于張緊，以保持在樹脂涂敷和 固化期間纖維是直的。可以通過向纖維的一個以上端部施加一個以上錨定或砝碼，使纖維 處于張緊。例如，如圖27中可見的，可以錨定纖維的一個端部2602,同時纖維的相反端部可 以包含一個以上砝碼2604a、2604b。砝碼可以優(yōu)選包含與纖維接觸的涂膠的或保護的表面， 以防止傷害纖維。在示例性實施方案中，大約每1200根纖維使用一鎊，以提供跨多個纖維的 基本上均勻的力。纖維可以作為一組或單獨地放置在張力下。隨后向模具2608的外側(cè)的處 于張緊的纖維部分涂敷樹脂。隨后將模具2608平移到覆蓋有樹脂的纖維部分2606上。隨后， 可以在室溫經(jīng)過較長時間段固化復合物。保持較低的溫度減少了纖維和樹脂之間不一致的 膨脹，并且有助于保持纖維是直的和對齊。在復合物固化后，可以移除模具?？梢詫⒛＞邚?復合物切掉或拉掉。也可以將模具加熱，以使模具從纖維/樹脂復合物膨脹。
[0076] 可以使用類似的過程，形成具有不同材料性質(zhì)的復合物彈性體的終端端部。例如， 如果復合物彈性體與另一種材料或結(jié)構(gòu)偶接，較強的終端端部對于這樣的連接來說是想要 的。為了制造這樣的分段的復合材料，可以沿著或圍繞纖維放置一個以上模具。每段可以涂 覆有不同的樹脂或化合物，以形成復合物。例如，可以如上所述制造中部，以形成如本文所 述的彈性體復合物。多個纖維從涂敷的樹脂部分延伸出來的一個或兩個終端端部需要不同 的材料性質(zhì)。因此，可以在樹脂的終端端部涂敷合適的環(huán)氧物或樹脂?？梢栽诮K端端部使用 不同尺寸的模具，以形成不同的終端橫截面積。例如，可以使用較大的或不同造型的模具， 以形成用于復合物結(jié)構(gòu)的終端連接端部。因此，在涂敷終端端部的一個或兩者的樹脂或環(huán) 氧物之后，則可以將合適的模具放置在纖維上。可以像中間部分的模具那樣使用相同或不 同的模具。隨后留下整個構(gòu)造以如上所述固化。
[0077] 可以使用不同的模具構(gòu)造?？梢栽谕糠髽渲褪估w維置于張緊之前，將模具圍繞 纖維放置。在這種情況下，一旦將樹脂、彈性體或環(huán)氧物涂敷到了纖維的一部分，可以沿著 纖維滑動模具。備選地，可以在向處于張緊的纖維涂敷樹脂、彈性體或環(huán)氧物之后，將模具 圍繞纖維夾住、卷起或以其他方式放置。
[0078] 如本文所述的彈性體復合物的實施方案的示例性應(yīng)用包括用作纜、索、繩、絲網(wǎng)或 任何處于張緊的構(gòu)件。應(yīng)用可以包括水、太空或陸地，如運動、釣魚、索具等。其他應(yīng)用可以 包括例如用于假體的充氣肌肉，或變形翼、帶增強、高壓可膨脹結(jié)構(gòu)支持體、桁架、和線（如 用于自行車剎車、球拍線、降落傘的繩索、船、吉他弦、網(wǎng)、釣魚等）。
[0079] 另一種應(yīng)用是在需要剛度的裝置中，以提高作為像是張緊的線性彈簧和可展開結(jié) 構(gòu)中的可展開的元件如在可展開桁架中的可展開的對角線的功能。這可以通過在碳纖維中 引入波紋形或未對齊完成，所以當在彈性體復合物中施加張力時，減少波紋形或未對齊，并 且因此，材料中的剛度將由于纖維中恢復的直線性而增加。
[0080] 本文所述的材料也可以用在例如柔性鉸和柔順的接頭中。柔性鉸是可以不僅用于 開關(guān)大門、門、床和筆記本電腦，并且也幫助如太空衛(wèi)星、相控陣、變形翼、玩具、可展開桁架 等結(jié)構(gòu)或機械裝置的展開。柔性鉸是柔順的接頭的出色的實例。例如，在可展開的桁架中的 柔性鉸將均勻彎曲，以適應(yīng)90度旋轉(zhuǎn)。多于或少于90度的曲率也是預期的。例如，鉸可以適 應(yīng)例如45度至180度、或更特別地45度至135度、或80至100度之間的曲率。鉸彎曲的角度是 從未彎曲的、開放的構(gòu)造開始測量的，使得180度是折疊回它自己上，具有基本上平行的端 部，并且90度時基本上具有垂直取向的鉸的端部。鉸也可以在對稱的方向上彎曲，使得鉸可 以從-180度彎曲到180度或其間的任何角度范圍。角度也可以大于180度，使得超出鉸的延 伸的表面沿它們的長度接觸，同時鉸形成其間光滑的彎曲的過渡區(qū)。鉸也可以形成復合角， 使得鉸允許被連接的材料基本上平行但是不比180度取向更近地接觸。因此，鉸可以彎曲超 過180度，但是在一個或兩個相反的端部處在相反的方向上彎曲，以使連接材料超出鉸進行 取向。
