复合材料的制作方法

复合材料的制作方法
【专利摘要】本发明提供单向的弹性体复合物，其包含多个基本上在第一方向上对齐的纤维，以及填充纤维之间空间的弹性体。该多个纤维可以包含中等模量碳纤维。优选地，该多个纤维具有1％以上的在极限断裂伸长率或拉伸断裂应变，200?400GPa之间的拉伸模量和大于4GPa的抗拉强度。树脂或母体可以是被动弹性体，其将在特定的作业温度范围保持它的机械和化学性质。弹性体是具有粘弹性的聚合物，通常具有低杨氏模量和高的失效应变。制造单向的弹性体复合物的方法包括向保持处于张紧的纤维涂敷树脂，以维持纤维取向。
【专利说明】复合材料
[0001] 胡安梅希亚-阿里萨
[0002] 对相关申请的交叉引用
[0003]本申请要求2013年11月6日提交的且名为"烧性轻质可调刚度铰(FLASH)"的美国 临时申请61/900，882优先权，其通过引用以其全部结合在此。
[0004] 背景
[0005] 可展开结构通常是可以分别通过打包或展开成较小的体积从而减少或增加它们 的原始体积的那些结构。在可展开结构中，使用不同的材料和机械结构。
[0006] 例如，刚性机械连接允许在刚性连接的部件之间的不同的运动学自由度。柔顺的 接头和机构通常使用挠性材料，从而变形至想要的构型。然而，刚性连接通常在构造上更加 复杂，这导致更高的制造成本。刚性连接还可能承受更高的磨损、以及更低的精度和可重复 性。
[0007] 此外，组分通常包含不同的材料，导致不同的热膨胀系数、高密度、和更高的重量。
[0008] 刚性机械连接包括例如铰、滑块、万向接头和球窝接头（ball-and-socket joint)，它们允许在连接的部件之间的不同的运动学自由度。这些是在制造业、机器人技术 和汽车等中所用的大部分机构的构造单元。然而，刚性接头的匹配部件之间的间隙导致了 机械组装体(如在图1中的示例性销接头2)中的反撞。图1图示了示例性的刚性机械连接，其 中两个刚性结构体4、6通过销8偶接。正如图示的，组件在摩擦点3处靠在一起，并且留下反 撞空隙5。而且，在所有上述接头中，都存在引起摩擦的相对运动，摩擦导致磨损和增加的间 隙。这样的接头的运动学链混合了每个的来自反撞和磨损的误差，导致差的精确性和可重 复性。
[0009] 柔顺的（compliant)结构提供了将运动、力或能量传递或变换的备选方案。与刚性 连结机构不同，对于装置活动性来说，柔顺的机构依赖于挠性构件的挠曲，而不是仅仅来自 于可移动的接头。输入力传递至输出运动，并且一些能量以应变能量的形式储存在挠性构 件中。然而，柔顺的结构通常不提供足够的刚性，不是充分热稳定的，或者仅具有窄的作业 温度范围。
[00?0] 柔顺的接头如折裙（flexure)、联接器（coupling)、柔性枢轴（flexure pivot)、弯 曲联接器(flex connector)、活铰链和烧性接头为传统机械接头提供了备选，减轻了它们 的缺点中的许多。然而，在现今的许多应用中，如眼镜、机器人、剪子、玩具、假体等中，仍然 使用刚性体机构，因为所得的柔顺的材料缺乏机械性质的恰当的平衡。例如，在需要大的变 形和紧的收起半径的柔顺的机构中主要使用聚合物如塑料和弹性体。尽管它们具有低的密 度和大的弯曲应变，但这样的材料的局限是它们不够刚硬、热学上不稳定，并且仅仅具有窄 作业温度范围。
[0011 ]驱动的复合物(actuated composite)通过改变作为温度的函数的材料刚度尝试 桥接刚性机械连接之间的空隙以及柔性结构的那些。然而，这样的材料为了收起和展开需 要受控的温度。用于将材料加热和/或冷却到必要温度的附加的装置增加了系统复杂性、重 量以及将可展开结构致动成本。
[0012] 驱动的复合物可以改变它们的作为温度的函数的刚度。在刚度上的这一改变允许 驱动的复合物在打包的状态下是柔软的，以避免复合物失效(断裂，failure)，并且在可展 开状态下是刚性的，以满足性能要求。此类驱动的复合物的主要局限在于，为了适当地激活 驱动的复合物，需要在可控的环境中精确地监测并调节温度。这意味着需要外部能量源和 附加的装备，这将不仅增加成本和质量，而且可能引入几何上的不理想性，如由于热效果导 致的直线性的不理想性。这些不理想性可以降低结构中轴向的刚度，并因此降低弯曲刚度。 相应地，活性铰对任何结构都增加重量和复杂性。
[0013] -种示例性的智能材料是超弹性镍-钛形状记忆合金。此合金具有几乎五倍于弹 性体复合物的密度，并且它的作业温度范围仅仅从体温到室温。而且，它仅仅产生接近5% 的应变。另一种示例性驱动的复合物包括:可刚性化的太空（space)树脂(L6)，其在室温具 有低模量（l〇.6MPa，1 .5kpsi)，并且可以在低温-100C达到类似于环氧树脂的模量 (1.68GPa，243kpsi)。
[0014] 此外，尽管在过去的十年间在轻质可展开结构的领域有了多种技术进步，但是在 提高性能和功能性方面，材料密度的降低仍继续是最为重要和有挑战的参数。然而，目前的 大的系统也受到收起体积的限制。为了在轻质结构的领域发展革命性的进步，想要具有与 温度无关的更好材料规格(me tr i cs)和性质的更好的轻质且被动(pas s i ve)的复合物。
[0015] 简要概述
[0016] 本文所述的实施方案包括挠性、轻质的复合材料，其可以用作具有低收起体积的 可展开结构，但仍满足结构要求。
[0017] 本文所述的实施方案包含弹性体复合物，在所述弹性体复合物中多个纤维与弹性 体组合。纤维可以是基本上对齐的，因此形成单向的弹性体复合物。在20-50%之间的纤维 体积分数是优选的，但45-65%的典型值也是可以的。纤维体积分数是包含纤维的复合物体 积比包含纤维和弹性体的复合物的总体积的分数。所得的复合物的密度可以在6 0 0 -2000kg/m3之间，小于1500kg/m3,或小于大约1350kg/m3。如本文所述的弹性体复合物的实施 方案可以发展大的弯曲时有效压缩应变（20-60 %，优选高于30 %，或30 % -50 % )和5-500MPa的压缩临界应力。
[0018] 可以改善纤维的均匀性和直线性，以控制复合物的压缩模量和临界压缩应力。复 合物在展开状态的初始拉伸模量（当纤维基本上是直的时）可以在30_150GPa之间，而取决 于纤维有多么直，初始压缩模量可能为拉伸模量的一半以上。示例性的材料构造提供了接 近于120-160%的层间（inter-laminar)剪切应变发展。由0 · 1mm至10mm的材料厚度范围可 以具有示例性的低于50mm的最小收起半径，并且可以达到接近1mm的最小收起半径。
