具有有机纤维的透明复合物的制作方法

专利名称：具有有机纤维的透明复合物的制作方法
技术领域：
本公开大体涉及复合物，并且更具体地，涉及光学透明的增强复合物品。
背景技术：
玻璃由于其优异的光学品质而被广泛地用作各种应用中的透明物。例如，玻璃通常被用作透光覆盖材料或用作建筑物的结构材料。玻璃通常还被用作各种车辆应用中的透明物。遗憾的是，玻璃是相对致密的材料并且也相对易碎，使得需要相对较大的厚度来给玻璃提供足够的强度以便在被物体冲击时防破碎。为了试图避免与玻璃相关的重量弊端，透明物还可以由聚合材料制造。例如，透明物可以由例如腈纶(例如，Plexiglas )的透明聚合物形成，其密度比玻璃小并且具有合适的光学性质。遗憾的是，腈纶具有相对低的强度特性，这使其不适合用于要求高冲击抵抗的很多应用。考虑到于玻璃相关的重量弊端和与透明聚合物相关的强度限制，制造商已经用通过玻璃纤维增强的聚合材料来制造透明物以增强聚合透明物的强度和耐冲击性。遗憾的是，玻璃纤维添加到聚合材料中可能不良地影响透明物的光学品质。例如，玻璃纤维可能具有圆柱形构造，从而使得每个玻璃纤维都起到小透镜的作用。当光穿过透明物时，均起到小透镜作用的多个玻璃纤维的效果是使得光散射，从而透过透明物看到的物体会变得模糊。与用玻璃纤维增强的聚合材料制造的透明物相关的另一个缺点是当温度变化时玻璃材料和聚合材料的折射率的变化。用η(λ，T)表示的折射率是在温度T时入射在材料上的波长λ的函数。在玻璃纤维增强的聚合材料的情况下，对于给定波长或波长带(例如，可见光谱)，聚合材料的折射率一般随着温度的增加而减小。相反，对于可见光谱，玻璃的折射率通常随着温度的变化仅轻微地改变。对于给定波长的材料入射率随材料温度的变化而产生的这一变化可以还被限定为材料的折射率的温度系数，dnU，T)/dT。在表达式dnU，T)/dT中，dn表示材料的折射率的变化，λ表示入射在材料上的辐射(例如，光)的波长，T表示温度，并且dT表示材料的温度的变化。应该注意到，尽管材料可以根据在一个或更多个波长和温度时的折射率来描述，但材料的折射率的温度系数还通常用材料的折射率数据被列出。尽管玻璃和聚合材料可以被选择以在给定的匹配点(match point)温度下对于给定波长具有相同的折射率，但是玻璃的折射率温度系数dnU，T)/dT与聚合材料的折射率温度系数dnU，T)/dT相比的差别导致当温度偏离于匹配点温度时两种材料的折射率的变化(例如，差别变大)。当温度变化时玻璃和聚合材料的折射率的变化可能导致透明物的光学品质由于玻璃/聚合材料界面处光的散射而随着温度的变化相应降低。如能看见的，本技术领域中存在对光学透明复合物品的需求，需要该物品在相对宽的温度范围内具有最小的光变形且具有相对高的光透明度，并且其在最小重量的情况下表现出改进的弹道学(ballistic)和机械性能。发明内容
与透明复合物品相关的以上需求具体地通过本公开解决和缓解，在一个实施例中，本公开提供了一种基本光学透明的复合物品，其包括基本透明的基体(matrix)和被嵌入基体内的至少一个基本透明的有机纤维。在感兴趣的波长带内纤维的折射率基本等于基体的折射率。
在另一个实施例中，公开了一种基本透明的复合物品，其提供了有利的光传输特性和最小的变形。该复合物品可以包括基本透明的基体和被嵌入基体内的多个基本透明的有机纤维。在感兴趣的波长带内纤维的折射率基本等于基体的折射率。基体和有机纤维还可以具有相等的折射率温度系数。折射率温度系数表示随着材料温度的变化材料折射率的变化。
在另一实施例中，公开了一种制造复合物品的方法，其包括以下步骤中的一个或多于一个选择感兴趣的波长带并且提供具有基体折射率的基本透明的基体。该方法可以额外地包括提供至少一个基本透明的有机纤维，在感兴趣的波长带内该有机纤维的折射率基本等于基体的折射率。该方法还可以包括将有机纤维嵌入基体内。
在另一个实施例中，公开了一种制造复合物品的方法，其包括以下步骤中的一个或多于一个选择可见光谱和红外光谱中的至少一个作为复合物品将要经受的感兴趣的波长带。可以选择复合物品将要经受的温度范围。该方法可以包括提供基本透明的基体，该基体具有基体折射率和折射率温度系数。可以提供多个基本透明的有机纤维，其中有机纤维具有折射率和折射率温度系数。在温度范围内，纤维的折射率温度系数基本等于基体的折射率温度系数。在感兴趣的波长带内，纤维的折射率可以基本等于基体折射率。该方法还可以包括在具有一对相对的基本平面的纤维面的细长横截面中提供有机纤维并将有机纤维嵌入基体中以在基体内形成至少一层有机纤维的步骤。有机纤维的基本平面的纤维面可以被取向成基本平行于复合物品的基本平面的纤维表面。
已讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中单独实现，或者可以在其他实施例中被组合，其进一步的细节参考以下说明书和附图可见。