[0081] 使用本文所述的實施方案的柔順的接頭可以使用材料的固有柔順性，以能夠完成 大的變形并降低應(yīng)力集中。這些接頭可以減少或消除摩擦、反撞和磨損的存在。進一步的優(yōu) 點包括由于它們的連續(xù)單塊構(gòu)造導致的高至亞微米精度。這樣的精度在許多微米、納米和 生物應(yīng)用中，以及學科間領(lǐng)域如微和納電子機械系統(tǒng)，是重要的。單塊構(gòu)造也簡化了制備， 使得能夠低成本制造和低重量。因此，柔順的接頭的主要優(yōu)點是，它們用于形成柔順的機構(gòu) 如可展開結(jié)構(gòu)、變形翼、無人飛行器(UAV)、機器人、玩具、容器等。柔順的機構(gòu)的附加的優(yōu)點 包括明顯減少為了完成特定任務(wù)所需的部件的總數(shù)量，比它們的剛性體的相似物明顯減少 重量，以及將它們小型化的容易性。這表現(xiàn)了用遞送等價機制的簡化的組件代替多材料的 復雜部件的機會。
[0082] 此外，對于非常短的柔性鉸來說，如本文所述的且示于圖13-14中的單向的彈性體 復合物由于傳統(tǒng)材料。在圖13中，僅僅考慮具有中等剛度(40-210GPa)的材料。因此，不考慮 聚合物如塑料和彈性體，因為它們不僅具有低剛度，也沒有尺寸穩(wěn)定性(高熱膨脹系數(shù)CTE 值），并且它們在一定的溫度下不維持。另一方面，NiTi超彈形狀記憶合金(SMA)具有出色的 性質(zhì)組合，但是作業(yè)溫度范圍窄（體溫至室溫）。根據(jù)本文所述的實施方案的彈性體復合物 可以以最低的收起半徑和鉸長度折疊90度。這些被動輕質(zhì)材料當將它們折疊時具有可變的 剛度，這允許它們以非常緊的半徑收起，并且儲存像是微彈簧的小應(yīng)變能。除了在此文檔中 詳述的材料性質(zhì)，長絲直徑是能夠儲存應(yīng)變能的性質(zhì)。與具有接近5μπι以下的直徑的其他中 等模量碳纖維相比，所選的具有更大直徑的纖維當彎曲復合物時（如具有接近7μπι直徑的 AS4，T700G，和T700S)將儲存更多的彈性能。即使頂7/s和頂ΙΟ/s具有比AS4/s更高的模量， 但是如圖9中所示AS4/s具有較大的直徑，并且因此AS4/s具有最高的儲存的應(yīng)變能。
[0083]本文所述的實施方案可以用于在可展開結(jié)構(gòu)中的短柔性鉸，以及在柔順的機構(gòu)中 的柔順的接頭。例如，公開的實施方案可以用于替換在柔順的機構(gòu)如眼鏡、機器人、剪刀、玩 具、假體等中的銷接頭。除了在北京技術(shù)中所述的限制，如今還使用傳統(tǒng)的銷接頭，因為它 們允許結(jié)構(gòu)和機構(gòu)折疊成非常緊的收起體積而不儲存應(yīng)變能。因此，如圖13的那些的由中 等模量材料制得的柔性鉸不用于一些應(yīng)用的主要原因是它們不能完成非常小的收起半徑， 加上它們儲存過多應(yīng)變能，其將導致結(jié)構(gòu)和裝置中的失效(高局域化集中的應(yīng)力）。此外，用 于銷接頭的理想的材料應(yīng)當具有高強度和高剛度、疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂抗性、和低的密度。 這不是當前材料如具有高密度的不銹鋼的情況。