[0019] 有几种方式通过在材料的两个或一个表面中添加非常薄的卡普顿(kapton)或迈 拉(Mylar)层来控制最小允许收起半径。而且，在拉紧时将在外侧的表面中，可以将纺织的 碳织物在+45/-45、+30/-30或+60/-60度添加至内部纤维或0或90度添加至单向纤维，或是 任何准-各向同性的构造。许多其他不同的构造可以控制最小半径，如在许多取向上和不同 的层中使用Kevlar、玻璃纤维或Vectran纤维。也可以选择或替换层的构造、组成和量，以形 成具有想要的特性的复合物。增加复合材料的厚度也可以用于帮助控制收起半径。
[0020] 本文所述的示例性复合材料对于结构的轻质的应用来说是完美的。本文所述的示 例性的复合物可以具有被动(passive)展开机制，其允许碳纤维超出平面(out-of-plane) 微裙皱(micro-buckle)，防止了当折叠复合物时它们折断。在不需要在弯曲材料的同时在 复合物中施加低张力的情况下，在本文所述的复合材料中就存在弹性微褶皱行为。这一现 象是使得复合材料在折叠期间储存小量弹性能的原因。在展开过程中，释放弹性能，使得材 料能够打开回到它的原始的展开的形状。因为硬的树脂含有碳纤维，典型的单向的硬的复 合物将通过防止它们适应超出平面的褶皱取而代之地具有塑性微褶皱失效或扭折 (kinking)〇
[0021] 本文使用的示例性的纤维可以具有1%以上的在极限断裂伸长率，或拉伸断裂应 变。同时，示例性样品可以具有200_400GPa之间的拉伸模量和大于4GPa的抗拉强度。图9是 显示用于本文用途的示例性纤维的表格。
[0022] 在示例性实施方案中，填充纤维之间的空间的树脂或母体是被动(passive)弹性 体，其将在特定的作业温度范围保持它的机械和化学性质。弹性体是具有粘弹性的聚合物， 并且与传统材料如金属、陶瓷和甚至环氧树脂类及许多塑料相比，通常具有低杨氏模量和 高的失效应变。在具体实例中，在变形后，它们可以回到它们的原始形状。这类树脂可以是 热固体或热塑体，但是最典型的树脂是热固体如硅氧烷（silicone)和聚氨酯。一些硅氧烷 对于太空应用来说是理想的，因为它们与其他弹性体相比具有最高的作业温度范围（高温 和低温，从_150°C到200°C)。优选地，树脂具有大约25-55肖氏A硬度或相当于0.5-5MPa的杨 氏模量的硬度。可以用l_2MPa的模量实现最佳的性能。弹性体的一些实例列在图10中，其满 足优选的树脂要求。而且，树脂可以具有大于100%的断裂时伸长，大于300psi的抗拉强度， 和为了容易浸渍而低于100, 〇〇〇cP的粘度。
[0023] 附图
[0024]图1图示了示例性常规的销接头；
[0025] 图2图示了根据本文所述的实施方案的示例性复合物结构；
[0026] 图3图示了根据本文所述的实施方案的示例性复合物结构；
[0027] 图4图示了根据本文所述的实施方案的示例性复合物结构；
[0028] 图5图示了根据本文所述的实施方案的示例性复合物结构；
[0029]图6图示了对于根据本文所述的实施方案的示例性复合物结构来说有效压缩模量 作为弯曲时有效压缩应变的函数的示例性图；
[0030] 图7图示了对于根据本文所述的实施方案的示例性复合物结构来说有效压缩模量 作为弯曲时收起半径的函数的示例性图；
[0031] 图8A-8E图示了弯曲期间复合物结构内的纤维的示例性微褶皱，图8A是处于打包 (packaged)状态的复合物，图8B图示了离开平面的（out of lane)的微裙皱的靠近视图，图 8C是处于展开状态的复合物，图8D是图8E的复合物的弯曲的线图，具有有关的弯曲函数和 描述；
[0032] 图9是用于本文所述的示例性弹性体复合物中的不同种类的示例性商业纤维的材 料性质的示例性表格；
[0033 ]图10是用于本文所述的示例性弹性体复合物中的选出的树脂的示例性表格；
[0034]图11是在近似解法和实验结果之间的折叠失效应变和模量比较的示例性表格，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] 图12图示了对于薄复合物来说示例性的曲率测量，其中图12A的材料特性为k = 0.399/mm IM7F具有Vf = 63%且t = 0.127mm，且图 12B的材料特性为k = 0.900/mm LGHM具有 Vf = 35%，且t = 0.54mm。
[0036] 图13是用于本文所述的实施方案的不同类型的示例性中等模量材料的材料性质 的不例性表格；
[0037]图14图示了对于图13所列的材料来说的包装半径，其中显示LGHM作为理想的用于 短的柔性铰的复合物；
[0038]图15A-15D图示了 Miura折纸图案的根据本文所述的实施方案的复合物薄板的示 例性折置序列；
[0039]图16是常规用于轻质太空结构的不同种类的材料的材料性质的示例性表格；
[0040]图17图不了用于轻质结构的材料性能的不例性图；
[0041]图18图示了储存本文所述的复合材料的示例性卷起或打包方法；
[0042]图19是单向的弹性体复合物的材料性质和参数的示例性表格，具有t = 0.386mm的 复合物（除了頂7F具有t = 0.127mm和LGHM具有t = 0.54mm之外）；硅氧烷模量为0.916MPa，且 8552环氧树脂模量为4.67GPa;
[0043] 图20图示了分布型应变材料性能的示例性图，其中根据本文所述的实施方案的弹 性体复合物在右上部分，具有与传统材料相比更高的材料规格(MlO/s和AS4/s是由碳纤维 和硅氧烷制成的概念上的复合物，其中V f = 40%且t = 0.386mm，且小写c表示处于压缩的材 料，且小写t表示处于张紧的材料）；
[0044] 图21图示了对于使用LGHMc的薄壁管的桁架来说的示例性桁架性能规格；
[0045]图22图示了压缩型应变材料性能的示例性图，对于弹性体复合物来说Vf = 40%且 t = 0.386mm(除了LGHM具有Vf = 35%且t = 0.54mm之外），其中根据本文所述的实施方案的 弹性体复合物在图的右方，具有更好的材料规格；
[0046] 图23图示了使用分布的应变途径的示例性可盘绕（co i lab 1 e )的较长的井架 (mast)(ATK-Able Graphite Coilable)；
[0047] 图24A-24H图示了根据本文所述的实施方案使用有机硅的示例性弹性体复合物管 形杆(boom)，其中图24A-24G图示了示例性的弹性体形状记忆碳复合物管形杆从自由形状 到卷起随后从卷起到自由形状，并且图24H图示了由可刚性化的碳复合物制得的示例性8英 寸直径管形杆；
[0048]图25A-25C图示了根据本文所述的实施方案的使用脲烷的示例性弹性体复合物管 形杆，其中管形杆1具有大约1.5英寸的直径、38.38英寸的长度、0.015的厚度和0.105镑力 的重量，且管形杆2具有大约0.5英寸的直径、27.25英寸的长度、0.008的厚度和0.015镑力 的重量，第一管以2英寸的边长折叠，以得到1.6英寸的收起长度，且第二管以0.8英寸的边 长折叠，以得到〇. 9英寸的收起长度；
