CN100391710C - 具有微珠体粒子的复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了在基体材料中具有诸如中空微球体的高密度小粒子(11)的新型复合材料(12)。该微球体(11)在基体材料中紧密充填以使相邻微球体(11)处于彼此接触的位置或在一起很靠近，侧面纤维可以被提供在具有小粒子(11)和基体材料的一层复合材料芯材(12)的对面，还公开了制造和利用该复合材料的方法。

Description

具有微珠体粒子的复合材料

发明背景

本发明通常涉及复合材料，更具体地说，本发明涉及在基体材料中具有高密度小粒子如中空微球体的复合材料，本发明还涉及制造和利用这种复合材料的方法，以及由该复合材料制成的产品。

已经将复合材料用于各种用途，中空微球体也已被用作材料的添加剂。微球体被用作填充材料和添加剂用于油漆、塑料、片状成型料(SMC)、复合材料、注塑成型、粘合剂、合成泡沫材料，以及用于其它用途，但是，存在改善复合材料的需要，此外，需要开发具有新的和增强的材料性能的新材料。

现有复合材料和由该材料制成的产品带来的问题例子包括重量高、材料成本高、生产成本高，以及生产时间长。另外的问题例子包括抗热传递性不足、声学性能差、耐化学性差、防潮或防水性差，以及电性能差。现有复合材料也已被证实在一定程度上对于用作结构件或高强度材料成本有效。现有复合材料提供不够的理想的材料性能，包括例如：高强度/重量比、热和冷绝缘、高抗冲击和抗压性、高弯曲模量/刚性、低比重、化学稳定性、可砂处理性、可成型性、可加工性、声学、降低介电常数、不可燃、防水性、降低翘曲和收缩，以及通过传统的金属构件或粘结剂粘合或附着到其它材料上，此外，现有复合材料不能充分地将各种理想的材料性能一起结合到一种材料中。

对于改善的材料和由这种材料制成的产品还有不断的需求，如重量更轻、成本更低、生产成本更低、结构强度，以及其它性能。

发明概述

本发明的新型复合材料包括一种基体材料和小粒子，如中空微球体。相对于基体材料的量而言小粒子有很大的量以致高密度的小粒子能装填入基体材料中，该小粒子很近地紧靠在一起，并且很多小粒子甚至可以与相邻的小粒子相接触，该基体材料填充小粒子之间的间隙空间，该复合材料可包括比基体材料更大量的小粒子，以体积、重量及重量与体积的比或百分率计。

通过小粒子浸透或几乎浸透基体材料，在基体材料中产生小粒子的高斯分布或随机分布，该小粒子转移基体材料并产生一种网状结构，其提供非常强的材料或芯材，基体材料的网状结构是在整个复合材料上围绕无数小粒子的一种基体材料的连续延伸，在小粒子的均匀分布下，网状结构在基体材料中变成“空隙”接近理想的均匀分布，其中小粒子形成基体材料中的“空隙”。这特别是在微球体被利用作为小粒子的情况下。虽然该公开提到中空微球体，但显而易见的是本发明普遍适合小粒子。施加到由该新型复合材料制成的部件上的力通过小粒子和基体材料分布在整个复合材料上，在固化之前压缩基体材料和小粒子能有助于小粒子分布和从复合材料结构中除去裹入空气或气体。

作为实施例，本发明的复合材料可以具有一种微球体为大约40％-85％体积和基体材料(树脂)为大约15％-60％体积的组合物。该复合材料可任意包括其它组分。另外，更优选的是，本发明的复合材料可以具有一种中空微球体为大约69％-81％体积和基体材料为大约19％-31％体积的组合物。本发明的一种优选复合材料可具有微球体大约为75％体积和基体材料为大约25％体积的组合物。本发明的另一种新型复合材料具有大约3份中空微球体和1份树脂，并具有近粘土状或比萨饼生面团的稠度。本发明的另一种复合材料可具有一种微球体大约为25-88％体积和基体材料为大约12-75％体积的组合物。其他组分可被任意地加入该复合材料，例如，该树脂基体材料可包括添加剂、脱模剂、抑制剂、触变体(增稠剂)、以及引发剂(树脂固化催化剂)。另外补充的组分可包括，但并不限于此，例如，切断纤维，通过加入相同体积百分率量的切断纤维，其可降低微球体的体积百分率量。本发明的新型复合材料能够被用于多种广泛的用途，以及能够通过多种广泛的方法制造。

新型复合材料的各种组合物例子以组分的相对重量来描述，这是因为基础组分材料(基体材料和小粒子)的理想量通过衡量各组分易于从大批存储中得到，因此，对于任何给定组分，各组分的相对重量(小粒子和基体材料)可用于描述组合物。但是，组分的相对体积量(小粒子和基体材料)也可被用于描述组合物，这是因为基体材料中理想的小粒子紧密充填是依赖于组分的相对体积而不一定是它们的重量。