[0084] 通常，根據(jù)本文所述的實施方案的復合材料在柔順的接頭方面顯示主要的改進， 所述柔性接頭用于在軍事、陸地和太空任務(wù)中使用的可展開結(jié)構(gòu)。對于太空任務(wù)，這種創(chuàng)新 將最小化發(fā)射質(zhì)量、體積和成本，同時在太空環(huán)境中保持所需的結(jié)構(gòu)性能。此外，此技術(shù)將 不僅對于太空系統(tǒng)，而且對于需要是便攜的陸地的可展開機構(gòu)如可展開飛碟、汽車太陽傘、 筆記本電腦、大帽子，提供安裝和勞動成本上的降低。
[0085] 其中充當柔順的接頭的柔性-彈性鉸鏈具有許多可能性的另一個區(qū)域是在隔振系 統(tǒng)中，如用于輕質(zhì)運動裝置的支撐結(jié)構(gòu)。公開的復合物的有效的可調(diào)的或可變的剛度可以 是預定的，并且可以基于材料曲率或收起半徑計算。那么，材料改變其剛度的能力將允許系 統(tǒng)將它的內(nèi)部的自然頻率切換到遠離外部強迫頻率，并且因此，將減少運動幅度。
[0086] 此外，在可展開結(jié)構(gòu)中的振動可以通過吸收（阻尼）系統(tǒng)的振動能量被最小化。因 此，代替通過為了增加系統(tǒng)阻尼進行阻尼處理如向外側(cè)表面增加一層阻尼材料(如橡膠)來 減少結(jié)構(gòu)中不想要的振動，可以通過用彈性體樹脂（當在碳纖維和樹脂剛度之間有較大失 配時出現(xiàn)較大的阻尼)代替復合物中的硬樹脂完成振動的減少。這種方法促進通常用于輕 質(zhì)可展開結(jié)構(gòu)的高阻尼和振動抑制組件的構(gòu)建。例如，由此材料制得的減震器和緩沖器可 以用于吸收沖擊能量或減緩組件的運動(如解卷掛繩或展開面板）。
[0087] 本文所述的實施方案在復合物需要折疊的區(qū)域中結(jié)合了高應(yīng)變樹脂，同時在復合 物的其余部分中保持較硬的母體。Miura折紙復合物薄板在圖15中示出。這種結(jié)構(gòu)可以避免 對緊固件或支撐結(jié)構(gòu)的需要，因為它采用了連續(xù)均勻碳織物。此外，使用不同模量類型的樹 脂的新方法將允許制造許多種類的柔順的機構(gòu)，如非常高效且輕質(zhì)的可展開結(jié)構(gòu)、變形翼， 機器人、玩具、眼鏡、剪刀、假體、無人飛行器(UAV)等。例如，在可展開結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域的其他研 究人員目前完成的工作僅僅與軟樹脂組合使用紙或低模量的纖維，如玻璃纖維、Kevlar或 Vectran。這些纖維不夠硬到足以發(fā)展良好的材料規(guī)格度量和在收起構(gòu)造中存儲應(yīng)變能。中 等模量碳纖維的另一個優(yōu)勢是與其它纖維相比較高的抗拉和抗壓強度值。而且，其中可展 開結(jié)構(gòu)需要折疊間隙由限定的彈性體樹脂保護。這將幫助避免材料和結(jié)構(gòu)皺紋，促進特定 的系統(tǒng)的折疊圖案。同時，建議的結(jié)構(gòu)將幫助總系統(tǒng)的展開過程，因為它們可以在它們的收 起構(gòu)造中儲存一些應(yīng)變能。
[0088] 圖15圖示了 Miura折紙圖案中的復合物薄板的示例性折疊序列。折疊線是由纖維 強化的高應(yīng)變母體制成的。18英寸X 24英寸、0.013英寸厚Miura折紙圖案的展開可以在2-3 秒可展開時間中發(fā)生?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)材料性質(zhì)和幾何參數(shù)減小展開速度。大約的打包體積 為0.5英寸X 4.3英寸X 3.8英寸，且重量為94.7g(0.2091b)。