[0049] 图26图示了示例性眼镜，包括可以结合如本文所述的复合材料的各种有标记的框 架部件;且
[0050] 图27图示了制造如本文所述的单向的弹性体复合物的示例性方法。详细描述
[0051] 以下详细描述作为实例但不作为限制说明本发明的原理。此说明书将清楚地使本 领域技术人员制造和使用本发明，并且描述本发明的若干实施方案、改编、变型、备选和用 途，包括目前据信为进行本发明的最佳方式。应当理解，附图是本发明的示例性实施方案的 图形的和示意性的表示，且不限制本发明，并且它们也不必须按比例绘制。
[0052]本文描述的复合物结构的实施方案可以包括在减少系统的质量和复杂性的同时 增加可靠性和结构性能的性质。例如，想要的性质可以包括低的热膨胀系数和低的密度，同 时保持足够的结构刚度或刚性。
[0053]尽管本文描述和图示的本发明的实施方案是复合材料的棒或片，应当理解，本发 明的实施方案不限于如此，而是此外可以用于具有不同横截面或表面构造的其他材料构 造。此外，尽管本发明的实施方案在本文中可以按照示例性应用描述和图示，应当理解，本 发明的实施方案也可用于从所述材料性质得益的其他应用。
[0054] 图2和3图示了根据本文所述的实施方案的示例性复合物。示例性复合物10、1(/包 含多个纤维12和树脂14。纤维12为了说明的目的图示为分开的，但可以是分开的或是与相 邻纤维接触的。树脂14填充纤维12之间的开放空间。纤维沿其长度以圆形、均匀的横截面示 出，但可以包括任何横截面或者沿着纤维长度或横过复合物横截面的横截面变化性，以得 到不同的材料响应。如所示的，示例性复合物沿着它的长度处于基本上均匀的横截面。图2 图示了示例性的圆形横截面，而图3图示了基本上矩形的横截面。不同的横截面和可变的横 截面是预期的，并且包括在本公开的公开内容内。例如，复合材料可以成形为棒、缆、索或其 他长的结构，或者通过改变复合物结构的尺寸成为片。
[0055] 如图示的，纤维12沿着纤维的纵轴对齐。在示例性实施方案中，纤维是基本上平行 的。如本文关于对齐的或构造所使用的"基本上"意在包括从完美对齐的一些偏离。然而，通 常，纤维沿着相同的方向朝向，使得纤维的一端的终端端点是复合材料的一端或一侧，并且 纤维的另一相反端的终端端点是复合物结构的另外一端或一侧。各自纤维之间越是对齐， 基本上对相应材料性质的控制越好。然而，在制造期间对齐纤维和形成材料的成本存在折 衷。因此，在本公开的情况下，想要完美的对齐，但是并不必须。本领域技术人员会将容许偏 差理解为在选择的制造过程中固有的偏离或误差。纤维12优选在不受力的状态下基本上是 对齐的。例如，纤维可以沿着纤维的长度是直的且平行的。
[0056] 纤维也可以在横过纤维纵轴的面内的一个以上方向上对齐。例如，纤维12可以基 本上成层，使得它们与片的侧边缘对齐。这样，所有纤维都是基本上对齐的。在另一个实例 中，可以将第一多个(plurality)纤维在第一面中对齐，并将第二多个纤维在第二面中对 齐。第一和第二面可以是相邻的、对齐的、平行的、或它们的组合。在一个示例性实施方案 中，第二面可以是复合物结构的外部侧边缘。在一个示例性实施方案中，纤维12可以如图示 的以对齐的行成形。备选地，或附加其上地，纤维12可以在侧面中的第二方向上对齐。在示 例性实施方案中，纤维可以沿着与纤维纵轴平行取向的基本上平行的面对齐。面内的纤维 可以可变地间隔开的或均匀地间隔开的。
[0057] 本文所用的术语面描述了纤维的取向。面不意在限制为二维的构造。因为纤维具 有深度，当它们在面中对齐时，它们基本上沿着相同的两个维度轴对齐。然而，因为纤维的 深度和可能的纤维半径的可变性，面意在包括一些深度部分，使得如果纤维当从垂直于所 述的对齐面看上去是重叠的，那么认为纤维在相同的面内。换言之，如果纤维的任何横截部 分都包含在沿着纤维长度的一个二维面内，那么认为纤维在该面内是对齐的。例如，如果使 用单一行的纤维并且定位在水平的、平坦的表面如桌面上，会认为纤维对齐了，不管它们的 直径或横截尺寸，因为至少纤维的较低点都在接触桌面的面内。根据制造选择和复合物要 求，本领域人员会理解，对于在面内的纤维的长度的包含（inclusion)允许一些误差。例如， 如果纤维的横截面被包含在面内多于纤维长度的90%并且剩余的10%不从面垂直偏离纤 维直径的多于l-2x，则认为整个纤维都在面内对齐。
[0058]在示例性实施方案中，第一多个纤维在第一方向上在复合材料的整个内部对齐。 在复合物结构的外表面上的第二多个纤维在不同于第一方向的第二方向上对齐。在示例性 实施方案中，第二方向对于第一方向是倾斜的。第二多个纤维的纵轴可以对于第一多个纤 维的纵轴基本上是倾斜的。在示例性实施方案中，两轴在20至70度之间，例如，角度可以为 大约45度、30度或70度。
[0059]在示例性实施方案中，第三多个纤维可以在第三方向上对齐。第三多个纤维可以 在第一和第二多个纤维之间，从而形成在由第一多个纤维形成的内部复合材料与由第二多 个纤维限定的外部表面之间的中间层。第三多个纤维可以基本上与第二多个纤维垂直对 齐。第三多个纤维可以对于第一多个纤维的纵轴是倾斜的。例如，第三多个纤维可以在+/-20与+/-70度之间，例如，角度可以为大约-45度、-30度或-70度。
[0060] 在示例性实施方案中，第二和第三多个纤维可以是基本上相同的层。例如，第二和 第三多个纤维可以是机织的。备选地，第二和第三层可以是相邻的、分开的层，使得第二层 是外部层且第三层在内部的第一层与外部的第二层之间。第一和第二层可以直接接触而没 有第三层。第三层可以与第一和第二层两者同时直接接触。
[0061] 在图4中所示的示例性片实施方案中，类似于图3中图示的，可以在分别的平面层 中含有第一多个纤维402、第二多个纤维404和第三多个纤维406。第一和第二多个纤维可以 出现在第一多个纤维的单一侧，或者可以对称位于(mirrored)或位于复合材料的一个以上 外部表面上。正如所示的，第二多个纤维404相对于平行于第一多个纤维的轴的线成(α)角 度，且第三多个纤维406相对于同一根线成(β)角度。所述角度可以在+/-20和+/-70度之间。 角度的大小可以是相同的或不同的。角度可以围绕测量轴408相对或对称。