本发明的另一个例子包括从3M^TM和聚酯树脂而得的Scotchlite^TMK46玻璃泡，该复合材料包括复合材料重量的大约38％-41％的微球体和复合材料重量的大约72％-59％的聚酯树脂，微球体在复合材料中比树脂占据更大的体积空间，微球体和树脂的重量变化取决于这些组分的分子量，例如，微球体的重量百分比可比基体材料的重量百分比更大，并且反之亦然。在该例中的这些重量仅用于核心复合材料(基体材料加微球体)，而不包括任何附加组分，如侧面纤维(玻璃、芳酰胺、或碳纤维)。

该新型复合材料在材料性能上提供显著的改善，如显著降低复合材料的重量，同时提高一些材料性能强度。中空微球体在基体材料中的充填度提供了一种网状结构，以及由于切向压力沿所有方向上任意路径从一个微球体作用到下一个，该复合材料表现出显著的强度和其他性能。在一种制造该新型复合材料的工艺中，基体材料和微球体混合物被压制且过量基体材料通过一过滤器并被清除。微球体被保留在基体材料中并以随机高斯分布位置非常近地靠在一起以形成高充填度微球体。

另一种制造新型复合材料的工艺包括将小粒子和基体材料一起混合直到小粒子均匀分布在基体材料中。

本发明的技术也适合具有用基体材料封铸紧密充填小粒子的产品及其工艺，该小粒子例如微球体、玻璃/陶瓷球、或空心微珠。基体材料的例子包括，但不限于此，普通树脂、环氧树脂类、聚酯类、乙烯基酯类、酚醛树脂类、热塑性塑料、热固性塑料、聚氨酯、胶类、黏结剂、超级胶、Elmers^TM胶，以及其他黏结剂材料。该产品和工艺可包括附加的材料，例如，无限制，混合在基体材料中的材料、侧面材料、纤维、碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、层压材料及其他材料中。

本发明的技术也适合具有通过利用真空压力将基体材料注入容器内以容器内的基体材料封铸材料的产品及其工艺。例如，一种低水平(不高)真空压力可用于注入工艺。负压也可用于辅助基体材料注入容器。封铸材料的例子包括，但不限于此，砖、瓷砖、纤维品、纺织纤维品和无纺纤维品、碳纤维品、玻璃纤维品、布纤维品，及其他材料。基体材料的例子包括，但不限于此，普通树脂、环氧树脂类、聚酯类、乙烯基酯类、酚醛树脂类、热塑性塑料、热固性塑料、聚氨酯、胶类、黏结剂、超级胶、Elmers^TM胶，以及其他黏结剂材料。小粒子，例如，微球体或空心微珠，可以被封铸材料包住。

可以是想要的目的和优点，但不是实施本发明所必须需要的，从参考附图理解本发明和所附的权利要求可显而易见。

附图的简要说明

图1是具有根据本发明的复合材料的部件的横截面图。

图2是图1的一部分复合材料的放大透视图。

图3是用黑色染料染色和放大下，根据本发明的复合材料的彩色照片。

图4是用绿色染料染色和放大下，根据本发明的复合材料的彩色照片。

图5是用红色染料染色和放大下，根据本发明的复合材料的彩色照片。

图6是在玻璃片上放大的微球体的彩色照片。

图7是根据本发明具有一种复合材料的部件的简图。

图8是根据本发明具有一种复合材料的另一部件的透视图。

图9是根据本发明具有一种复合材料的另一部件的透视图。

图10是根据本发明具有一种复合材料的另一部件的横截面图。

图11是根据本发明用于制造一种复合材料的系统的简图。

发明详细说明

虽然本发明可以作成许多不同的形式，但是目前优选的实施例是本公开中所述和附图所示的。本公开举例说明本发明的原理而不限制本发明的范围，仅说明实施例。

一般地，本发明的复合材料包括一种基体材料和许多小粒子。该基体材料包括高密度的该小粒子，由于这种在基体材料中小粒子的高密度，该小粒子彼此位置非常靠近。邻近的小粒子甚至彼此接触。典型地，该复合材料包括的小粒子体积量比基体材料的体积量更大，例如，一种新型复合材料具有大约基体材料体积的两倍的小粒子。

本发明的一个优选实施例将提供一种具有复合材料芯(微球体和树脂)以及纤维位于芯的一侧或两侧的层结构。该层结构或夹芯结构能够具有任何所希望的形状，如平板形、棒形、或一种仿形形状。具有纤维侧面的该复合材料芯提供显著的强度和重量非常轻。

