基于具有光学可调折射率的基体的高温度范围和高应变范围的透明复合材料的制作方法
【技术领域】
[0001]本公开一般地涉及复合材料并且，更特别地，涉及控制纤维增强的复合材料结构的透明度。
【背景技术】
[0002]由于其出众的光学性能，在多种应用中玻璃被广泛地用作透明体。例如，玻璃的单片板一般用作玻璃窗材料或者用作建筑物的建筑材料。在多种车辆应用中单片玻璃板也一般地用作透明体。不幸地，玻璃是相对致密的材料并且也是相对易碎的，使得需要相对大的厚度以提供有足够强度的玻璃板以对抗负载下的破裂。
[0003]在试图避免与单片玻璃板相关的重量不利中，透明体也可以由聚合材料制备。例如，单片板可以由透明聚合物形成，例如丙烯酸(例如，Plexiglas?)，其没有玻璃致密并且具有良好的光学性能。不幸地，丙烯酸具有相对低的强度性能，使得其不适合用于其中需要高强度的应用。
[0004]考虑到与单片玻璃板相关的重量不利以及与单片聚合板相关的强度限制，制造者已经用纤维增强的聚合材料制备了透明体以提高透明体的强度和耐冲击性。不幸地，某些环境因素可能对纤维增强的聚合材料的光学特性具有不良影响。例如，温度的改变可能减小纤维增强的聚合材料的光学性质。
[0005]可见，本领域存在对用于控制随温度改变的纤维增强的透明体的光学性质的系统和方法的需要。
【发明内容】
[0006]具体地本公开解决并且缓和了与透明复合材料物件相关的以上所述需要，在实施方式中，本公开提供了可包括复合材料结构和光源的系统。复合材料结构可包括具有基体折射率的基体、嵌入基体中的多个纤维、和与基体和/或纤维一起包括的光反应材料。光源可以能够发射活化波长的光，该活化波长的光诱导光反应材料中的反应，导致基体折射率改变。
[0007]在进一步的实施方式中，所公开的是包括复合材料板的系统，该复合材料板具有相对的外表面和侧边。复合材料板可包括基本上光学透明的具有基体折射率的基体，和多个基本上光学透明的嵌入基体中的纤维。纤维和/或基体可包括光敏发色团。光源可以配置为发射一个波长的光至侧边上或朝向侧边发射一个波长的光。该波长可以诱导发色团中的反应，导致基体折射率改变。
[0008]在进一步的实施方式中，所公开的是调节复合材料结构基体折射率的方法。该方法可包括从光源朝向复合材料结构发射活化波长的光，该复合材料结构含有具有基体折射率的基体和嵌入基体并具有纤维折射率的多个纤维。基体和/或纤维可包括光反应材料。方法可包括响应于入射在光反应材料上的活化波长诱导光反应材料中的反应，并且响应于光反应材料中的反应改变基体折射率。
[0009]可以在本公开不同的实施方式中独立地实现，或者可以在又其它的实施方式中结合已经讨论的特征、功能和优势，参考以下描述和下列附图，可以了解其进一步的细节。
【附图说明】
[0010]通过参考附图，本公开的这些和其他特征将变得更明显，其中相同的数字指代全文中相同的部件，并且其中:
[0011]图1是系统的框图，该系统包括纤维增强的复合材料结构并且包括用于发射活化波长的光源，该纤维增强的复合材料结构含有包括在基体内和/或纤维内的光敏发色团，该活化波长诱导发色团中的反应，导致机体折射率改变；
[0012]图2是复合材料结构的实例的透视图，该复合结构包括嵌入在机体内的多个增强纤维，并且包括示意性地表示为各个颗粒的发色团，并且其中基体具有基体折射率和纤维具有纤维折射率并且进一步图解了光源，该光源朝向复合材料结构的侧边发射光以诱导发色团中的反应；
[0013]图3是图2的系统的剖面图并且图解了纤维、基体和发色团，并且进一步图解了温度传感器、应变传感器和/或透明度传感器，其任选地安装在复合材料结构上以反馈至光源用于调节由光源发射的光以调节复合材料结构的温度、机械应变和/或透明度水平的改变；
[0014]图4是配置为偶氮苯分子的发色团的实例，该偶氮苯分子显示了未活化状态(左侧)和响应于入射在偶氮苯分子上的活化波长的活化状态(右侧)；
[0015]图5是在指定波长的折射率对温度的图表并且图解了当发色团未被活化时随温度改变基体和纤维的折射率之间的失配，并且进一步图解当发色团被激活时更密切匹配的基体和纤维的折射率；
[0016]图6是含有第一光源和第二光源的系统的剖面图，并且图解了第一光源，该第一光源朝向复合材料结构的侧边发射第一波长的光；
[0017]图7是系统的剖面图，其图解了第二光源，该第二光源朝向复合材料结构的侧边发射第二波长的光；
[0018]图8是系统的剖面图，该系统在复合材料结构的外表面上具有涂层以沿着复合材料结构内部的长度和/或宽度内部反射来自光源的光；
[0019]图9是系统的剖面图，该系统在复合材料结构的外表面上具有滤波器以防止活化波长的环境光穿过复合材料结构并活化发色团；
[0020]图10是调节复合材料结构基体折射率的方法的一种或多种操作的流程图的图示。
【具体实施方式】