当参考附图时本公开的这些和其他特征将变得更显而易见，附图中相同的数字自始至终都指代相同的部件，并且其中
图I是包含基本透明的聚合基体和多个基本透明的有机纤维的实施例中的复合物品的透视示说明；
图2是图I的复合物品的分解透视示说明，其图示说明了多层有机纤维；
图3是图I的复合物品的一部分的放大的透视示说明，其示出了基体内多层有机纤维的布置；
图4是沿图3的线4-4取得的放大截面图，其图示说明了具有大体细长横截面形状的有机纤维的实施例；
图5是给定波长的折射率与温度关系的图形，其图示说明了聚合基体和有机纤维在温度带内基本相等的折射率，并且还图示说明了聚合基体与玻璃纤维的折射率之间随着温度变化的不匹配；
图6是具有交叉铺设构造的有机纤维的复合物品的强度与刚度(即，弹性模量)关系的图形，并且还图示说明了由交叉铺设构造的玻璃纤维组成的复合物品的强度与刚度关系；以及图7是制造复合物品的方法的一个或更多个步骤的流程图的图示说明。
具体实施例方式现在参考附图，其中这些示出仅为了图示说明本公开的优选实施例和各种实施例的目的，在图1中示出了复合物品10的实施例。复合物品10可以被制造成纤维增强的复合面板14，其包括基本透明的聚合基体16和被嵌入聚合基体16内的多个基本透明的有机纤维18。尽管在图1中图示说明了面板14构造，但复合物品10还可以不受限地被设置成大量尺寸、形状和构造中的任一种，并且可以包括平面的和/或复合表面。参考图4，复合物品10的有机纤维18被嵌入聚合基体16内，并且被优选地造型为具有至少一个基本平整的或平面的纤维面20，或者更优选地，具有一对相对的基本平整的或平面的纤维面20。然而，有机纤维18可以被设置成各种可替换的形状和尺寸的任一种， 包括有机纤维18的纤维面20中的任一个上的单个弯曲(未示出)。基本透明的聚合基体 16和基本透明的有机纤维18的组合产生基本透明的复合物品10，其促进在复合物10上入射M的任意波长的辐射或光的传输，如图4图示说明的。例如，基体16和有机纤维18可以被选择成促进可见光谱中的辐射和/或红外光谱中的辐射传输通过复合物品10。有利地，基体16和有机纤维18在宽的温度范围内对感兴趣的波长带优选地具有互补的或基本相等的折射率。给定材料在给定温度T时的折射率可以被限定成在给定温度 T时真空中给定波长λ的光的速度与给定材料中相同波长λ的光的速度的比率。基体16 和有机纤维18的折射率对于给定的温度范围在感兴趣的波长带内优选地基本相等或者近似匹配，以便最小化或减少基体16与有机纤维18的界面处的光或辐射的散射。光的这种散射可能发生在具有基本不同折射率的基体和纤维的界面处。在本公开的实施例中，基体 16和有机纤维18的基本相等的折射率可以促进通过复合物品10的相对高度的光传输和低的辐射变形，并且可以有效地扩大复合物品10的有用操作温度。仍参考图4，基体16和有机纤维18还可以被限定为具有基本相等的折射率温度系数dn ( λ，Τ) /dT，其中dn ( λ，T) /dT是η ( λ，T)相对于温度T的偏导数。如以上指示的，材料的折射率温度系数dnU，T)/dT可以被限定为对于给定波长的材料的折射率随材料温度的变化的变化。尽管本公开的基体16和有机纤维18被描述成优选地在宽的温度范围内对感兴趣的波长带具有基本相等的折射率，但基体16和有机纤维18还可以被描述为具有基本相等的折射率温度系数，因为材料的折射率温度系数通常相关于材料的折射率数据被列出在可用文献中。在本公开中，聚合基体16和有机纤维18在宽的温度范围内对于感兴趣的波长带优选地具有基本相等的折射率，使得相应的折射率温度系数也基本相等。在一个实施例中， 聚合基体16和有机纤维18的折射率温度系数可以使得聚合基体16和有机纤维18的折射率对应于当温度增加时对于给定波长基体16和有机纤维18的折射率的基本相似的减小速率。基体16和有机纤维18的基本相等的折射率和基本相等的折射率温度系数所提供的优点包括在相对宽的温度范围内在具有最小变形的情况下复合物品10的改善光透性，如下
6面更详细描述的。参考图1，其示出复合物品10，其形成为面板14并且包括由有机的聚合基体16形成的多个有机纤维18，并且其中有机纤维18被嵌入聚合基体16内。有机纤维18可以包括用于基本透明的聚合基体16的结构增强，并且可以改进复合物品10的机械性能。例如，由于有机纤维18的增强的拉伸强度和弹性模量，由有机纤维18提供的结构增强可以改进复合物品10的比刚度(即，复合物品10的刚度除以密度)，如下面更详细地描述的。参考图2，其示出图1的面板14的分解图示说明，并且图示说明了形成为条状并且被布置在基体16内的层32中的多个有机纤维18。每个有机纤维18优选地具有细长横截面形状，其优选地包括一对相对的基本平面的纤维面20。