脂烧尽"测试进行测量，其中将样品置于烘箱中（例如在600°C下持续3小 时），以烧掉所述树脂。随后可以测量剩余纤维的质量以计算重量和体积分数。可以根据 ASTM D 2584-08来进行这样的"烧尽"测试，以确定纤维和聚合物基体的重量，随后可以基 于如下的等式来用其计算"空隙分数"：
[0126] Vf=100*(pt-Pc)/Pt
[0127] 其中，
[0128] Vf为空隙分数，以百分比计；
[0129] P。为使用已知技术例如使用液体或气体比重瓶(例如氦比重瓶)测量的复合件的 密度；
[0130] pt为通过如下的等式确定的复合件的理论密度：
[0131] Pt=l/[fff/Pf+ffm/pm]
[0132] pm为聚合物基体的密度(例如在合适的结晶度下）；
[0133] pf为纤维的密度；
[0134] Wf为纤维的重量分数;并且
[0135] Wm为聚合物基体的重量分数。
[0136] 可替代地，可以根据ASTM D 3171-09通过化学溶解树脂来确定空隙分数。"烧尽" 和"溶解"方法特别适用于玻璃纤维，所述玻璃纤维通常是耐熔融和化学溶解的。然而，在其 它情况中，可以根据ASTM D 2734-09(方法A)基于聚合物、纤维、带和/或杆的密度间接地计 算空隙分数，其中可以根据ASTM D792-08方法A来确定密度。当然，还可以使用常规显微设 备来评价空隙分数。
[0137] 如上所述的，在离开浸渍模具150、412后，CFRT材料在一些实施方案中可以形成带 158。在每个带158中使用的粗纱数目可以是不同的。然而，典型地，带158将包含从2根至80 根粗纱，并且在一些实施方案中为从10根至60根粗纱，并且在一些实施方案中为从20根至 50根粗纱。在一些实施方案中，可需要的是，粗纱在所述带158内彼此间隔大致相同的距离。 然而，在其它实施方案中，可需要的是将粗纱合并，使得粗纱的纤维整体上均匀地分配于整 个带158中，例如如上所述均匀地分配于全部的一个或多个富含树脂部分和富含纤维部分 中。在这些实施方案中，粗纱通常可为彼此不可区分的。例如参见图23和24,所示实施方案 的带158所包含的粗纱合并使得纤维400在其中整体上均匀地分配。如在图18中所示的，在 示例性实施方案中，纤维整体上单向地延伸，例如沿着带158的纵轴。
[0138] 在图25中更加详细地示出由如上所述的方法形成的复合杆750的一种实施方案。 如所述的，杆750具有整体上圆形的形状，并包括如在本文中描述的由一根或多根经固化的 粗纱142形成的芯部。"整体上圆形的"通常是指杆的纵横比（高度除以宽度)典型地为从约 1.0至约1.5,并且在一些实施方案中为约1.0。如上所述的，由于对用于浸渍粗纱和形成带 158的方法、以及用于将纤维束压缩和成型为预型件并最终成型为杆的方法的选择性控制， 杆750可以沿着其整个长度具有相对均匀分配的树脂214。这还意味着连续纤维以整体上均 匀的方式围绕杆750的中心纵轴"L"分配。例如，如在图25中所示的，杆750包括嵌入热塑性 基体214内的连续纤维400。纤维400整体上均匀地围绕纵轴"L"分配。应当理解的是，在图25 中仅示出少量的纤维，并且杆750将典型地包含显著更大数目的均匀分配的纤维。
[0139] 由封盖树脂800形成的封盖层804还可以围绕杆750的周界延伸，并限定杆750的外 表面。可以策略性地选择杆750的横截面厚度（"T"）以帮助实现特定的长度。例如，杆750可 以具有的厚度（例如直径）为从约0.1至约40毫米，在一些实施方案中为从约0.5至约30毫 米，并且在一些实施方案中为从约1至约10毫米。封盖层804的厚度取决于部件的目标功能， 但是其典型地为从约0.01至约10毫米，并且在一些实施方案中为从约0.02至约5毫米。无论 如何，杆的总横截面厚度或高度典型地为从约0.1至约50毫米，在一些实施方案中为从约 0.5至约40毫米，并且在一些实施方案中为从约1至约20毫米。虽然杆750在长度上可以是基 本上连续的，但是杆的长度实际上通常受卷轴或者连续纤维的长度限制，其中将杆缠绕并 储存于卷轴上。例如，所述长度通常为从约1000至约5000米，尽管甚至更大的长度确实是可 能的。