[0089] 此外，LGHMt(張緊時的LGHM)對于其中需要具有處于張緊的構(gòu)件的應(yīng)用來說具有 許多潛力。注意在圖16中，LGHMt具有比金屬和甚至用于處于張緊的構(gòu)件的單向的S2-449/ SP381(S2)復合物更高的材料規(guī)格、E/r。這意味著，彈性體復合物可以用來取代需要是輕質(zhì) 的且處于張緊的纜。此外，對于特定類型的碳纖維，彈性體復合物和硬復合物將具有幾乎相 同的拉伸模量。換言之，具有相同碳纖維和纖維體積分數(shù)的彈性體復合物和硬復合物可以 具有幾乎相同的材料規(guī)格、E/r、對于處于張緊的構(gòu)件的值；區(qū)別在于彈性體復合物將能夠 發(fā)展較小的收起或打包半徑。例如，圖16中的（V f = 60%)AS4/997硬復合物（AS4)具有 122GPa的模量和1.53%的折疊失效應(yīng)變；同時，對于(Vf = 63% )AS4/硅氧烷彈性體復合物 (AS4/s)來說，分別預計92GPa和37%的拉伸模量和折疊失效應(yīng)變。此初步觀察可以導致用 于受拉的輕質(zhì)可展開結(jié)構(gòu)的另外的應(yīng)用。例如本文所述的實施方案與硬復合物相比將是較 好的選擇，因為本申請在展開狀態(tài)需要薄的受拉的結(jié)構(gòu)；而在打包狀態(tài)基板材料將不處于 張緊，而取而代之的是，能夠如圖18中卷起來。因此，對于需要打包成小體積且在可展開構(gòu) 造為硬的受拉的薄復合物來說，推薦使用本文所述的實施方案，與是否壓縮臨界應(yīng)力低無 關(guān)。一個重要的應(yīng)用將是替換樂器如吉他，鋼琴，小提琴等中使用的當前的弦。由本發(fā)明材 料制出的揚聲器也是可以的。在體育如射箭和釣魚中，弦和線可以由本文所述的實施方案 制出。
[0090] 對于第一次電纜來說，也有可能通過將新型復合物嵌入內(nèi)部而不是具有兩個分開 的組件，來減少重量。例如，太陽能電池陣列板通常必須具有緊靠扁平纜的鉸鏈。可以將電 纜內(nèi)部結(jié)合至本文所述的實施方案。
[0091] 本文所公開的材料的實施方案具有比硬復合物更好的材料規(guī)格，并且儲存非常少 的能量以促進并安全地展開分層的結(jié)構(gòu)。例如，用于分布式應(yīng)變可展開桁架如螺旋式桁架 的像材料規(guī)格是f Η εΕ)2/3。對于創(chuàng)新的復合物，相比于如在圖19和20中所示的單向的硬復 合物的1，513N2/3m 5/3/kg，此材料規(guī)格估計為9，243N2/3m5/3/kg那么高。這意味著，通過使用新 的材料，分布式應(yīng)變可展開桁架可以制造為具有圓錐截面，其可以圓錐折疊或卷起折疊。注 意，具有最高材料規(guī)格的材料是IMlO/s，因為IM10碳纖維具有比其他纖維更高的力學性質(zhì)。 頂10碳纖維具有2.1 %的彎曲應(yīng)變失效、lOlOksi (6964mpa)的抗拉強度和44Msi (303GPa)的 彈性模量。然而，AS4/s將由于較高的應(yīng)變存儲能保證最高的彈簧儲存效果。
[0092] 此外，不僅對于使用分布式應(yīng)變途徑的桁架來說，而且對于如圖19-20所示的使用 集中式應(yīng)變途徑的可展開桁架來說，公開的材料具有比單向的硬復合物更好的材料規(guī)格。 注意，集中式應(yīng)變途徑需要僅僅非常短的柔性鉸鏈。如在圖21中所示，由包含如本文所述的 復合物的非常硬的薄壁縱梁管制成的集中式應(yīng)變可展開桁架可以具有是最好的分布式應(yīng) 變可展開桁架如ATK-Able Graphite Coilable桁架（圖23)的幾乎三倍的桁架性能指數(shù)。將 圖23中的桁架與兩種概念上的集中式應(yīng)變薄壁管的可展開桁架（圖21)相比。這些概念的桁 架具有比具有類似的質(zhì)量/長度的可盤繞桁架更好的桁架性能指數(shù)。