本发明的一种复合材料可具有大约40％-85％体积的微球体和大约15％-60％体积的基体材料(树脂)。该复合材料可任意包括其他组分。另外，更优选本发明的组合物具有大约69％-81％体积的中空微球体和大约19％-31％体积的基体材料。本发明的一种优选复合材料具有一种微球体为大约75％体积和基体材料为大约25％体积的组合物。本发明的另一新型复合材料具有大约3份中空微球体和大约1份树脂，以及具有近似于黏土或比萨生面团的稠度。本发明的另一复合材料可具有微球体为大约25％-88％体积和基体材料为大约12％-75％体积的一种组合物，其他组分可任意添加到复合材料中，例如，该树脂基体材料可包括添加剂、脱模剂、抑制剂、触变体(增稠剂)、以及引发剂(树脂固化催化剂)。此外附加组分可包括，但不限于此，例如，切短纤维，通过加入同样体积百分比量的的切短纤维，其将降低微球体的体积百分比量。

为方便起见，本公开通常指的是微球体或中空微球体，但是，应该理解的是本发明一般涉及小粒子并不限于微球体，本发明的小粒子可包括具有不同尺寸和不同形状的粒子，如球形、椭圆形、或其他形状。如果想要，该小粒子可以是中空、固体、或在里面含有其他材料、或外面被涂布。该小粒子优选非多孔；但是如果想要，也可以是多孔的。

附图中的图1表示一种根据本发明具有新的型芯复合材料12的新部件10，型芯复合材料12包括一种基体材料和许多中空微球体，微球体在基体材料中紧密地充填在基体材料内以致微球体在一起位置比较近。附加材料可以包括在复合材料12以内，或在复合材料12外表面上。该型芯复合材料12具有比基体材料体积量更大的微球体体积量，基体材料可以被微球体充满或几乎充满。

复合材料12在固化或硬化之前，可以被成型为任何想要的形状，而且如果想要，复合材料12能够在硬化之后机加工，因此，大量的各种产品可以由该新型复合材料12制成，在基体材料硬化以形成复合材料12之前，基体材料和微球体混合物可具有近似于例如黏土、薄烤饼糊、或生面团的稠度。未固化复合材料的稠度，即微球体和基体材料的相对量，将随不同的因素变化。例如，或多或少的微球体将加入复合材料以分别提高或降低固化材料的强度。类似地，可变化微球体和基体材料的量以得到最终的材料性能。也可以根据用于由复合材料制造产品的特定生产方法来调节未固化复合材料的黏度。例如，该未固化复合材料可具有较低的黏度用于注入成型和较高的黏度用于冷成型。另外，基体材料可以是粉末树脂形式或塑料或其他基体材料的粒料形式。

图1所示部件10具有由复合材料12所制的芯材14，以及在芯材14的顶面和底面上的侧面材料16。侧面材料16可以是芯材14的底面和顶面的一面、两面、或两面都不是。侧面材料16可位于结构里面而芯材14在任一面或围绕侧面材料16。任意地，侧面材料16可以是单层、交错层、多层、并可由一种类型的材料或各种材料制成。基体材料穿透入纤维侧面16以润湿纤维侧面材料16和将侧面材料16粘结到芯材14。基体材料和微球体穿透进侧面材料16在复合材料流体硬化成复合材料12之前发生。图1的部件10具有平板形状，并具有侧面材料16在芯材14的顶面和底面两面。结果，部件10具有一种“夹芯”形式。适合的侧面材料16的例子包括，但不限于此，碳纤维、玻璃纤维、单向纤维、绞经织物纤维、无光纤维、纤维编线、单向编织碳纤维编线、碳或其它毡、塑料、人造革、箔、金属、复合材料、热塑性塑料、热固性材料、树脂、陶瓷、乙烯基类、刚性材料、柔性材料、以及其它所希望的材料。

图2表示芯材14的复合材料12的放大部分。中空微球体11处于彼此互相接触的位置，即相邻的微球体11彼此触及，或只是互相稍微隔开。微球体11以高斯分布嵌套以致较小直径的微球体11充满较大直径微球体之间的区域，相邻微球体11处于互相比较近的位置并且一些甚至可以彼此接触，基体材料充满相邻微球体11之间的间隙区域并产生网状结构。彼此不接触的相邻微球体11，基体材料充满微球体11之间的空间量13，在微球体的优选分布中，大体上任何相邻微球体之间的给定距离小于最小微球体直径。

参考图1和2，复合材料12的基体材料可以是任何适于部件10的预定目的的基体材料，基体材料的例子包括，但不限于此，通用树脂、环氧树脂类、聚酯类、乙烯基酯类、酚醛树脂类、热塑性塑料、热固性塑料、聚氨酯、胶类、黏结剂、超级胶、Elmers^TM胶，以及其他粘结剂材料。通常，将基体材料和微球体在一起混合，可伴有其它任何添加组分，并固化或硬化成所希望的形状，在基体材料硬化之前，中空微球体紧靠在一起在基体材料中紧密充填，基体材料充满相邻微球体之间的空间，该基体材料可有效地变成被微球体充满或几乎充满以得到紧密充填。制造复合材料(基体材料和微球体)的例子在下面论述。基体材料的添加剂的例子包括，但不限于此，促进剂、增进剂、催化剂、脱气剂、以及交联剂。