[0140] 通过使用根据本公开的装置和方法并控制如上所述的各种参数，可以形成具有非 常高强度的带和杆。例如，所述杆可以表现出相对高的挠曲模量。术语"烧曲模量"通常意指 挠曲变形时的应力与应变的比值(每面积力的单位），或者材料弯曲的倾向。其典型地在室 温下由"三点挠曲"测试(例如ASTM D790-10，步骤A)产生的应力-应变曲线的斜率确定。例 如，本发明的杆可以表现出的挠曲模量为约10吉帕（"GPa"）或更高，在一些实施方案中为从 约12至约400GPa，在一些实施方案中为从约15至约200GPa，并且在一些实施方案中为从约 20至约150GPa。此外，极限拉伸强度可以是约300兆帕（"MPa"）或更高，在一些实施方案中为 从约400MPa至约5，OOOMPa，并且在一些实施方案中为从约500MPa至约3，500MPa。术语"极限 拉伸强度"通常意指材料被拉伸或拉拔时在形成颈缩之前可以承受的最大应力，和在室温 下通过拉伸测试(例如ASTM D3916-08)产生的应力-应变曲线上达到的最大应力。拉伸弹性 模量还可以是约50GPa或更高，在一些实施方案中为从约70GPa至约500GPa，并且在一些实 施方案中为从约lOOGPa至约300GPa。术语"拉伸弹性模量"通常意指拉伸应力与拉伸应变的 比值，以及在室温下通过拉伸测试(例如ASTM D3916-08)产生的应力-应变曲线的斜率。显 著地，还可以在相对宽的温度范围内（例如从约-40°C至约300°C并且特别是从约180°C至 200°C)保持如上所述的复合杆的强度性质。
[0141] 根据本公开制得的杆可以进一步具有相对高的挠曲疲劳寿命，并可以表现出相对 高的残余强度。可以基于"三点挠曲疲劳"测试(例如ASTM D790)典型地在室温下测定挠曲 疲劳寿命和残余挠曲强度。例如，本发明的杆在160牛顿（"N"）或180N负载下的一百万次循 环后可表现出的残余挠曲强度为约60千克每平方英寸（"ksi"）至约115ksi，在一些实施方 案中为约70ksi至约115ksi，并且在一些实施方案中为约95ksi至约115ksi。此外，所述杆的 挠曲强度可以表现出相对最小的下降。例如，具有约4%或更低、在一些实施方案为约3%或 更低的空隙分数的杆在三点挠曲疲劳测试后可以表现出挠曲强度约1%的下降（例如，由约 106ksi的最大原始烧曲强度至约105ksi的最大残余烧曲强度）。可以在疲劳测试之前和之 后例如使用如上所述的三点挠曲测试来测试挠曲强度。
[0142] 复合杆的线性热膨胀系数可以小于约5、小于约4、小于约3或者小于约2,基于ppm 每°〇计。例如，所述系数(ppm/°C)可以是从约-0.25至约5;可替代地，为从约-0.17至约4;可 替代地，为从约-〇. 17至约3;可替代地，为从约-0.17至约2;或者可替代地，为从约0.29至约 1.18。对于这种线性热膨胀系数所考虑的温度范围通常可以是-50°C至200°C范围，0°C至 200°C范围，0°C至175°C范围，或者25°C至150°C范围。在纵向方向上即沿着纤维的长度测量 线性热膨胀系数。
[0143] 复合杆还可以表现出相对小的"弯曲半径"，其为所述杆可以弯曲而不会断裂的最 小半径，并由所述杆的内曲率测量。较小的弯曲半径意味着所述杆较柔软，并可卷绕在较小 直径的线轴上。这种性质还使得所述杆更易于在目前使用金属杆的方法中执行。由于本发 明的改进的方法和所得的杆，可实现的在约25°C的温度下测定的弯曲半径可以小于杆的外 径的约40倍，在一些实施方案中为杆的外径的从约1至约30倍，并且在一些实施方案中为杆 的外径的从约2至约25倍。例如，在约25°C的温度下测定的弯曲半径可以小于约15厘米，在 一些实施方案中为从约0.5至约10厘米，并且在一些实施方案中为从约1至约6厘米。