[0093]本文所述的實施方案當使用它們作為減去的（subtracted)材料使用時可以用于 改善彎曲致動器如壓電致動器。新的先進的壓電致動器將是輕質(zhì)的且將具有更大的曲率， 增強在研究區(qū)域如控制流、變形翼、膜致動形狀、光學致動表面、人工肌肉、皮膚適應(yīng)系統(tǒng)、 非爆炸性釋放裝置等內(nèi)的性能。主要原因是壓電材料是附接至被動基板材料的，所述被動 基板材料當被驅(qū)動時在沿著基板材料厚度一半處的中性軸位置沒有變化的情況下彎曲。因 此(ths)，缺乏中性軸變化使得傳統(tǒng)基板材料是較低能量效率的且較低撓性的，除非它們使 用聚合物如塑料和彈性體。然而如在圖8中所見，當彎曲本文所述的復合物時，在大部分層 中的纖維將褶皺并儲存應(yīng)變能，因為中性軸移動接近外表面層。由于纖維越靠近內(nèi)層，它們 褶皺得越多。更靠近外表面層的纖維可能發(fā)生相反情況。這些處于拉伸并且附接至壓電材 料。這將允許大的變形和將收起半徑最小化，這在傳統(tǒng)壓電致動器的情況下是不可能的。
[0094] 此外，可以用以上纖維和樹脂描述使用特氟龍管和/或特氟龍棒制造實心棒或管。 直徑1mm那么小的實心棒可以用任何量的纖維絲束制作。實心棒材和管材的主要應(yīng)用為代 替在柔性機構(gòu)中的用單向的彈性體復合物制得的幾乎任何尺寸的扭轉(zhuǎn)彈簧或扭轉(zhuǎn)棒，如剪 刀，自行車剎車，夾子，筆記本電腦、門、輕質(zhì)扭桿懸架，眼鏡和窗口扭銷。復合材料可以是柔 性輕質(zhì)扭轉(zhuǎn)彈簧，其可以轉(zhuǎn)動0至360度以下。也可以制造錐形實心棒。
[0095] 而且，通過使用任何材料、角度取向和任何量的層的編織套筒(braided sleeve) 纖維，可以使管為許多尺寸，其不僅可用于鉸鏈、管形桿，筆、圓柱、輪胎、太空棲息地和太空 艙，而且可用于毛細管，如在圖24和25中所示。在此努力下制得的管形桿由編織套筒碳纖維 和（圖24A-圖24G)硅氧烷及氨基甲酸乙酯（圖24H和圖25)組成。
[0096] 另一種應(yīng)用將用于抓握體，通常如筆抓握體、廚房抓握體和自行車抓握體。如果在 管內(nèi)部加入溶劑，它們可以縮?。╟ontract)和增加直徑，使得它們充當致動器，用于降落 傘、人工肌肉、變形翼等應(yīng)用。
[0097] 上述具有實心棒和/或管的平樣品的任何組合可以用于發(fā)展先進的柔順的接頭、 柔順的機構(gòu)和在相同接頭處需要多于兩個連接的可展開結(jié)構(gòu)。此外，本文所述的復合材料 可以用于制造書或筆記本封面以及屋頂、地毯、手鐲和帶子。如果使用不同顏色纖維如 kevlar、vectran、玻璃纖維和碳纖維，貝lj可以在產(chǎn)品中形成圖示、圖、文字、圖像、顏色等。
[0098] 以下是用于使用本文所述的材料和鉸鏈實施方案制造眼鏡框架的各種設(shè)計方法。 為了清楚目的，以下術(shù)語將用于描述如圖26中所示的框架的各種組件。
[0099]典型地，在太陽穴柄(temples)和眼絲的聯(lián)合處有兩個鉸鏈，其允許太陽穴柄基本 上平行于前框架折疊。這些鉸鏈由兩個金屬體構(gòu)成，其像門上的鉸鏈一樣匹配在一起。通過 連鎖機構(gòu)的小螺釘將兩部分保持不分開，同時允許用于折疊和展開的運動。
[0100]本文所述的復合材料可以用于代替這些常規(guī)"柱(post)"鉸鏈兩者。會將一小段復 合材料緊固到眼絲和太陽穴柄，永久連接它們。這可以通過粘合、焊接、加壓或任何其他附 接技術(shù)完成。復合材料被設(shè)計為允許太陽穴柄向著前框架部分折疊并且展開至一定的限度 (大約90°)以針對佩戴者的頭部緊貼配合。