可用于复合材料12或在复合材料12内可用的中空微球体在市场上可买到各种尺寸、材料和性能的，适用于本发明的一些现有中空微球体由3M^TM和Zeelan Industries，Inc.可得，商品名为3M^TMScotchlite^TM玻璃泡、3M^TM Scotchlite^TM玻璃泡浮法系列、3M^TMZ-Light^TMSpheres微球体、以及3M^TM Zeeospheres^TM微球体。任意地，微球体可被表面处理、涂布、或着色。在复合材料12中使用的微球体优选具有不同的尺寸(外径)，例如从大约15微米到大约120微米。中空微球体在外径上一般范围为大约1微米到350微米，并可以用于本发明，虽然其它直径和形状也可以使用在新型复合材料中，尺寸不同的微球体便于较小微球体充填较大微球体之间的间隙。因此而得微球体在基体材料中较大的充填度。当被混入基体材料时，微球体在它们彼此接触时充当小滚珠轴承，并因此趋于随机分布大和小直径微球体在彼此之间以使充填度最优化和使微球体之间的空隙最小化。能够买到各种壁厚的微球体，并且可测量它们的抗压碎强度在250-60,000psi的范围内。基体材料中微球体的充填度大约仍然同样与微球体抗压碎强度无关。微球体的其它例子可在市场上买到来自The PQCorporation的。

复合材料12可包括除了微球体和基体材料之外的附加组分，附加组分可包括，但不限于此，玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、切断纤维、增强纤维、长纤维、编线、用于开或闭的微孔产品的纤维、树脂、液体、固体、及任何其它合适的添加剂。通过实例，其它组分也可包括碳酸钙或硫酸钡作为一种填料，硬脂酸锌作为一种脱模剂、珍珠岩(绝缘材料)、脱气剂、发泡剂、导电材料、粉末金属、失蜡用于蛀洞冷却、管料、五金器具插件、以及表面插件(玻璃、胶合板等等)。

一种具有Polaroid数字照相系统的Nikon SMZ-U立体显微镜被用于根据本发明的复合材料实例照相和微球体单独照相。图3-6的照片是用Nikon和Polaroid照相及显微镜系统照的，由于高密度纤维光学照明用于具有Polaroid数字照相系统的Nikon SMZ-U立体显微镜，在复合材料的机加工表面上的眩光对于能够实际上看到表面过强。通过染色或着色该表面，该“眩光”显著地下降。

图3是一根据本发明的复合材料的彩色照片。此实例的复合材料包括透明的3M^TMScotchlite^TMK-46微球体和灰白色环氧树脂的作为基体材料，复合材料被染成黑色以表示基体材料和微球体的对比。

一种黑色Ritt^TM染料被使用在复合材料试样表面上并用丙酮擦拭干净，在用丙酮擦拭复合材料表面后，该染料留在表面的“凹坑”中以表示一些透明微球体的外部示踪，表面凹坑是破坏和碎裂的中空微球体，这由于是切下一片复合材料用于在立体显微镜下观察，表面凹坑在图3中放大很多，在观察图3时其产生一种印象，即凹坑(黑色染色区域)是比现在事实上大很多的空隙。微球体在基体材料中的充填度示于图3，两个微球体的尺寸被测量为41.889μm和26.538μm，而且，在图3中提供有500μm的参考线。

图4是根据本发明另一复合材料的彩色照片，该实例的复合材料包括3M^TMScotchlite^TMK-46玻璃微球体和聚酯树脂作为基体材料。

该复合材料被染成绿色以显示基体材料中的微球体，该样品使用的绿色染料是一种提纯染料，一种在375-400°F以上升华的热传递染料，该干染料被放在复合材料附近并被加热以蒸发染料，该染料接触并染色复合材料。显微镜的视野深度比较浅，在20微米以下，视野深度限制了使所有微球体对准焦点照相的能力，但是，清晰可见的较大微球体测量为大约27-37微米。在图4中也提供有500μm的参考线。虽然在图4的照片中不是很清晰可见，但是较小的微球体在基体材料中紧密充填在较大的可见微球体之间。

图5是根据本发明的另一复合材料的彩色照片，该实例的复合材料包括3M^TMScotchlite^TMK-46玻璃微球体和聚酯树脂作为基体材料。图5中的复合材料样品具有的组合物与图3和4中的复合材料样品的组合物相同。

该复合材料被染成红色并使用一种大放大率的显微镜以更清楚地显示微球体在基体材料中的紧密充填，在该样品中使用的红色染料是净化墨水。在图5中也提供有500μm的参考线。