在实施例中，有机纤维18的纤维面20可以被布置成与复合物品表面12基本平行，以便以下面更详细描述的方式增强复合物品10的光学性能。参考图3，其示出复合物品10的放大的透视示说明，其中有机纤维18被布置在复合物品10的基体16内的层32中。有机纤维18可以被布置在复合物品10内相对于彼此的任何取向中，并且不限于图3所示的布置，其中层32中的每一层中的有机纤维18彼此对齐处于基本平行的关系。尽管复合物品10被图示说明为具有三层32有机纤维18，但可以提供任意数量的层32。例如，复合物品10可以包括单层32有机纤维18或者数十层 32或更多层32。在层32中的一个或更多个层中的有机纤维18可以相对于复合物品10中的其他有机纤维18以任意方式被取向，包括但不限于单向设置，其中层32中的有机纤维18的长度被取向成大体彼此平行。有机纤维18还可以以双向设置或交叉铺设构造取向，其中层32 中的有机纤维18相对于其他层32中的有机纤维18大体垂直地取向。在这点上，任意层32 中的有机纤维18可以相对于彼此在任何方向上取向，包括层32内的有机纤维18的不均勻设置。此外，层32中的有机纤维18可以被布置成编织构造(未示出)或者非编织构造，例如如图1-4所图示说明的。一层或更多层32的有机纤维18可以被布置成与相邻层32的有机纤维18接触或非接触布置。例如，图4图示说明了有机纤维18的层32，其被布置成相互非接触的关系，以便使得层32被基体16材料分隔开。参考图3，其示出复合物品10的放大的透视示说明，其图示说明了多个层32 中有机纤维18的相对位置。每个层32的有机纤维18被图示说明为相对于紧邻层32的有机纤维18基本垂直地取向。此外，每个层32的有机纤维18被取向成与相同层32的相邻有机纤维18基本平行对齐。然而，图3是面板14构造中复合物品10的非限制性实施例的图示说明，并且不被解释为限制复合物品10的可替换构造或者复合物品10的聚合基体16 内的有机纤维18的可替换布置。例如，一个层32的有机纤维18可以相对于相邻一个层32 的有机纤维18被取向成垂直方向。此外，一个层32的有机纤维18可以相对于相邻一层32 的有机纤维18被取向成任意非垂直的角度(例如，15°，22.5°，45°，60°等)。参考图4，其示出复合物品10的实施例的横截面图示说明，其图示说明了层32中有机纤维18的布置。如能从图4看见的，有机纤维18优选地具有细长的横截面形状，具有相对平整或基本平面的纤维面20以便最小化光通过弯曲表面时可能会发生的光散射。有利地，有机纤维18的纤维面20的基本平面构造将光的散射最小化并且改进了复合物品10 的光学品质。有机纤维18和聚合基体16的上述基本相等的折射率温度系数减缓了由于温度变化而导致的光学品质的下降，如下面将更详细介绍的。
仍参考图4，有机纤维18的基本细长形状优选地包括相对大的纵横比，纵横比被限定为纤维宽度28与纤维厚度26的比值。在实施例中，尽管纤维18的横截面可以具有任意值的纵横比，但是纵横比可以从近似3变化到近似500。在实施例中，纤维厚度26可以在从近似5微米到近似5000微米(0. 0002-0. 20英寸)的范围内。然而，有机纤维18可以具有任意纤维厚度26而没有限制。
参考图4，有机纤维18的细长横截面形状可以包括一对基本平面的纤维面20，其优选地被取向成基本平行于复合物品10的物品表面12。然而，有机纤维18可以被嵌入基体16内，使得有机纤维18的纤维面20被布置在相对于物品表面12的任意角度方向。尽管被图示为基本是平面，但有机纤维18的纤维面20可以是稍微弯曲的，包括稍微凹形的、 稍微凸形的或者冠状的，并且不限于严格为基本平面或平整的轮廓。此外，可以预期有机纤维18的纤维面20可以包括在一个或更多个纤维面20上的一个或更多个表面特征(未示出)。
如可从图4中看到的，给定层32内的有机纤维18可以以期望的纤维间距34被嵌入基体16内。例如，有机纤维18可以以高达近似5000微米(近似0.2英寸)或更大的纤维间距34被布置。纤维间距34可以被限定为沿给定层32内的有机纤维18的长度方向在相邻有机纤维18的侧边缘22之间的平均横向距离。另外，有机纤维18可以被布置成使得相邻一对有机纤维18的相对侧边缘22处于彼此接触关系。然而，有机纤维18优选地被布置为如图4图示，其中侧边缘22被置于彼此间隔开的关系。关于这一点，有机纤维18可以以任意纤维间距34被布置，并且不限于图4图示说明的纤维间距34。
仍参考图4，有机纤维18的总体积相对于复合物品10的总体积可以在从近似 10%到90%的范围内。然而，有机纤维18可以包括复合物品10的总体积的任意部分。期望的纤维体积可以基于参数的变化而被选择，参数包括但不限于复合物品10的期望的光学性质、期望的强度性质、期望的弹道学性质、期望的刚度和重量要求。