[0062]在如图5中所示的棒或缆实施方案中，类似于图2中图示的方案，第一层502可以是 基本上为圆柱形构造的棒的内部的部分。第二多个纤维504可以是在外周上包围第一多个 纤维的外部表面，或者可以围绕由第一多个纤维限定的周界的部分。在示例性实施方案中， 第二和/或第三多个纤维506可以基本上螺旋围绕第一多个纤维。如所示的，第二多个纤维 504相对于平行于第一多个纤维的轴的线成(α)角度，且第三多个纤维506相对于同一根线 成⑴）角度。所述角度可以在+/-20和+/-70度之间。第二和/或第三多个纤维也可以配置为 使得片的一部分在第一多个纤维的全部或部分周围卷绕。因此，多个不连续的纤维部分可 以位于沿着第一多个纤维的长度，并且可以完全或部分地限定第一多个纤维的外周界。 [0063]在示例性实施方案中，复合材料包含多个基本上在它的体积内对齐的纤维，具有 完全填充该多个纤维之间的空间的树脂。如果用途定向为使得外部表面或侧面处于拉伸， 可以以+45/-45、+30/-30或+60/-60的角度向具有纤维的外部表面加入纺织的织物。备选 地，可以使用〇或90度的纺织的碳织物，或者单向的纤维，或任何准各向同性的构造。
[0064]另一个控制复合材料的收起半径的示例性方法可以通过增加树脂的刚度和/或作 为厚度的函数的纤维体积分数来达成。当弯曲建议的复合物时，因为中性轴移动接近外表 面层，大多数层中的纤维将褶皱，并且储存应变能，由于纤维越靠近内层，它们褶皱得越多， 因此可以存在较低刚度弹性体以及也较低的纤维体积分数。此外，更靠近外表面层的纤维 可能发生相反情况。这些处于拉伸，并且因此可以使用非常高刚度树脂和高体积纤维分数。
[0065] 本文所述的实施方案包含弹性体复合物，其中多个纤维与弹性体组合。纤维可以 是基本上对齐的，因此形成单向的弹性体复合物。在20-70%之间的纤维体积分数是优选 的，但是45-65%的典型值也是可以的。所得的复合物的密度可以在600-20001^/1113之间，小 于1500kg/m 3,或小于大约1350kg/m3。如本文所述的弹性体复合物的实施方案可以发展大的 弯曲时有效压缩应变(20-60 %，优选高于30 %，或30 % -50 % )和5-500MPa的压缩临界应力。 可以改善纤维的均匀性和直线性，以控制复合物的压缩模量和临界压缩应力。复合物在展 开状态的初始拉伸模量（当纤维是直的时)可以在30_150GPa之间，而取决于纤维有多么直， 初始压缩模量可能为拉伸模量的一半以上。该材料构造提供了接近于120-160%的层间剪 切应变发展。材料厚度范围为0. 且可以达到低于50mm的最小收起半径，并接近 1mm。有几种方式通过在材料的两个或一个表面中添加非常薄的卡普顿或迈拉层来控制最 小允许收起半径。而且，在拉紧时将在外侧的表面中，可以将纺织的碳织物在+45/-45、+ 30/-30或+60/-60度添加至内部纤维或0或90度添加至单向纤维，或是任何准-各向同性的 构造。许多其他不同的构造可以控制最小半径。例如，在许多取向上和不同的层中使用 Kevlar、玻璃纤维或Vectran纤维。增加复合材料的厚度也可以用于帮助控制收起半径。
[0066] 本文所述的弹性体复合物平衡了弯曲时的有效压缩刚度和有效压缩应变，并且因 此，当被驱动的复合物需要时不需要任何外部能量源或设备而展开。公开的复合材料是由 弯曲时具有可变的压缩刚度和可变的压缩应变的被动的单向的弹性体复合物制得的，如图 6上所示。因此，压缩有效模量可以从展开状态的30-150GPa到打包状态的5MPa。图7中给出 了相应的图线，提供了作为收起半径的函数的有效压缩刚度。由于在弯曲时有效压缩刚度 的减少，本发明可以达到的最小半径为1mm那么低。
[0067] 因此，本文所述的示例性复合材料对于结构轻质应用时完美的。本文所述的示例 性复合物可以具有允许碳纤维离开平面微褶皱的被动展开机制，防止它们在如图6中所示 折叠复合物时折断。在不需要在弯曲材料的同时在复合物中施加低张力的情况下，在本文 所述的复合材料中就存在弹性微褶皱行为。这一现象是使得复合材料在折叠期间储存小量 弹性能的原因。在展开过程中，释放弹性能，使得材料能够打开回到它的原始的展开的形 状。因为硬的树脂含有碳纤维，典型的单向的硬的复合物将通过防止它们适应超出平面的 褶皱取而代之地具有塑性微褶皱失效或扭折。另一方面，如果在弯曲材料的同时向复合物 施加足够的张力，非常薄的硬复合物(0.125-0.4mm)将能够获得弹性微褶皱现象。当弯曲时 需要具有张力以表面失效的材料的另一个实例是室温下由L · Garde L6智能(可刚性化)树 脂制得的驱动的复合物。在室温，L6具有接近~lOMPa的模量，并且它高于对于FLASH应用来 说的最大理想模量。在用于工业中的其他智能树脂的情况下发生相同情况，如形状记忆聚 合物（SMP)与纤维增强组合，以形成得知Composite Technology Development (CTD)公司 的Elastic Memory Composite(EMC)〇
[0068]用于薄复合物应用的示例性性质测量，如在图8D中所示的，为ε = 64.5,k = 0.900/ mm，Vf = 35%，和t = 0.54mm。
[0069]常规的呈现弹性微褶皱行为的驱动的复合物仅仅当将智能树脂加热高于室温(在 40-80摄氏度之间）时才出现，将树脂的模量减少指低于或高于呈现的树脂模量范围（0.5- 5MPa)。然而，低于此范围的树脂模量将导致在展开状态没有适宜的低压缩临界应力的弹性 体复合物，导致可展开结构或一些柔顺的机构中的失效。而且，在打包状态，将没有足够的 弹性性质以防止反纤维超出它们的允许的弯曲时应变。换言之，常规材料不能储存应变能。 这就是为何驱动的复合物通常需要受冷，以增加智能树脂刚度，并因此增加在展开状态下 的复合物压缩性质。然而，如果树脂模量高于限定的模量范围，那么单向的弹性体复合物将 具有扭折失效，除非如上所述在复合物中施加张力。相反，本发明的复合物的实施方案通过 使用树脂如硅氧烷和聚氨酯，具有对于特别的可展开太空结构来说刚好足够的压缩临界应 力，并且当弯曲时可以无需张力地发展弹性微褶皱行为。
[0070] 本文所用的示例性纤维可以具有1 %以上的在极限断裂伸长率，或拉伸断裂应变。 同时，示例性样品可以具有200_400GPa之间的拉伸模量和大于4GPa的抗拉强度。图9是显示 用于本文用途的示例性纤维的表格。从此表可见，示例性优选的中等模量碳纤维如AS4、 頂7、頂10、T700S和T700G等同时满足所有上述所需性质。最后，重要的是提到能够获得优选 的Vf，具有不大于1%的胶料（sizing)的纤维是优选的。0.25%胶料是理想的或任何接近 0%的数。0%胶料纤维通常非常难以处理，而太多的胶料将使得难以用弹性体树脂浸渍纤 维。此外，一些树脂将中毒，即使是用1%胶料。因此，几乎所有弹性体树脂可以保持0.25% 或0%胶料。通常，我们可以使用单向的l-24k长丝的丝束，然而，我们可以使用任何类型的 碳织物构造，如平织织物、编织套简短袜(socks)或具有任何量的层的带织物。可以具有一 些提及的想要的碳纤维与任何其他不满足上述规定的纤维的组合。