[0101]大部分眼鏡在太陽穴柄中將太陽穴柄連接至眼絲的鉸鏈附近含有小彈簧，這允許 太陽穴柄當展開時超出它們正常范圍的一些有限的彈性移動。這些彈簧供應(yīng)一些保持力， 以將太陽穴柄柔和地推向佩戴者的頭部，保持眼鏡緊貼佩戴者的頭上。這些彈簧可以由以 兩種方式之一的FLASH代替：（i)兩個分開部分的復合材料可以用于代替初級鉸鏈和彈簧， 或（ii) 一片復合材料可以用于兩者，允許太陽穴柄折疊或展開，以及供應(yīng)緊貼力以將太陽 穴柄推向頭部。
[0102] -些眼鏡含有多個柱鉸鏈，其使用螺釘，允許眼鏡折疊成甚至更多的緊湊形式因 子(factor)。除了將太陽穴柄連接至眼絲的兩個鉸鏈，在每個太陽穴柄的中間有鉸鏈，并且 在鼻橋上有一個或兩個鉸鏈，它們允許眼鏡折疊成更緊的形式，比一個眼絲的尺寸稍大。這 些鉸鏈中的全部或一些可以被復合材料段代替。
[0103] 在一些實施方案中，由復合材料構(gòu)建眼鏡框架的全部組件可能是適宜的。因此，太 陽穴柄、鼻橋和眼絲或這些的任何組合可以包含由本文所述復合材料制成的全部或接近全 部。
[0104] 用于替換鉸鏈和彈簧的復合材料段具有一般的"零能量"位置(當在未拉伸的彈簧 中時）以及"儲存能量"位置（"拉伸的"）；復合材料自然具有回復到它的零能量位置的趨勢。 在所有上述使用本文公開的復合材料的實施方案中，零能量位置可以是折疊的構(gòu)造或是未 折疊的構(gòu)造。因此，對于以上#1，眼鏡可以構(gòu)造為使得當眼鏡處于自由移動時，復合材料可 以設(shè)計制造為自然地回到用于儲存的折疊位置或用于佩戴的展開位置。
[0105] 如本文所使用的，使用以下符號和命名：
[0106] A =橫截面積，m2
[0107] 1 =面積慣性矩，1/m4
[0108] ε =彎曲時有效壓縮應(yīng)變或鉸鏈應(yīng)變
[0109] ef =纖維極限斷裂伸長率或失效應(yīng)變
[0110] eb =碳纖維的彎曲應(yīng)變
[0111] E =楊氏模量或有效壓縮剛度，GPa
[0112] Eeff =彎曲時有效壓縮應(yīng)變，Pa
[0113] U =應(yīng)變儲存能，N-m
[0114] r =收起半徑，mm
[0115] κ=曲率，1/mm
[0116] S =細長度
[0117] p =密度，kg/m
[0118] 〇cr =壓縮臨界應(yīng)力，Pa
[0119] 〇IS =抗拉強度，Pa
[0120] Vf =纖維體積分數(shù)
[0121] L =鉸鏈長度或縱梁長度，mm
[0122] Lcp =桁架的理想長度，mm
[0123] LP =打包長度，m
[0124] Ld =展開長度，m
[0125] # =縱梁之間桁架隔間的數(shù)量
[0126] M =彎矩，N-m
[0127] w =鉸鏈粗細，縱梁直徑，或桁架質(zhì)量/長度，mm，kg/m
[0128] t =材料的厚度，mm
[0129] d =纖維直徑，mm
[0130] κ =壓縮時桁架性能指數(shù)，（N2/5m7/5)/kg
[0131] yb =彎曲時桁架性能指數(shù)，（NV5m9/5)/kg
[0132] Rt =桁架半徑，m
[0133] 盡管已經(jīng)參考附圖完整地描述了本發(fā)明的實施方案，要注意，對于本領(lǐng)域技術(shù)人 員來說各種改變或變更將變得顯然。這樣的改變和變更理解為包含在本發(fā)明的實施方案的 范圍之內(nèi)，如后附的權(quán)利要求所限定的。
【主權(quán)項】