[0144] 可以由本领域普通技术人员来实施本发明的这些和其它的改变和变化，而不会脱 离本发明的精神和范围。此外，应当理解的是，各种实施方案的方面可以整体地或者部分地 互换。另外，本领域普通技术人员将理解的是，上文的说明仅为示例性的，并不意图限定在 所附的权利要求中进一步描述的本发明。
【主权项】
1. 复合杆，包含： 芯部，所述芯部包含： 热塑性材料； 嵌入所述热塑性材料中的多根连续纤维，所述多根连续纤维在所述热塑性材料内具有 整体上单向的取向；和 嵌入所述热塑性材料中的传感元件， 其中所述芯部具有约5%或更小的空隙分数。2. 权利要求1的复合杆，进一步包含整体上围绕所述芯部的封盖层，并且其中所述封盖 层任选地不含有连续纤维。3. 权利要求1-2任一项的复合杆，其中所述封盖层包含介电强度为至少约2KV/mm的热 塑性聚合物。4. 权利要求1-3任一项的复合杆，其中所述传感元件为光纤电缆、射频识别发射器、铜 纤维或铝纤维之一。5. 权利要求1-4任一项的复合杆，其中连续纤维的极限拉伸强度与每单位长度质量的 比值大于约1，〇〇〇兆帕每克每米，或者其中连续纤维占从约25wt. %至约80wt. %的杆，并且 所述热塑性材料占从约20wt. %至约75wt. %的杆。6. 权利要求1-5任一项的复合杆，其中所述杆具有约10吉帕的最小挠曲模量，或者其中 所述杆具有约300兆帕或更大的极限拉伸强度，或者其中所述杆具有约50吉帕或更大的拉 伸弹性模量，或者其中所述杆具有从约0.1至约50毫米的直径，或者其中所述杆具有圆形横 截面形状。7. 权利要求1-6任一项的复合杆，其中所述传感元件与所述热塑性材料结合。8. 权利要求1-6任一项的复合杆，其中所述传感元件与所述热塑性材料未结合。9. 权利要求1-8任一项的复合杆，其中封盖层整体上围绕所述传感元件。10. 复合带，包含： 热塑性材料； 嵌入所述热塑性材料中的多根连续纤维，所述多根连续纤维在所述热塑性材料内具有 整体上单向的取向；和 嵌入所述热塑性材料中的传感元件。11. 权利要求10的复合带，其中所述传感元件为光纤电缆、射频识别发射器、铜纤维或 铝纤维之一。12. 权利要求10-11任一项的复合带，其中连续纤维的极限拉伸强度与每单位长度质量 的比值大于约1，〇〇〇兆帕每克每米，或者其中连续纤维占从约25wt. %至约80wt. %的带，并 且所述热塑性材料占从约20wt. %至约75wt. %的带。13. 权利要求10-12任一项的复合带，其中所述传感元件与所述热塑性材料结合。14. 权利要求10-12任一项的复合带，其中所述传感元件与所述热塑性材料未结合。15. 权利要求10-14任一项的复合带，其中封盖层整体上围绕所述传感元件。
【专利摘要】提供了复合杆和复合带。在一种实施方案中，复合杆包括芯部，所述芯部包括热塑性材料和嵌入所述热塑性材料中的多根连续纤维。所述多根连续纤维在所述热塑性材料内具有整体上单向的取向。所述芯部进一步包括嵌入所述热塑性材料中的一个或多个传感元件。所述芯部具有约5％或更小的空隙分数。传感元件例如可以是光纤电缆、射频识别发射器、铜纤维或铝纤维。
【IPC分类】E21B17/01
【公开号】CN105556054
【申请号】CN201480037414
【发明人】A·森, D·伊斯特普, M·韦斯利, A·约翰逊
【申请人】提克纳有限责任公司
【公开日】2016年5月4日
【申请日】2014年6月1日
【公告号】EP3017136A2, US20150017416, WO2015002951A2, WO2015002951A3