[0071] 在示例性实施方案中，树脂或母体是被动的弹性体，其在特定的作业温度范围将 维持它的机械和化学性能。弹性体是具有粘弹性的聚合物，并且与传统材料如金属、陶瓷和 甚至环氧树脂类及许多塑料相比，通常具有低杨氏模量和高的失效应变。在具体实例中，在 变形后，它们可以回到它们的原始形状。这类树脂可以是热固体或热塑体，但是最典型的树 脂是热固体如硅氧烷和聚氨酯。与硅氧烷相比，聚氨酯易于加工，因为它们没有具有1%胶 料的纤维的问题，但是它们具有较小的作业温度范围。一些硅氧烷对于太空应用来说是理 想的，因为它们与其他弹性体相比具有最高的作业温度范围（高温和低温，从_150°C到200 °C)。它们中的一些可以在纤维中承受1%的胶料而不中毒。然而，为了得到较低的V f，使用 几乎零胶料是实用的。优选地，树脂具有25-55肖氏A硬度或相当于0.5-5MPa的杨氏模量的 硬度。可以用l_2MPa的模量实现最佳的性能。弹性体的一些实例列在图10中，其满足优选的 树脂要求。而且，树脂可以具有大于100%的断裂时伸长，大于300psi的抗拉强度，和为了容 易浸渍而低于100，〇〇〇cP的粘度。用于将弹性体复合物与它们自己或许多其他材料结合的 最佳的粘合剂实际上是使用与复合物中所用的相同的弹性体树脂或具有更高硬度的类似 树脂。例如，CV-1142可以用作用于用CV1-1142制造的弹性体复合物的粘合剂。弹性体越硬， 它对于结合来说越好，如Aptek 2100A/B。
[0072] 第一示例性复合材料(LGHM)由AS4碳纤维制成，具有厚度(t = 0.54mm)和填充体积 (Vf = 3 5 % )。对于所选的LGHM硅氧烷来说，拉伸模量、剪切模量和泊松比分别为Em = 0·916MPa，Gm=0·305MPa，和=0·499。
[0073] 在图11中列出了对于LGHM来说的计算的和试验的结果，以及根据本文所述的实施 方案的三种备选复合材料的计算的结果。不仅相对于驱动的复合物，而且相对于传统材料 如与8552环氧硬复合物一起的頂7碳纤维aM7F，参见如图12A和B所示的頂7F和LGHM的曲率 测量的差别），这些备选复合材料是具有机械性能和材料规格的出色平衡的单向的弹性体 复合物(AS4/s，頂7/s，和頂10/s，由IMPa硅氧烷树脂制备）。尽管LGHM比頂7F更厚，但LGHM在 失效前具有比頂7F更高的曲率。
[0074] 因为纤维的对齐可以对所得的复合物的特性具有本质的影响，制造根据本文所述 的实施方案的示例性复合物可能是困难的，因为可能难以保持在树脂涂敷、干燥和固化期 间保持纤维的对齐和取向。在示例性制造过程中，将纤维以想要的构造对齐和锚定。用树脂 如本文所述的弹性体浸渍纤维。涂敷可以是例如通过辊、橡皮扫帚、喷雾、倾倒等的。在固化 温度将树脂/纤维固化。然而，因为树脂和纤维可能具有不同的热膨胀系数，古国过程可以 使树脂膨胀，这引起纤维的波或未对齐。
[0075] 图27图示了制造如本文所述的单向的弹性体复合物的示例性方法。首先，提供多 个比意图的最终复合物结构的长度更长的纤维。例如，可以使用由最终意图的复合物结构 长度长度大约翻倍的纤维。将模具置于纤维周围。模具可以包含内与最终复合物结构的想 要的外表面横截面形状相同的内横截面。例如，可以使用特氟龙管。模具可以包含等于或大 于想要的最终复合物长度的长度。可以随后将纤维放置为处于张紧，以保持在树脂涂敷和 固化期间纤维是直的。可以通过向纤维的一个以上端部施加一个以上锚定或砝码，使纤维 处于张紧。例如，如图27中可见的，可以锚定纤维的一个端部2602,同时纤维的相反端部可 以包含一个以上砝码2604a、2604b。砝码可以优选包含与纤维接触的涂胶的或保护的表面， 以防止伤害纤维。在示例性实施方案中，大约每1200根纤维使用一镑，以提供跨多个纤维的 基本上均匀的力。纤维可以作为一组或单独地放置在张力下。随后向模具2608的外侧的处 于张紧的纤维部分涂敷树脂。随后将模具2608平移到覆盖有树脂的纤维部分2606上。随后， 可以在室温经过较长时间段固化复合物。保持较低的温度减少了纤维和树脂之间不一致的 膨胀，并且有助于保持纤维是直的和对齐。在复合物固化后，可以移除模具。可以将模具从 复合物切掉或拉掉。也可以将模具加热，以使模具从纤维/树脂复合物膨胀。
[0076] 可以使用类似的过程，形成具有不同材料性质的复合物弹性体的终端端部。例如， 如果复合物弹性体与另一种材料或结构偶接，较强的终端端部对于这样的连接来说是想要 的。为了制造这样的分段的复合材料，可以沿着或围绕纤维放置一个以上模具。每段可以涂 覆有不同的树脂或化合物，以形成复合物。例如，可以如上所述制造中部，以形成如本文所 述的弹性体复合物。多个纤维从涂敷的树脂部分延伸出来的一个或两个终端端部需要不同 的材料性质。因此，可以在树脂的终端端部涂敷合适的环氧物或树脂。可以在终端端部使用 不同尺寸的模具，以形成不同的终端横截面积。例如，可以使用较大的或不同造型的模具， 以形成用于复合物结构的终端连接端部。因此，在涂敷终端端部的一个或两者的树脂或环 氧物之后，则可以将合适的模具放置在纤维上。可以像中间部分的模具那样使用相同或不 同的模具。随后留下整个构造以如上所述固化。
[0077] 可以使用不同的模具构造。可以在涂敷树脂和使纤维置于张紧之前，将模具围绕 纤维放置。在这种情况下，一旦将树脂、弹性体或环氧物涂敷到了纤维的一部分，可以沿着 纤维滑动模具。备选地，可以在向处于张紧的纤维涂敷树脂、弹性体或环氧物之后，将模具 围绕纤维夹住、卷起或以其他方式放置。
[0078] 如本文所述的弹性体复合物的实施方案的示例性应用包括用作缆、索、绳、丝网或 任何处于张紧的构件。应用可以包括水、太空或陆地，如运动、钓鱼、索具等。其他应用可以 包括例如用于假体的充气肌肉，或变形翼、带增强、高压可膨胀结构支持体、桁架、和线（如 用于自行车刹车、球拍线、降落伞的绳索、船、吉他弦、网、钓鱼等）。
[0079] 另一种应用是在需要刚度的装置中，以提高作为像是张紧的线性弹簧和可展开结 构中的可展开的元件如在可展开桁架中的可展开的对角线的功能。这可以通过在碳纤维中 引入波纹形或未对齐完成，所以当在弹性体复合物中施加张力时，减少波纹形或未对齐，并 且因此，材料中的刚度将由于纤维中恢复的直线性而增加。