图6是单独在玻璃片上放大的一微球体彩色照片。透明微球体撒在透明玻璃片上和置于显微镜中，一种黑色背景被用于帮助照亮微球体。

图7是具有外刚性结构20与中空内里的部件18的示意图。根据本发明，刚性结构20的内部，用复合材料充填以形成复合材料的芯材22，复合材料(微球体和基体材料)注入到外刚性结构20以形成芯材22。微球体在基体材料中紧密充填以致微球体位置紧靠在一起，例如，一些相邻微球体可以彼此接触以及其它相邻微球体相互稍微间隔开。

图7简略显示的部件18可具有由外部刚性结构20确定的任何所希望的形状，外部刚性结构20可开始由一种柔性材料形成，然后其变得更刚性一些。例如，一种柔性材料可用于外部结构20，其当复合材料芯材22硬化时变得更刚性。

根据本发明的另一部件实例示于图8，部件24具有刚性外管26和注入外管26内部的复合材料芯材28，复合材料芯材28包括基体材料和紧密充填在基体材料中的微球体。如同本发明所有的实施例，复合材料可包括其它组分，虽然部件24的刚性外管26具有圆形横截面，但是可具有任何所希望的横截面形状。

由具有基体材料和微球体的复合材料32制成的另一部件30示于图9中，部件30不包括类似图7所示的部件18的一种外部结构，而是，复合材料32可被成型为所希望的外形。部件30的外形也能够在其已经硬化之后通过重新修整基体材料来形成，例如，通过机加工。图9所示的矩形复合材料32仅是示范，且当然，复合材料能够用于得到任何所希望的形状，图9也表示短切纤维33作为复合材料32包括的任选添加剂的一个例子。

图10还表示具有该新型复合材料的部件34的另一实例，部件34具有支持板36连接到一材料层38上。支持板具有一层复合材料40和任选的侧面材料层，侧面材料层42、44可被提供在复合材料层40的相对面的一面、两面或一面也不是。支持板36被连接到材料层38与没有支持板36的材料层38相比，能够为部件34提供好处。例如，具有复合材料层40的支持板36为易碎或脆的材料提供增大的强度，如大理石、陶瓷、玻璃、石头及其它易碎材料。

复合材料的材料性能实例

本发明的复合材料具有高密度小粒子，如微球体，在基体材料中提供新的、引人注目的材料性能。而且，下面的复合材料实例包括一种复合材料芯材(基体材料和微球体)和纤维在芯材两侧面上的层结构。复合材料芯材具有在基体材料中紧密充填的微球体，该微球体紧密充填同时基体材料充填微球体之间的空隙空间为芯材提供了显著的三维强度。在复合材料侧面添加纤维进一步增加了强度。

复合材料的材料性能，其已被发现在现有复合材料和其它材料的材料性能之上极大地提高，包括，例如耐热传递性、或绝缘、强度对重量比、冲击和压缩性能、柔性模量(刚性)、比重和真密度、声学性能、导电性能、易机加工性、高抗冲击性、可连接性、以及无线电/微波屏蔽。该新型复合材料另外的显著性能包括耐化学和腐蚀性、可砂处理性、降低的介电常数、减小的翘曲和收缩、防水性、重量减小、硬度、以及耐磨性。本发明的这些材料性能也包括从未固化复合材料到模制部件(如汽车挡泥板、门和箱子)并然后固化模制件的能力。

试验样品

制造和试验各种新型复合材料样品板，该样品板具有复合材料(树脂和微球体)芯材和纤维在芯材两侧上的平面层结构(见图1)，试验结果提供如下表示复合材料结构具有引人注目的强度，所有Batches1-4中的样品具有5/16”的厚度，包括芯材和侧面纤维。微球体的比重范围为0.12-2.40，取决于具体的微球体。粘合剂树脂也包括添加剂为催化剂、抑制剂以及脱模剂。

在两个方向，水平和垂直方向测量该样品板的压缩强度，在水平位置测量样品板的水平压缩强度，即力被施加在垂直于样品板面上。在垂直位置测量样品板的垂直压缩强度，即，样品板直立着以及力被施加在平行于样品板面的样品端部。

所有Batch 1样品板包括聚酯树脂作为基体材料。

Batch 2，样品1-6，8，10，11和13包括聚酯树脂，以及7，9，12和14包括乙烯基酯树脂。所有Batch 2样品1-14包括PQCorp.SG陶瓷微球体、二甲苯涂布，Batch 2，样品1-8具有宽度为1”，以及样品9-14具有0.5”的宽度。

制造Batch 3和4中的所有样品1-14采用聚酯树脂作为基体材料和二甲苯涂布的PQ Corp.SG陶瓷微球体，Batch 3和4，样品1-6和8-14具有单层线性碳纤维侧面，以及样品7具有两层线性碳纤维在两侧面。面层彼此面对使样品7中的每两层碳纤维位于侧面。