尽管图4图示说明了有机纤维18横截面的细长构造，但有机纤维18可以具有各种可替换横截面形状中的任一种。例如，有机纤维18可以形成任意横截面形状，包括但不限于多边形、四边形、正方形、矩形和任意其他合适的形状。另外，有机纤维18的横截面可以包括一个或更多个纤维面20，其为弯曲的或者包括上述提及的弯曲部分。在实施例中，有机纤维18的横截面优选为细长的，如图4所示，并且纵横比(例如，纤维宽度28与纤维厚度26的比值)在近似3和500之间，但有机纤维18可以具有如以上指示的任意纵横比。
参考图5,其不出了聚合基体16、有机纤维18和玻璃纤维64在具体波长与温度时的折射率的图形。如能从图5看到的，基体16和有机纤维18的折射率52、50在温度范围内优选为基本相等。例如，图5的图形图不说明了基体16和有机纤维18的折射率52、50 基本随着温度的增加而减小。在本公开的非限制性实施例中，基体16和有机纤维18的折射率52、50可以被选择成在从近似-65° F到近似220° F的温度范围内基本相等。然而， 图5是基体16和有机纤维18的一个实施例的代表,并且不被理解为限制基体16和有机纤维18的可替换实施例，基体16和有机纤维18可以具有以不同于图5图示说明的方式随温度变化的折射率。
如以上指示的，在优选实施例中，基体16和有机纤维18可以被描述为对于复合物CN 102532928 A
品10可能经受的给定温度范围、针对选定的感兴趣波长带具有基本相等的折射率。感兴趣的波长带可以包括任意光谱，包括可以从近似760纳米(nm)到2500nm(即，近似120到 400THz的频率)的红外光谱。另外，复合物品10可能经受的感兴趣的波长带可以包括从近似380nm到760nm(即，近似790到400THz的频率)的可见光谱。基体16和有机纤维18 的成分可以被选择成使得基体16和有机纤维18的折射率针对选定波长带在温度范围内基本相等。例如，基体16和有机纤维18的成分可以被选择成使得折射率在紫外光谱内基本相等。如前面所指出的，基体16和有机纤维18的折射率52、50被选择使得折射率52、50 在给定温度范围被保持在距另一个的预定最大差值内。例如，基体16和有机纤维18可以被选择成使得折射率52、50在给定温度范围和给定感兴趣的波长带被保持在距另一个的至少近似1-3%内。在非限制性实施例中，折射率52、50被保持在另一个的至少近似1-3% 内所处的给定温度范围可以从近似-65° F延伸到近似220° F，不过温度可以在任意范围之间延伸。同样，折射率52、50被保持在另一个的至少近似1-3%内所处的感兴趣的波长带可以包括可见光谱和/或红外光谱，不过感兴趣的波长带可以包括任意光谱。在实施例中，基体16和有机纤维18材料的折射率52、50可以被选择使得折射率 52,50在可见光谱和/或红外光谱中针对温度范围基本相等。另外，对于给定温度范围内的至少一个温度匹配点56，基体16和有机纤维18的折射率52、50可以相等或者更优选地相同。例如，图5图示说明了在基体16和有机纤维18的折射率曲线52、50的相交处，基体 16的折射率52匹配有机纤维18的折射率50时所处的匹配点56温度。然而，图5是基体16材料和有机纤维18的一个实施例的表示，并且不被理解为限制可替换的材料，其可以具有在给定温度范围内对于给定波长可以不必匹配的不同的折射率。明显地，图5图示说明了与玻璃纤维M的折射率M相比，基体16和有机纤维18的折射率52、50沿温度范围基本相等，其中所述玻璃纤维的折射率M相对恒定或者稍微变化， 并且由此导致当温度增加或降低时与聚合基体16的基体折射率52的相对大的分散。如以上指示的，基体16和有机纤维18优选地具有基本相等的折射率温度系数。在实施例中，有机纤维18和基体16被选择成具有任意合适的折射率温度系数。图5图示说明了基体16和有机纤维18的折射率52、50随温度增加而减小。当复合物品10的温度变化时，基体16和有机纤维18的折射率52、50的相对小的差值将最小化光变形。参考图6，其示出图示说明复合物品10’的机械性能的图形，复合物品10’由交叉铺设构造的、被嵌入聚合基体16 (图1-4)内的有机纤维62组成，其中层32 (图幻中的有机纤维18(图幻可以相对于类似于图3所示的有机纤维18布置的其他层32中的有机纤维18大体垂直地取向。图6标出了不同成分的复合物品10’的强度58 (单位为ksi)和弹性模量60 (单位为Msi)。图6还图形地示出了由玻璃纤维66组成的复合物品10’的强度性质具有强度58的数值，其可与由有机纤维62组成的复合物品10’相当。此外，图6图示说明了由玻璃纤维66组成的复合物品10’，该玻璃纤维66为具有比有机纤维62的某些成分更高的弹性模量60。然而，如更早指示的，玻璃纤维M的折射率温度系数基本不同于聚合基体52的折射率温度系数，如图5所示，其可能导致当复合物品10的温度变化时玻璃纤维增强的聚合基体复合物品10的光学品质逐渐变差。