[0080] 本文所述的材料也可以用在例如柔性铰和柔顺的接头中。柔性铰是可以不仅用于 开关大门、门、床和笔记本电脑，并且也帮助如太空卫星、相控阵、变形翼、玩具、可展开桁架 等结构或机械装置的展开。柔性铰是柔顺的接头的出色的实例。例如，在可展开的桁架中的 柔性铰将均匀弯曲，以适应90度旋转。多于或少于90度的曲率也是预期的。例如，铰可以适 应例如45度至180度、或更特别地45度至135度、或80至100度之间的曲率。铰弯曲的角度是 从未弯曲的、开放的构造开始测量的，使得180度是折叠回它自己上，具有基本上平行的端 部，并且90度时基本上具有垂直取向的铰的端部。铰也可以在对称的方向上弯曲，使得铰可 以从-180度弯曲到180度或其间的任何角度范围。角度也可以大于180度，使得超出铰的延 伸的表面沿它们的长度接触，同时铰形成其间光滑的弯曲的过渡区。铰也可以形成复合角， 使得铰允许被连接的材料基本上平行但是不比180度取向更近地接触。因此，铰可以弯曲超 过180度，但是在一个或两个相反的端部处在相反的方向上弯曲，以使连接材料超出铰进行 取向。
[0081] 使用本文所述的实施方案的柔顺的接头可以使用材料的固有柔顺性，以能够完成 大的变形并降低应力集中。这些接头可以减少或消除摩擦、反撞和磨损的存在。进一步的优 点包括由于它们的连续单块构造导致的高至亚微米精度。这样的精度在许多微米、纳米和 生物应用中，以及学科间领域如微和纳电子机械系统，是重要的。单块构造也简化了制备， 使得能够低成本制造和低重量。因此，柔顺的接头的主要优点是，它们用于形成柔顺的机构 如可展开结构、变形翼、无人飞行器(UAV)、机器人、玩具、容器等。柔顺的机构的附加的优点 包括明显减少为了完成特定任务所需的部件的总数量，比它们的刚性体的相似物明显减少 重量，以及将它们小型化的容易性。这表现了用递送等价机制的简化的组件代替多材料的 复杂部件的机会。
[0082] 此外，对于非常短的柔性铰来说，如本文所述的且示于图13-14中的单向的弹性体 复合物由于传统材料。在图13中，仅仅考虑具有中等刚度(40-210GPa)的材料。因此，不考虑 聚合物如塑料和弹性体，因为它们不仅具有低刚度，也没有尺寸稳定性(高热膨胀系数CTE 值），并且它们在一定的温度下不维持。另一方面，NiTi超弹形状记忆合金(SMA)具有出色的 性质组合，但是作业温度范围窄（体温至室温）。根据本文所述的实施方案的弹性体复合物 可以以最低的收起半径和铰长度折叠90度。这些被动轻质材料当将它们折叠时具有可变的 刚度，这允许它们以非常紧的半径收起，并且储存像是微弹簧的小应变能。除了在此文档中 详述的材料性质，长丝直径是能够储存应变能的性质。与具有接近5μπι以下的直径的其他中 等模量碳纤维相比，所选的具有更大直径的纤维当弯曲复合物时（如具有接近7μπι直径的 AS4，T700G，和T700S)将储存更多的弹性能。即使頂7/s和頂ΙΟ/s具有比AS4/s更高的模量， 但是如图9中所示AS4/s具有较大的直径，并且因此AS4/s具有最高的储存的应变能。
[0083]本文所述的实施方案可以用于在可展开结构中的短柔性铰，以及在柔顺的机构中 的柔顺的接头。例如，公开的实施方案可以用于替换在柔顺的机构如眼镜、机器人、剪刀、玩 具、假体等中的销接头。除了在北京技术中所述的限制，如今还使用传统的销接头，因为它 们允许结构和机构折叠成非常紧的收起体积而不储存应变能。因此，如图13的那些的由中 等模量材料制得的柔性铰不用于一些应用的主要原因是它们不能完成非常小的收起半径， 加上它们储存过多应变能，其将导致结构和装置中的失效(高局域化集中的应力）。此外，用 于销接头的理想的材料应当具有高强度和高刚度、疲劳和应力腐蚀开裂抗性、和低的密度。 这不是当前材料如具有高密度的不锈钢的情况。
[0084] 通常，根据本文所述的实施方案的复合材料在柔顺的接头方面显示主要的改进， 所述柔性接头用于在军事、陆地和太空任务中使用的可展开结构。对于太空任务，这种创新 将最小化发射质量、体积和成本，同时在太空环境中保持所需的结构性能。此外，此技术将 不仅对于太空系统，而且对于需要是便携的陆地的可展开机构如可展开飞碟、汽车太阳伞、 笔记本电脑、大帽子，提供安装和劳动成本上的降低。
[0085] 其中充当柔顺的接头的柔性-弹性铰链具有许多可能性的另一个区域是在隔振系 统中，如用于轻质运动装置的支撑结构。公开的复合物的有效的可调的或可变的刚度可以 是预定的，并且可以基于材料曲率或收起半径计算。那么，材料改变其刚度的能力将允许系 统将它的内部的自然频率切换到远离外部强迫频率，并且因此，将减少运动幅度。
[0086] 此外，在可展开结构中的振动可以通过吸收（阻尼）系统的振动能量被最小化。因 此，代替通过为了增加系统阻尼进行阻尼处理如向外侧表面增加一层阻尼材料(如橡胶)来 减少结构中不想要的振动，可以通过用弹性体树脂（当在碳纤维和树脂刚度之间有较大失 配时出现较大的阻尼)代替复合物中的硬树脂完成振动的减少。这种方法促进通常用于轻 质可展开结构的高阻尼和振动抑制组件的构建。例如，由此材料制得的减震器和缓冲器可 以用于吸收冲击能量或减缓组件的运动(如解卷挂绳或展开面板）。
[0087] 本文所述的实施方案在复合物需要折叠的区域中结合了高应变树脂，同时在复合 物的其余部分中保持较硬的母体。Miura折纸复合物薄板在图15中示出。这种结构可以避免 对紧固件或支撑结构的需要，因为它采用了连续均匀碳织物。此外，使用不同模量类型的树 脂的新方法将允许制造许多种类的柔顺的机构，如非常高效且轻质的可展开结构、变形翼， 机器人、玩具、眼镜、剪刀、假体、无人飞行器(UAV)等。例如，在可展开结构的领域的其他研 究人员目前完成的工作仅仅与软树脂组合使用纸或低模量的纤维，如玻璃纤维、Kevlar或 Vectran。这些纤维不够硬到足以发展良好的材料规格度量和在收起构造中存储应变能。中 等模量碳纤维的另一个优势是与其它纤维相比较高的抗拉和抗压强度值。而且，其中可展 开结构需要折叠间隙由限定的弹性体树脂保护。这将帮助避免材料和结构皱纹，促进特定 的系统的折叠图案。同时，建议的结构将帮助总系统的展开过程，因为它们可以在它们的收 起构造中储存一些应变能。
[0088] 图15图示了 Miura折纸图案中的复合物薄板的示例性折叠序列。折叠线是由纤维 强化的高应变母体制成的。18英寸X 24英寸、0.013英寸厚Miura折纸图案的展开可以在2-3 秒可展开时间中发生。可以通过调节材料性质和几何参数减小展开速度。大约的打包体积 为0.5英寸X 4.3英寸X 3.8英寸，且重量为94.7g(0.2091b)。