耐热性

该新型复合材料表现出显著的耐热传递性能，一个由该复合材料制成的试验样品板进行热传递试验，该试验样品板的复合材料包括Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMScotchlite^TMK-46玻璃泡作为中空微球体，该试验样品板的壁厚为5/16”的复合材料。

手持一个出口温度约为758°F的手持吹干机靠近复合材料板的前面以持续时间间隔，以致板的前面达到约为758°F的温度，在板的后面(对面)没有显著的温度上升，复合材料板的后面大致保持在室温，并且摸上去舒服。

在基体材料中的高密度中空微球体提供一种接近完美的热绝缘体。通过隔绝在结构表面或附近的极端温度，该复合材料结构保护另外的脆性环氧树脂不会由于强热明显降解，这一点是重要的，因为大多数环氧类或树脂在曝露于长时间的高热如由手持吹干机产生的热时显著降解。优选酚醛树脂用于极端温度应用，高温和低温两方面，超过环氧树脂，并将提供比基于所试验的复合材料的环氧树脂样品更大的性能。

与复合材料试验板相比，没有微球体的相同环氧树脂以相同样式的板予以试验，仅有环氧树脂的该板变成橡胶状材料然后开始在该强热下相当迅速地化学分解。当有许多高温树脂被配制用于高温应用时，本发明的复合材料显著提高耐热传递性能，并且还降低了材料重量用于高温应用。

为进一步举例说明该复合材料的绝缘性能，样品卡拉夫瓶被制成具有大约1/2”的壁厚和1”Celotex^TM绝缘板试件被置于容器顶部上作为密封盖。该复合材料卡拉夫瓶包括Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMK46 Scotchlite^TM玻璃泡作为中空微球体。一个带盖的Thermos^TM瓶(具有壁间真空的双层铬壁瓶)被用于对比的目的以及一个第三种塑料容器被用作一种对照物，特别是一种高密度聚乙烯(HDPE)容器。

每个容器装入8盎司154°F的水。容器在大约70°F的环境温度和装入水之前不预热。一种数字温度计被用于所有容器中的水温读数，温度读数经过3-1/2小时的时间周期而被周期性地进行。该复合材料卡拉夫瓶，当与Thermos^TM瓶相比同样操作时，即具有相同的温度下降，当与较厚壁的复合材料卡拉夫瓶相比时，薄壁Thermos^TM瓶引起较小的温度下降。下面的温度数据和图表表示三个容器的水温降低试验的对比结果。

新型复合材料耐热传递性能显著的另一个实例，将样品复合材料保持在非常低温度下的进行液氮实验，新型复合材料容器样品作成厚度为3”。该复合材料容器含有Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMK1玻璃球作为中空微球体。约为-328°F的液氮被放入复合材料容器内，在8小时的时间周期测量液氮温度，一个温度探头设置在复合材料容器的外底面用于8小时的实验周期。温度探头允许双探头监测和观察到70°F的环境室温(加或减4°F)，容器的外底面也含有一个探头，在8小时的实验期间，里面和外面容器探头的温度差异没有变化，而且，液氮仍然存在于容器中，其保持在固定的温度-328°F，引人注目地，由于复合材料容器绝缘，外面容器探头的温度没有降低。

被认为微球体多的复合材料将不会助燃并且当火焰施加到材料上和然后移开时自熄。

强度对重量比

新型复合材料也表现出引人注目的强度对重量比性能，其意味着该复合材料具有高的强度和低的重量，具有基体材料与高密度微球体的复合材料结构能够提高强度对重量比性能。

在使用碳纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维、天然或其它高强度材料以制造一种产品部件中，基本方法是将许多预织树脂浸渍材料层铺在模具或模型上，模具被关闭、夹紧，并在一蒸压器内加热。在预浸渍材料的例子中，各层在蒸压器中经受大约75-psi的压力。一聚酯树脂制件被热活化(一般200°F以上)以及该部件被保持一段时间以排出夹入的空气并固化该部件，这个工序慢并且该蒸压器非常昂贵，对于大多数为达到刚性和抗冲击性的应用(如，卡车外壳或机体座)需要许多布层或高充填的任意纤维加入基体材料中以制造该部件，，如SMC(片状模塑料)。此几层或高充填树脂化合物的最终夹芯材料致使当与由具有紧密充填的微球体混入基体材料中的新型复合材料制成的同样生产制品相比时，制件重量比较重。当允许新型复合材料的微球体渗入纺织纤维织品时，由于纯树脂被较轻的微球体代替，制件的最终重量进一步降低。这也有助于稳定在基体材料内的纤维排列以便当受到外应力时，有可能侧面负载和相邻纤维内偏转较小。