图6图示说明了具有不同成分的有机纤维62的复合物品10’的强度58 (单位为ksi)和弹性模量60 (单位为Msi)。为了比较，图6还图示说明了由聚合物76 (即，聚合材料)组成的并且没有用于增强的有机纤维的复合物品的机械性质。如可从图6看到的，由聚合物76组成的并且没有有机纤维62的复合物品10’可以具有从近似6ksi到近似20ksi 的范围内的拉伸强度58和从近似0. 2Msi到近似0. 55Msi的范围内的弹性模量60。相比之下，包括用碳氟化合物纤维68作为有机纤维62增强的聚合基体的复合物品10’可以具有从近似6ksi到近似62ksi的范围内的拉伸强度58和从近似0. IMsi到近似0. 3Msi的范围内的弹性模量60。包含Nylon 纤维70的复合物品10’可以具有从近似6ksi到近似78ksi 的范围内的拉伸强度58和从近似0. 2Msi到近似0. 5Msi的范围内的弹性模量60。
仍参考图6,其还示出包括聚丙烯纤维74并且具有从近似6ksi到近似80ksi的范围内的拉伸强度58和从近似0. 45Msi到近似I. IMsi的范围内的弹性模量60的复合物品10’。包括聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维72的复合物品10’可以具有从近似6ksi到近似 70ksi的范围内的拉伸强度58和从近似0. 4Msi到近似0. 8Msi的范围内的弹性模量60。包括聚乙烯纤维64的复合物品10’可以具有从近似IOksi到近似300ksi的范围内的拉伸强度58和从近似0. 5Msi到近似9. OMsi的范围内的弹性模量60。
如能从图6中看到的，相对于包括玻璃纤维66的复合物品10’，由聚乙烯纤维64 组成的复合物品10’表现出改进的强度58和良好的刚度(S卩，弹性模量60)。更具体地， 图6图示说明了包括聚乙烯纤维64的复合物品10’可以具有从近似IOksi到近似300ksi 的范围内的拉伸强度58和从近似0. 5Msi到近似9. OMsi的范围内的弹性模量60。相比之下，包括玻璃纤维66的复合物品10’被图示为具有从近似28ksi到近似75ksi的范围内的拉伸强度58和从近似I. 2Msi到近似2. 7Msi的弹性模量60。应该注意到，由有机纤维62 组成的复合物品10’的强度58(单位为ksi)和弹性模量60 (单位为Msi)的以上列举值是非限制性示例，并且针对强度58 (单位为ksi)和弹性模量60 (单位为Msi)可能存在更高的值。
聚乙烯纤维64可以包括相对于其他纤维材料具有改进的拉伸强度58的被拉伸的聚乙烯纤维64构造。聚乙烯纤维64的拉伸可以促进纤维分子的对齐，从而导致聚乙烯纤维64的拉伸强度和刚度增加，当被嵌入复合物品10(图1-4)的基体16内时，这引起复合物品10’的特定性能被改进。例如，如以上指示的，相对于用玻璃纤维66制造的复合物品 10’的比刚度，聚乙烯纤维64可以引起复合物品10’的比刚度增加。
可以意识到，复合物品10 (图1-4)的光学性能和机械性能可以部分依赖于基体16 材料和有机纤维18的成分。基体16和有机纤维18的材料可以基于复合物品10 (图1-4) 的预期应用而被选择。可以形成有机纤维18的材料包括但不限于任意合适的热塑性或热固性材料。例如，可以形成基体16和/或有机纤维18的热塑性材料包括但不限于碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚酯纤维、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮。聚乙烯可以包括极高分子量的聚乙烯、高密度聚乙烯或者任意其他形式的聚乙烯，包括任意其他分子量的聚乙烯。热塑性材料还可以包括Nylon 和各种其他的基本透明的有机材料中的任一种或者其组合。可以形成基体16和/或有机纤维18的热固性材料可以包括但不限于聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酯纤维、环氧树脂和各种任意其他合适的透明聚合材料中的任一种。