[0089] 此外，LGHMt(张紧时的LGHM)对于其中需要具有处于张紧的构件的应用来说具有 许多潜力。注意在图16中，LGHMt具有比金属和甚至用于处于张紧的构件的单向的S2-449/ SP381(S2)复合物更高的材料规格、E/r。这意味着，弹性体复合物可以用来取代需要是轻质 的且处于张紧的缆。此外，对于特定类型的碳纤维，弹性体复合物和硬复合物将具有几乎相 同的拉伸模量。换言之，具有相同碳纤维和纤维体积分数的弹性体复合物和硬复合物可以 具有几乎相同的材料规格、E/r、对于处于张紧的构件的值；区别在于弹性体复合物将能够 发展较小的收起或打包半径。例如，图16中的（V f = 60%)AS4/997硬复合物（AS4)具有 122GPa的模量和1.53%的折叠失效应变；同时，对于(Vf = 63% )AS4/硅氧烷弹性体复合物 (AS4/s)来说，分别预计92GPa和37%的拉伸模量和折叠失效应变。此初步观察可以导致用 于受拉的轻质可展开结构的另外的应用。例如本文所述的实施方案与硬复合物相比将是较 好的选择，因为本申请在展开状态需要薄的受拉的结构；而在打包状态基板材料将不处于 张紧，而取而代之的是，能够如图18中卷起来。因此，对于需要打包成小体积且在可展开构 造为硬的受拉的薄复合物来说，推荐使用本文所述的实施方案，与是否压缩临界应力低无 关。一个重要的应用将是替换乐器如吉他，钢琴，小提琴等中使用的当前的弦。由本发明材 料制出的扬声器也是可以的。在体育如射箭和钓鱼中，弦和线可以由本文所述的实施方案 制出。
[0090] 对于第一次电缆来说，也有可能通过将新型复合物嵌入内部而不是具有两个分开 的组件，来减少重量。例如，太阳能电池阵列板通常必须具有紧靠扁平缆的铰链。可以将电 缆内部结合至本文所述的实施方案。
[0091] 本文所公开的材料的实施方案具有比硬复合物更好的材料规格，并且储存非常少 的能量以促进并安全地展开分层的结构。例如，用于分布式应变可展开桁架如螺旋式桁架 的像材料规格是f Η εΕ)2/3。对于创新的复合物，相比于如在图19和20中所示的单向的硬复 合物的1，513N2/3m 5/3/kg，此材料规格估计为9，243N2/3m5/3/kg那么高。这意味着，通过使用新 的材料，分布式应变可展开桁架可以制造为具有圆锥截面，其可以圆锥折叠或卷起折叠。注 意，具有最高材料规格的材料是IMlO/s，因为IM10碳纤维具有比其他纤维更高的力学性质。 頂10碳纤维具有2.1 %的弯曲应变失效、lOlOksi (6964mpa)的抗拉强度和44Msi (303GPa)的 弹性模量。然而，AS4/s将由于较高的应变存储能保证最高的弹簧储存效果。
[0092] 此外，不仅对于使用分布式应变途径的桁架来说，而且对于如图19-20所示的使用 集中式应变途径的可展开桁架来说，公开的材料具有比单向的硬复合物更好的材料规格。 注意，集中式应变途径需要仅仅非常短的柔性铰链。如在图21中所示，由包含如本文所述的 复合物的非常硬的薄壁纵梁管制成的集中式应变可展开桁架可以具有是最好的分布式应 变可展开桁架如ATK-Able Graphite Coilable桁架（图23)的几乎三倍的桁架性能指数。将 图23中的桁架与两种概念上的集中式应变薄壁管的可展开桁架（图21)相比。这些概念的桁 架具有比具有类似的质量/长度的可盘绕桁架更好的桁架性能指数。
[0093]本文所述的实施方案当使用它们作为减去的（subtracted)材料使用时可以用于 改善弯曲致动器如压电致动器。新的先进的压电致动器将是轻质的且将具有更大的曲率， 增强在研究区域如控制流、变形翼、膜致动形状、光学致动表面、人工肌肉、皮肤适应系统、 非爆炸性释放装置等内的性能。主要原因是压电材料是附接至被动基板材料的，所述被动 基板材料当被驱动时在沿着基板材料厚度一半处的中性轴位置没有变化的情况下弯曲。因 此(ths)，缺乏中性轴变化使得传统基板材料是较低能量效率的且较低挠性的，除非它们使 用聚合物如塑料和弹性体。然而如在图8中所见，当弯曲本文所述的复合物时，在大部分层 中的纤维将褶皱并储存应变能，因为中性轴移动接近外表面层。由于纤维越靠近内层，它们 褶皱得越多。更靠近外表面层的纤维可能发生相反情况。这些处于拉伸并且附接至压电材 料。这将允许大的变形和将收起半径最小化，这在传统压电致动器的情况下是不可能的。
[0094] 此外，可以用以上纤维和树脂描述使用特氟龙管和/或特氟龙棒制造实心棒或管。 直径1mm那么小的实心棒可以用任何量的纤维丝束制作。实心棒材和管材的主要应用为代 替在柔性机构中的用单向的弹性体复合物制得的几乎任何尺寸的扭转弹簧或扭转棒，如剪 刀，自行车刹车，夹子，笔记本电脑、门、轻质扭杆悬架，眼镜和窗口扭销。复合材料可以是柔 性轻质扭转弹簧，其可以转动0至360度以下。也可以制造锥形实心棒。
[0095] 而且，通过使用任何材料、角度取向和任何量的层的编织套筒(braided sleeve) 纤维，可以使管为许多尺寸，其不仅可用于铰链、管形杆，笔、圆柱、轮胎、太空栖息地和太空 舱，而且可用于毛细管，如在图24和25中所示。在此努力下制得的管形杆由编织套筒碳纤维 和（图24A-图24G)硅氧烷及氨基甲酸乙酯（图24H和图25)组成。
[0096] 另一种应用将用于抓握体，通常如笔抓握体、厨房抓握体和自行车抓握体。如果在 管内部加入溶剂，它们可以缩小（contract)和增加直径，使得它们充当致动器，用于降落 伞、人工肌肉、变形翼等应用。
[0097] 上述具有实心棒和/或管的平样品的任何组合可以用于发展先进的柔顺的接头、 柔顺的机构和在相同接头处需要多于两个连接的可展开结构。此外，本文所述的复合材料 可以用于制造书或笔记本封面以及屋顶、地毯、手镯和带子。如果使用不同颜色纤维如 kevlar、vectran、玻璃纤维和碳纤维，贝lj可以在产品中形成图示、图、文字、图像、颜色等。
[0098] 以下是用于使用本文所述的材料和铰链实施方案制造眼镜框架的各种设计方法。 为了清楚目的，以下术语将用于描述如图26中所示的框架的各种组件。
[0099]典型地，在太阳穴柄(temples)和眼丝的联合处有两个铰链，其允许太阳穴柄基本 上平行于前框架折叠。这些铰链由两个金属体构成，其像门上的铰链一样匹配在一起。通过 连锁机构的小螺钉将两部分保持不分开，同时允许用于折叠和展开的运动。
[0100]本文所述的复合材料可以用于代替这些常规"柱(post)"铰链两者。会将一小段复 合材料紧固到眼丝和太阳穴柄，永久连接它们。这可以通过粘合、焊接、加压或任何其他附 接技术完成。复合材料被设计为允许太阳穴柄向着前框架部分折叠并且展开至一定的限度 (大约90°)以针对佩戴者的头部紧贴配合。
[0101]大部分眼镜在太阳穴柄中将太阳穴柄连接至眼丝的铰链附近含有小弹簧，这允许 太阳穴柄当展开时超出它们正常范围的一些有限的弹性移动。这些弹簧供应一些保持力， 以将太阳穴柄柔和地推向佩戴者的头部，保持眼镜紧贴佩戴者的头上。这些弹簧可以由以 两种方式之一的FLASH代替：（i)两个分开部分的复合材料可以用于代替初级铰链和弹簧， 或（ii) 一片复合材料可以用于两者，允许太阳穴柄折叠或展开，以及供应紧贴力以将太阳 穴柄推向头部。