用于使卡车底座倾斜的一种压铸铝座升降臂(每个底座两个升降臂，每个在一端绕一插入升降臂孔中的轴销回转)被加倍，利用新复合夹芯材料和省去大约制件总重的68％，具有显著的强度增长(高于升降臂要求强度大约550％)超过其铝对应物。复合材料底座升降臂包括Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMK46Scotchlite^TM玻璃泡作为中空微球体。该复合材料升降臂在两侧具有90°纤维取向的商品级交叉纺织碳纤维和46K碳纤维。被认为在基体材料中高密度微球体作为球形空隙在基体材料中产生接近完美的网状结构。该网状结构远远超过铝、钛、或非铁对应物的蜂窝板。新型复合材料的压缩强度被认为产生自基体材料与高密度充填微球体的网状结构，而不是只来自微球体压碎强度，因此，可以希望利用最轻的微球体使最终的结构强度对重量比性能最大化。

当复合材料在侧面受力负荷时，新型复合材料显著的强度特别大，参考图1，侧面负荷是垂直于拉伸片材施加力，即该力施加到表示横截面的复合材料侧面上，而不是施加到侧面层16的表面上。复合材料芯材14作为侧面纤维层16之间的隔层，复合材料芯材14在生产工艺期间充满(浸湿)侧面纤维层16，复合材料芯材14，其渗入纤维之间的侧面材料16，锁定纤维在那里取向(如线性取向)，并且当受力时保护纤维束中的每根纤维以抗摩擦和破坏。

冲击和压缩性能

该新型复合材料也表现出显著的冲击和压缩性能，制造几个具有46K线性碳纤维的5/16”厚的复合材料杆样品，该复合材料包括AOC聚酯E-920树脂作为基体材料与PQ-SG硅烷涂布陶瓷微球体，，以及侧面碳纤维层提供在样品的两侧面。以重量计，芯材包括48％的微球体和52％的树脂，该杆的实验结果显示无缺口IZOD冲击值26；弯曲强度为27,790；弯曲模量4,851,000，以及压缩强度15,690。

另一复合材料板样品被制造为钻有通孔和用3/8”螺栓固定到2-1/2”角铁的角撑架上，复合材料芯材包括39％重量的3M^TMK-46微球体和61％重量的树脂，侧面纤维是附加，样品板在台钳中被紧密夹紧，大约2-1/2”角铁向外延伸作为手柄。全部机体压力产生在角铁手柄上试图破坏螺栓固定的结构，该复合材料保持完整和不破裂，而且，3/8”夹紧螺栓在大约过去6个月期间没有松，证明新型复合材料极高的压缩性能。

应该注意，传统的蜂窝板非常难于连接或夹紧到其它结构上，由于蜂窝材料在夹芯结构内明显隔开，当夹紧到另外的结构时，现有蜂窝板有易于压缩的趋向，并将进一步超时压缩，其导致夹紧装置变松，将支持嵌件加入现有蜂窝结构以试图提高压碎强度，但是，这显著增加了蜂窝板的成本和难于用具有支持嵌件的蜂窝板替换更新无嵌件蜂窝板。用新型复合材料制成的板不贵，不需要支持嵌件，并且易于使用，如通过铆接、螺栓固定或胶接安装由复合材料制成的地板。

将一个新型复合材料“夹芯材料”件嵌入台钳并且用强力上紧台钳没有压碎复合材料，复合材料也没有像现有复合材料如预料的一样破碎。该复合材料包括Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMK46 Scotchlite^TM玻璃泡作为中空微球体，以及46K线性侧面碳纤维层提供在样品的两侧面。该复合材料芯材包括39％重量的3M^TMK-46微球体和61％重量的树脂。另外，用铁锤强力冲击同样的新型复合材料板将不会显著影响结构，这样的性能大多罕见于复合材料，因为它们在被冲击、用螺栓固定到其它结构、或在没有含有特殊调节结构时强力压缩的时候常严重损坏，此外，该新型复合材料能够易于利用传统的木工行业设备包括打磨、钻孔和切割进行机加工。

弯曲模量(刚性)

该新型复合材料也表现出显著的弯曲模量(刚性)性能，托板是产品的一个实例，其表现出由新型复合材料提供的显著增强刚度，现有托板已经利用塑料生产，但是，塑料托板已经包含附加的增强材料用于重载应用，一种现有托板包括正方形的壁厚1/8”铝管(1”×1”×40”)作为增强嵌件以满足政府 & 食品杂货市场规范。每个托板需要5个铝管，其累加重量约为9.6磅，一种工业要求是当2,800磅的均匀重量载荷分布在40”×48”的塑料托板上时，增强铝杆必须在中点不超过1/2”的挠曲，沿着其两条48”边支撑该托板并且不允许在10天后超过1/2”的挠曲。托板经受包括热、冷和潮湿的环境变化。

用该新型复合材料制造的杆已经制成并满足上面提到的挠曲要求，该杆包括一种具有48％重量PQ陶瓷微球体和52％重量树脂以及侧面具有46K线性碳纤维的复合材料芯材，该新型复合材料杆完成刚度要求，比铝总重减少约为6.83磅(减少75.6％)和比钢减少约为25.8磅(减少92.14％)，并且与铝相比成本显著减少。