如之前所指示的，基体16 (图1-4)和有机纤维18的材料选择以及有机纤维18的几何形状和布置的选择可以部分基于复合物品10(图1)可能经受的环境(例如，温度范围和感兴趣的波长带)，其中有机纤维18的几何形状和布置包括纤维形状、纤维厚度沈(图 4)、纤维宽度观(图4)、纤维间距34(图4)、层间距36(图4)和纤维体积。复合物品10可以被配置成各种构造中的任一个，包括面板14构造(图1)或各种可替换的构造中的任一个，可替换的构造包括但不限于交通工具透明物，例如挡风玻璃和/或飞机的座舱罩。另外，复合物品10可以被配置成用在任意车辆或非车辆应用中，例如结构面板或建筑面板以用于建筑或结构或者用于非结构性应用。关于这一点，复合物品10可以被配置成用在任何应用、系统、子系统、结构、设备和/或装置中，而没有限制。现在参考图7，其示出可以组成制造复合物品10(图1)的方法的一个或更多个步骤的流程图的图示说明。方法的步骤100可以包括选择复合物品10可能经受的感兴趣的波长带。例如，步骤100可以包括选择复合物品10可能经受的辐射的可见光谱和/或红外光谱。如之前指示的，除了随着温度变化，材料的折射率还可以随着材料可能经受的辐射波长而变化。图7的步骤102可以包括选择复合物品10可能经受的温度范围。例如，复合物品 10 (图1)的温度范围可以从近似-65° F延伸到近似220° F。然而，取决于应用，复合物品10的工作温度范围可以从近似-65° F延伸到近似180° F、从近似-65° F延伸到近似 160° F、从近似-40° F延伸到近似160° F或从近似0° F延伸到近似130° F。然而，温度范围可以在任意一组温度之间延伸，包括低于-65° F的温度和/或高于220° F的温度， 并且不限于上述范围。如之前指示的，聚合基体的折射率52和有机纤维的折射率50大体上随着温度的增加而减小。聚合基体16的材料可以被选择成使得基体16的折射率在温度范围内的匹配点56(图5)处匹配有机纤维18的折射率。以此方式，当温度从匹配点56的温度偏离开 (即，增加或降低)时，基体16与有机纤维18之间的折射率的差可以被最小化。然而，如之前指示的，基体16和有机纤维18的折射率可以不必在工作温度范围内的任意特定温度处匹配。图7的方法的步骤104可以包括提供具有基体折射率52和折射率温度系数的基本透明的基体16 (图1-4)。基体16可以针对给定应用包括任何合适的基体16。例如，如上所述，基体16可以包括任意合适的热塑性材料或任意合适的热固性材料。热塑性材料的非限制性示例包括以上提到的Nylon 、碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮。热固性材料的非限制性示例可以包括聚氨酯、酚醛树脂、 聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酯纤维和环氧树脂。图7的步骤106可以包括提供至少一种具有折射率50和折射率温度系数的基本透明的有机纤维18(图1-4)。有机纤维18的折射率50在感兴趣的波长带内优选地基本等于基体折射率52。基体16可以被选择成使得对于给定温度范围基体16的折射率52在相对于纤维18的折射率50的预定最大差以内。例如，基体16和有机纤维18可以被选择成使得对于任何合适的温度范围，例如从近似-65° F到近似220° F的温度范围内，其折射率52、50在另一个的近似到近似3%内。然而，基体16和有机纤维18的折射率52、50 可以在另一个的任意范围内。例如，基体16和有机纤维18的折射率52、50可以相互不同超过3%。另外，基体16和有机纤维18的折射率52、50可以在另一个的近似到0.3%或更少以内。此外，基体16和有机纤维18的折射率52、50的上述任意差值的温度范围可以在任意一组温度之间延伸，而没有限制。步骤106中有机纤维18 (图1-4)的选择还可以包括选择有机纤维18使得其折射率温度系数基本等于基体16的折射率温度系数。有利地，通过选择基体16和有机纤维18 使得折射率温度系数基本相等，当温度增加或降低时，基体16和有机纤维18中的折射率的差可以被最小化。例如，图5图示说明了基体16和有机纤维18的折射率52、50在温度范围内基本相等，这导致基体折射率52和有机纤维折射率50具有相对小差异。仍参考图7，步骤108可以包括提供细长横截面形状的有机纤维18，其具有一对相对的基本平面的纤维面20 (图4)，并且该一对相对的基本平面的纤维面20可以优选地基本平行于复合物品10的物品表面12被取向，如图4所示。然而，有机纤维18可以被取向成使得纤维面20被取向成相对于复合物品10的物品表面12的非平行布置(未示出)。优选地，有机纤维18(图4)具有近似矩形的横截面形状，其具有沿有机纤维18的厚度方向彼此基本平行的相对的基本平面的纤维面20。然而，如以上指示的，有机纤维18可以被提供在任意合适的构造中，并且不限于细长的或者矩形的横截面形状。图7的方法的步骤110可以包括将多个有机纤维18嵌入基体16内，如图4所示。 在实施例中，多个有机纤维18可以被布置在层32的结构中，如图2-5所图示说明的。每个层32内的有机纤维18可以以期望的纤维间距34被间隔开，期望的纤维间距34被限定为在给定层32中的相邻有机纤维18的纤维边缘22之间的平均横向距离，如图4所示。