[0102] -些眼镜含有多个柱铰链，其使用螺钉，允许眼镜折叠成甚至更多的紧凑形式因 子(factor)。除了将太阳穴柄连接至眼丝的两个铰链，在每个太阳穴柄的中间有铰链，并且 在鼻桥上有一个或两个铰链，它们允许眼镜折叠成更紧的形式，比一个眼丝的尺寸稍大。这 些铰链中的全部或一些可以被复合材料段代替。
[0103] 在一些实施方案中，由复合材料构建眼镜框架的全部组件可能是适宜的。因此，太 阳穴柄、鼻桥和眼丝或这些的任何组合可以包含由本文所述复合材料制成的全部或接近全 部。
[0104] 用于替换铰链和弹簧的复合材料段具有一般的"零能量"位置(当在未拉伸的弹簧 中时）以及"储存能量"位置（"拉伸的"）；复合材料自然具有回复到它的零能量位置的趋势。 在所有上述使用本文公开的复合材料的实施方案中，零能量位置可以是折叠的构造或是未 折叠的构造。因此，对于以上#1，眼镜可以构造为使得当眼镜处于自由移动时，复合材料可 以设计制造为自然地回到用于储存的折叠位置或用于佩戴的展开位置。
[0105] 如本文所使用的，使用以下符号和命名：
[0106] A =横截面积，m2
[0107] 1 =面积惯性矩，1/m4
[0108] ε =弯曲时有效压缩应变或铰链应变
[0109] ef =纤维极限断裂伸长率或失效应变
[0110] eb =碳纤维的弯曲应变
[0111] E =杨氏模量或有效压缩刚度，GPa
[0112] Eeff =弯曲时有效压缩应变，Pa
[0113] U =应变储存能，N-m
[0114] r =收起半径，mm
[0115] κ=曲率，1/mm
[0116] S =细长度
[0117] p =密度，kg/m
[0118] 〇cr =压缩临界应力，Pa
[0119] 〇IS =抗拉强度，Pa
[0120] Vf =纤维体积分数
[0121] L =铰链长度或纵梁长度，mm
[0122] Lcp =桁架的理想长度，mm
[0123] LP =打包长度，m
[0124] Ld =展开长度，m
[0125] # =纵梁之间桁架隔间的数量
[0126] M =弯矩，N-m
[0127] w =铰链粗细，纵梁直径，或桁架质量/长度，mm，kg/m
[0128] t =材料的厚度，mm
[0129] d =纤维直径，mm
[0130] κ =压缩时桁架性能指数，（N2/5m7/5)/kg
[0131] yb =弯曲时桁架性能指数，（NV5m9/5)/kg
[0132] Rt =桁架半径，m
[0133] 尽管已经参考附图完整地描述了本发明的实施方案，要注意，对于本领域技术人 员来说各种改变或变更将变得显然。这样的改变和变更理解为包含在本发明的实施方案的 范围之内，如后附的权利要求所限定的。
【主权项】
1. 一种弹性体复合物，所述弹性体复合物包含： 多个基本上相互对齐的纤维； 填充所述多个纤维之间的空间的弹性体。2. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中纤维体积分数Vf在大约35至65 %之间。3. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中单向的弹性体复合物的密度在600至1350kg/m3 之间。4. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中当纤维是直的时，所述弹性体复合物的处于展 开状态的初始拉伸模量在30_150GPa之间。5. 权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含在所述弹性体复合物的 至少一个外表面上的卡普顿的层，以控制最小允许收起半径。6. 权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含在所述弹性体复合物的 至少一个外表面上的迈拉的层，以控制最小允许收起半径。7. 权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含与所述多个纤维的纵轴 倾斜对齐的机织的碳织物。8. 权利要求1所述的弹性体复合物，所述弹性体复合物还包含第二多个纤维，所述第二 多个纤维基本上相互对齐，从而形成在所述弹性体复合物的外部边缘上的外部层，所述第 二多个纤维与第一多个纤维倾斜成角度。9. 权利要求8所述的弹性体复合物，其中第二多个纤维相对于所述第一多个纤维成约 45度的角度。10. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中第一多个纤维具有1%以上的极限断裂伸长 率或拉伸断裂应变。11. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中第一多个纤维具有200_400GPa之间的拉伸模 量和大于4GPa的抗拉强度。12. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中第一多个纤维包含中等模量碳纤维。13. 权利要求12所述的弹性体复合物，其中所述弹性体复合物具有允许所述中等模量 碳纤维超出平面微褶皱的被动展开机制，防止它们在折叠所述复合物时折断。14. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中所述弹性体是在特定作业温度范围上内保持 它的机械和化学性质的被动弹性体。15. 权利要求14所述的弹性体复合物，其中所述作业温度在-150Γ至200°C之间。16. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中所述弹性体具有大约25-55肖氏A硬度。17. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中所述弹性体具有l_2MPa的杨氏模量。18. 权利要求1所述的弹性体复合物，其中所述弹性体具有大于300ps i的抗拉强度。19. 一种包含多个碳纤维和硅氧烷的单向的弹性体复合物，其中所述碳纤维具有与单 向的弹性体复合物的总体积相比大约35-65%的填充体积。20. -种制造弹性体复合物的方法，所述方法包括： 提供多个单向的纤维； 将所述多个单向的纤维置于张力下； 在所述多个单向的纤维处于张紧的同时涂敷弹性体； 在模具中将所述弹性体和所述多个单向的纤维固化； 移除所述模具，以形成单向的弹性体纤维复合物。
【文档编号】C08K9/00GK105980468SQ201480072321
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2014年11月6日
【发明人】胡安·M·梅希亚-阿里萨
【申请人】加德公司