1. 一種彈性體復合物，所述彈性體復合物包含： 多個基本上相互對齊的纖維； 填充所述多個纖維之間的空間的彈性體。2. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中纖維體積分數(shù)Vf在大約35至65 %之間。3. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中單向的彈性體復合物的密度在600至1350kg/m3 之間。4. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中當纖維是直的時，所述彈性體復合物的處于展 開狀態(tài)的初始拉伸模量在30_150GPa之間。5. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，所述彈性體復合物還包含在所述彈性體復合物的 至少一個外表面上的卡普頓的層，以控制最小允許收起半徑。6. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，所述彈性體復合物還包含在所述彈性體復合物的 至少一個外表面上的邁拉的層，以控制最小允許收起半徑。7. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，所述彈性體復合物還包含與所述多個纖維的縱軸 傾斜對齊的機織的碳織物。8. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，所述彈性體復合物還包含第二多個纖維，所述第二 多個纖維基本上相互對齊，從而形成在所述彈性體復合物的外部邊緣上的外部層，所述第 二多個纖維與第一多個纖維傾斜成角度。9. 權(quán)利要求8所述的彈性體復合物，其中第二多個纖維相對于所述第一多個纖維成約 45度的角度。10. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中第一多個纖維具有1%以上的極限斷裂伸長 率或拉伸斷裂應(yīng)變。11. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中第一多個纖維具有200_400GPa之間的拉伸模 量和大于4GPa的抗拉強度。12. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中第一多個纖維包含中等模量碳纖維。13. 權(quán)利要求12所述的彈性體復合物，其中所述彈性體復合物具有允許所述中等模量 碳纖維超出平面微褶皺的被動展開機制，防止它們在折疊所述復合物時折斷。14. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中所述彈性體是在特定作業(yè)溫度范圍上內(nèi)保持 它的機械和化學性質(zhì)的被動彈性體。15. 權(quán)利要求14所述的彈性體復合物，其中所述作業(yè)溫度在-150Γ至200°C之間。16. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中所述彈性體具有大約25-55肖氏A硬度。17. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中所述彈性體具有l(wèi)_2MPa的楊氏模量。18. 權(quán)利要求1所述的彈性體復合物，其中所述彈性體具有大于300ps i的抗拉強度。19. 一種包含多個碳纖維和硅氧烷的單向的彈性體復合物，其中所述碳纖維具有與單 向的彈性體復合物的總體積相比大約35-65%的填充體積。20. -種制造彈性體復合物的方法，所述方法包括： 提供多個單向的纖維； 將所述多個單向的纖維置于張力下； 在所述多個單向的纖維處于張緊的同時涂敷彈性體； 在模具中將所述彈性體和所述多個單向的纖維固化； 移除所述模具，以形成單向的彈性體纖維復合物。
【文檔編號】C08K9/00GK105980468SQ201480072321
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2014年11月6日
【發(fā)明人】胡安·M·梅希亞-阿里薩
【申請人】加德公司