相邻层32中的有机纤维18可以被布置成使得一个层32中的有机纤维18的轴线30 (图3)被取向成预定的角度，例如相对于紧邻层32的有机纤维18的纤维轴线30呈近似90°，如图 3所图示说明的。然而，一个层32中的有机纤维18的轴线30可以被取向成相对于紧邻层 32的有机纤维18的纤维轴线30呈多种可替换角度中的任一种。例如，一个层32中的有机纤维18的轴线30可以被取向成相对于紧邻层32的有机纤维18的纤维轴线30呈任意非垂直的角度(例如，15°，22.5°，45°，60°等)。图7的方法的步骤112可以包括将有机纤维18的纤维面20 (图4)取向成基本平行于复合物品10的物品表面12以保持复合物品10的透光性。有机纤维18可以被设置成如上所述的任意合适的横截面形状和相对于复合物品10的总体积的任意合适的纤维体积。有利地，在温度范围内基体16和有机纤维18的基本相等的折射率改进了光传输并且将复合物品10的变形最小化。在优选实施例中，复合物品包括具有基体折射率的基本透明的基体和被嵌入基体内的至少一个基本透明的有机纤维，该有机纤维具有在感兴趣的波长带内基本等于基体折射率的折射率。复合物品还可以包括具有基本相等的折射率温度系数的基体和有机纤维。 复合物品还可以包括基体和有机纤维的折射率和折射率温度系数，使得基体和有机纤维的折射率在感兴趣的波长带内在给定波长处针对温度范围内的至少一个温度是相等的。复合物品还可以包括基体和有机纤维的折射率和折射率温度系数，使得基体和有机纤维的折射率在感兴趣的波长带内针对从近似-65° F到近似220° F的温度范围是在彼此的近似 1-3%以内。复合物品还可以包括感兴趣的波长带，其包括红外光谱和可见光谱中的至少一个。复合物品还可以包括具有细长横截面的有机纤维。复合物品还可以包括具有纤维宽度和纤维厚度的纵横比的横截面；并且纵横比在从近似3到近似500的范围内。复合物品还可以包括在从近似5微米到近似5000微米的范围内的纤维厚度。复合物品还可以包括有机纤维，其具有一对相对的基本平面的纤维面，所述纤维面基本相互平行。复合物品还可以包括基本平面的纤维面，其基本平行于复合物品的基本平面的物品表面。复合物品还可以包括其中基体和有机纤维中的至少一个由以下中的至少一种形成热塑性材料和热固性材料。复合物品还可以包括热塑性材料，其包括以下中的至少一种碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮；以及热固性材料，其包括以下中的至少一种聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酯纤维、环氧树脂。复合物品可以形成例如挡风玻璃、座舱罩、窗户、薄膜、结构面板、建筑面板、非结构物品的结构。
在另一个优选实施例中，基本光学透明的复合物品可以包括具有基体折射率的基本透明的基体、被嵌入基体内的多个基体透明的有机纤维，在可见光谱和红外光谱中的至少一个内该有机纤维的折射率基本等于基体折射率，并且基体和有机纤维具有基本相等的折射率温度系数。
在另一个优选实施例中，制造复合物品的方法可以包括提供具有基体折射率的基本透明的基体，提供其折射率基本等于基体折射率的至少一个基本透明的有机纤维，并且将有机纤维嵌入到基体内。该方法还可以包括选择感兴趣的波长带并且选择基体和有机纤维，使得在感兴趣的波长带内基体的折射率温度系数基本等于纤维的折射率温度系数。该方法还可以包括选择基体和有机纤维，使得其折射率在感兴趣的波长带内的给定波长处对于温度范围内的至少一个温度是相等的。该方法还可以包括选择基体和有机纤维，使得对于从近似-65° F到近似220° F的温度范围，其折射率在距另一个的近似1-3%内。该方法还可以包括选择红外光谱和可见光谱中的至少一个作为感兴趣的波长带。该方法还可以包括提供细长横截面的有机纤维。该方法还可以包括提供横截面具有一对相对的基本平面的面的有机纤维，其中所述基本平面的面被取向为基本相互平行。该方法还可以包括将纤维取向成使得纤维横截面的基本平面的面基本平行于复合物品的基本平面的物品表面。该方法还可以包括热塑性材料和热固性材料。该方法还可以包括热塑性材料，其包括以下中至少之一碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚酯纤维、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮；以及热固性材料，其包括以下至少之一聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酯纤维、环氧树脂。