[0021]现在参考附图，其中显示是为了图解本公开优选的和不同的实施方式的目的，图1中所显示的是系统100的框图，该系统100包括复合材料结构102和用于朝向复合材料结构102发射光182的光源180。复合材料结构102可以由聚合物基体114和嵌入在基体114中的多个增强纤维116组成。纤维116可以具有纤维折射率200。基体114可以具有基体折射率202。有利地，基体114和/或纤维116可以包括可对一种或多种波长的光182敏感的光反应材料148，光182可以由光源180发射以诱导光反应材料148中的反应，导致基体114的折射率改变。在一个实例中，基体114和/或纤维116可以包括可对一种或多种波长的光182敏感的光敏发色团150，光182可以由光源180发射以诱导发色团150中的反应，导致基体114的折射率改变。在本文公开的任意实施方式中，基体114和/或纤维116可以包括一种或多种类型的光反应材料148，和/或基体114和/或纤维116可包括一种或多种类型的发色团150。在一些实例中，基体114和/或纤维116可包括光反应材料148，并且可不包括发色团150。
[0022]作为抵消或调节纤维折射率200中环境诱导的改变的手段，光源180可配置为发射光182，光182诱导光反应材料148和/或发色团150中的反应，导致基体114中折射率改变。例如，基体折射率202中光-诱导的改变可抵消纤维折射率200中热-诱导的改变，该热-诱导的改变可以因复合材料结构102的温度改变发生。在另一个实例中，基体折射率202中光-诱导的改变可抵消或调节纤维折射率200中机械-诱导的改变，该机械诱导的改变可以因静态和/或动态载荷下复合材料结构102的机械应变发生。
[0023]系统100可任选地包括一个或多个传感器(例如，见图3)，其配置为感测复合材料结构102中环境-诱导的改变。例如，系统100可包括一个或多个温度传感器126，其配置为感测复合材料结构102的温度，和/或系统100可包括一个或多个应变传感器130以感测复合材料结构102的机械应变。这种传感器可产生传感器信号128、132(图3)，其可被传送至光源180以允许光源180以诱导光反应材料148和/或发色团150中反应的方式发射光182，导致基体折射率202以与复合材料结构102中感测的环境改变相关或成比例的量改变。
[0024]例如，在复合材料结构102由基体114和纤维116形成，基体114和纤维116对于指定的温度或温度范围在感兴趣的波段例如红外光谱和/或可见光谱基本上是光学透明的情况，作为增加各自的温度范围和/或应变范围的手段一一在该范围内复合材料结构102相对于缺乏发色团的复合材料结构保持基本上光学透明，由入射在光反应材料148和/或发色团150上的光源发射的波长诱导的基体折射率202的改变可抵消或调节基体折射率202的热-诱导的改变和/或机械-诱导的改变。如以上所指出的，由于相对于纤维116基体114的折射率η的不同，纤维增强的聚合物基体复合材料结构102中的温度改变可减小复合材料结构102的光学性质。虽然当发色团150在未活化状态160(图4)时对于指定的匹配点温度T对于入射光的指定波长λ纤维116材料和基体114材料可任选地选择具有大约相同或基本上相等的折射率η (例如，彼此在大约1 %内)，但是，如以下更详细讨论的，当复合材料结构102的温度偏离(例如，相对增加或减小)匹配点温度时在纤维116和基体114的折射率dn(A，T)/dT的温度系数的不同可导致两种材料的折射率的改变(例如，差异增大)。
[0025]有利地，当被光源180活化或进一步激发时，随着由于在复合材料结构102上起作用的环境因素——例如复合材料结构102的温度和/或机械应变的改变而基体折射率202改变，光反应材料148和/或发色团150提供用于调谐基体折射率202至基本上匹配或非常近似于(例如，在10%内，更优选地，在0.1%内)纤维折射率200的手段。例如，光源180可配置为发射一个或多个波长以对于在感兴趣的波带内的环境光122(图9)和对于所述复合材料结构102的指定温度范围维持所述基体折射率202在小于所述纤维折射率200的约10%内的方式初始地活化或进一步激发所述光反应材料148和/或所述发色团150。在一个实施方式中，光源180可配置为发射一个或多个波长的光182以在红外光谱和/或可见光谱内对于从大约-65°F至大约220°F的所述复合材料结构102的温度范围维持所述基体折射率202在所述纤维折射率200的大约3%内的方式活化和/或进一步激发发色团150。在一些实例中，光源180可配置为发射一个或多个波长的光182以维持基体折射率202在红外光谱和/或可见光谱内的纤维折射率200的大约0.1%内的方式活化和/或进一步激发发色团150。
[0026]对于在感兴趣的波段内的基本上光学透明的复合材料结构102，通过光源180活化光反应材料148和/或发色团150可增加复合材料结构102可保持基本上光学透明的范围。例如，在可见光谱和/或红外光谱中对于指定温度或温度范围基本上光学透明的复合材料结构102，光反应材料148和/或发色团150的活化可允许复合材料结构102维持相对高度的光透过和低失真的周围环境光122穿过复合材料结构102，并且可有效地扩大复合材料结构102保持基本上光学透明的有用的运行温度或温度范围。然而，在其他的实例中，光反应材料148和/或发色团150可以被光源180活化以使另外的光学透明的复合材料结构102半透明，例如为了隐私的目的。
[0027]图2显示了系统100的实例，其包括配置为板104的纤维增强的聚合物基体复合材料结构102，该板104具有相对的外表面106和沿着复合材料结构102的周长的侧边112。在一些实例中，复合材料结构102可以配置作为透明体，例如挡风玻璃、窗口、天蓬、隔膜或交通工具例如陆地交通工具、空中交通工具例如飞机和/或太空飞行器的结构板。虽然显示为具有大致正方形或长方形形状的板10