在另一个优选实施例中，制造复合物品的方法可以包括以下步骤选择可见光谱和红外光谱中的至少一个作为复合物品将要经受的感兴趣的波长带；选择复合物品将要经受的温度范围；提供具有基体折射率和折射率温度系数的基本透明的基体；提供具有折射率和在温度范围内基本等于基体的折射率温度系数的折射率温度系数的多个基本透明的有机纤维，纤维的折射率在感兴趣的波长带内基本等于基体折射率；提供具有一对相对的基本平面的纤维面的细长横截面的有机纤维；将有机纤维嵌入基体内以形成基体内的至少一层有机纤维；以及将基本平面的纤维面取向成基本平行于复合物品的基本平面的物品表面。
本公开的另外的修改和改进对于本领域中的技术人员是显而易见的。因此，此处描述和图示说明的部分的具体组合意欲仅表示本公开的某些实施例，并且不意欲用作对本公开的主旨和范围以内的可替换实施例或装置的限制。
权利要求
1.一种复合物品，其包括基本透明的基体(16)，其具有基体折射率(5 ；以及被嵌入所述基体内的至少一个基本透明的有机纤维(18)，所述有机纤维具有在感兴趣的波长带内基本等于所述基体折射率的折射率(50)。
2.根据权利要求1所述的复合物品，其中所述基体和所述有机纤维具有基本相等的折射率温度系数。
3.根据权利要求2所述的复合物品，其中所述基体和所述有机纤维的所述折射率和所述折射率温度系数使得所述基体和所述有机纤维的所述折射率针对温度范围内的至少一个温度在所述感兴趣的波长带内的给定波长处是相等的。
4.根据权利要求2所述的复合物品，其中所述基体和所述有机纤维的所述折射率和所述折射率温度系数使得所述基体和所述有机纤维的所述折射率针对从近似-65° F到近似220° F的温度范围在所述感兴趣的波长带内在另一个的近似1-3%以内。
5.根据权利要求1所述的复合物品，其中所述有机纤维具有细长横截面，其中所述横截面具有纤维宽度比纤维厚度的纵横比；并且所述纵横比在从近似3到近似500的范围中。
6.根据权利要求5所述的复合物品，其中所述纤维厚度在从近似5微米到近似5000微米的范围内。
7.根据权利要求5所述的复合物品，其中所述有机纤维具有基本相互平行的一对相对的基本平面的纤维面，并且所述基本平面的纤维面基本平行于所述复合物品的基本平面的物品表面。
8.根据权利要求1所述的复合物品，其中所述基体和所述有机纤维中的至少之一由以下中至少之一形成热塑性材料，其包括以下至少之一碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮；以及热固性材料，其包括以下至少之一聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酯纤维、环氧树脂。
9.一种制造复合物品的方法，其包括以下步骤 提供具有基体折射率的基本透明的基体；提供至少一个基本透明的有机纤维，其具有基本等于所述基体折射率的折射率；以及将所述有机纤维嵌入所述基体内。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤 选择感兴趣的波长带；选择所述基体和所述有机纤维使得在所述感兴趣的波长带内所述基体的折射率温度系数基本等于所述纤维的折射率温度系数。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括以下步骤选择所述基体和所述有机纤维使得它们的折射率针对温度范围内的至少一个温度在所述感兴趣的波长带内的给定波长处是相等的。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括以下步骤选择所述基体和所述有机纤维使得它们的折射率针对从近似-65° F到近似220° F 的温度范围在另一个的近似1-3%以内。
13.根据权利要求9所述的方法，其还包括以下步骤提供横截面具有基本相互平行取向的一对相对的基本平面的面的有机纤维。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述基体和所述有机纤维中至少之一由以下至少之一形成热塑性材料，其包括以下至少之一碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚酯纤维、聚丙烯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚醚酮、聚醚酮酮；以及热固性材料，其包括以下至少之一聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺、聚酯纤维、环氧树脂。
全文摘要
一种复合物品包括基本透明的基体和被嵌入基体内的至少一个基本透明的有机纤维。基体和有机纤维可以在感兴趣的波长带内具有基本相等的折射率。
文档编号C08J5/04GK102532928SQ20111030673
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者M·P·库扎, M·S·维纶斯基 申请人:波音公司