比重

该新型复合材料也表现出显著的比重性能。利用3M^TMScotchlite玻璃泡#K46和Ciba#8601树脂基体材料以及46K侧面纤维层在两侧制造一种新型复合材料试 样，该#K463M^TMScotchlite玻璃泡微球体具有真密度为0.46(g/cc)。该树脂和纤维层两者都具有明显在1.0以上的比重，可是，该复合材料试样实际上浮在水里并且估计比重为大约0.80。一般地，该新型复合材料可具有比重约为0.38-2.2，以及优选小于1.0，如果使用较厚密的芯材料，比重可超过1.0。

具有Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMK1中空微球体的本发明的一种复合材料试样比重为0.38，该复合材料包括大约25％体积的树脂和大约75％体积的微球体，加入线性24K碳纤维织物在矩形复合材料芯材的两侧面上，依赖芯材厚度将比重增加约为0.71。

声学

该新型复合材料也表现出显著的声学性能，制造一种1/2”厚的新型复合材料板并试验隔音性，该复合材料样品板包括Ciba双组分环氧树脂#8601作为基体材料与3M^TMK1中空微球体，该复合材料包括约为85％重量的树脂和约为15％重量的微球体，K1球的比重为0.125。通过将样板对着扬声器出口放置封闭Bose Acoutic Wave^TM小型扬声器声音出口试验该复合材料试样板，将一种去耦声学发泡隔膜沿着该扬声器的侧面放置以阻挡侧面噪音。打开扬声器并观察到声音减小，该复合材料试样显著降低声音输出量，包括最困难的低频低音。

该新型复合材料的隔音性能和高强度提供待用于居住和商业建筑的复合材料，例如，壁板(如4’×8’或4’×10’壁板)可由能够用于居住和商业建筑的内墙和外墙两者的复合材料制造，该复合材料墙壁将提供超过铝或乙烯基壁板、石头或砖、以及绝缘建筑材料的优点。而且，在湿度高的气候中，许多墙壁覆盖材料，包括粉饰灰泥，在夹入湿气或水进入墙壁之间时严重降解。由新型复合材料构造的墙壁将不透过事实上所有外界的成分，包括湿气。

导电性

通过在材料中包含碳纤维，该新型复合材料也能够表现出显著的导电性，制造一种包括碳纤维的新型复合材料试样，并且将电流施加到试样上。以重量计，该芯材包括39％的3M^TMK-46微球体和61％的树脂，碳纤维46K在芯材的侧面，一电源被连接到夹芯复合材料试样的一侧上，具体地是到碳纤维上，以及该复合材料试样的温度加热到非常适宜使试样没有表观损害。被均匀加热到高温的该复合材料板试样，其触摸后灼伤，少于一秒。该导电碳纤维用作发热源，同时基体材料和微球体芯材是电绝缘的，除了碳纤维之外的导电材料也可以使用。

具有导电添加剂如碳纤维的复合材料，能够被用于在一种控制方式中发热和均匀加热所需要的表面，例如，整个墙壁或其它表面可通过使用该复合材料被加热，一种变压器或其它电控制装置能够被用于调整施加到该复合材料上的电流量，并因此调整该复合材料的发热量。

与传统的气体强迫空气(gas forced air)、电护壁板、热水散热器和丙烷加热相比，利用该复合材料构造的墙壁加热房间将是一种对于房间加热的突破，这种利用该复合材料的房间加热结构也为军队、娱乐、永久或临时掩蔽地和其它掩蔽地提供巨大的潜力，其它应用可包括，但不限于此，例如，外科或内科加热桌、救护车担架，及其它医学检查设备如女性乳房X光照片设备，当遇到冷表面时病人体验不舒服是不必要的，并且通过使用新型复合材料能够有可能消除。

红外线频率和传导屏蔽

该新型复合材料对于电磁干扰/无线电频率干扰(EMI/RFI)也表现出显著的红外线频率和传导屏蔽性能，通过在该新型复合材料制造的板的表面或里面上提供铜粉或一种等效材料，板能够专门屏蔽内部和外部两者的传导波，红外线和传导屏蔽的应用实例可包括军队应用、军队野外车辆、飞机、船舶和屏蔽个人不受红外线探测，该复合材料能够被用于避免来自人造卫星或其它监测技术的传导检测。

可成型性

该新型复合材料的另一个性能是可成型性，该复合材料能够在基体材料硬化之前易于成型为所希望的形状，而且，在基体材料固化后，该刚性复合材料能够被易于成型为所希望的形状，例如通过切割、砍削、机加工、打磨、模塑和冲切。

制造该复合材料方法的实施例

各种方法能够被用于制造本发明的新型复合材料，能够被利用来制造该复合材料的几种方法在下面描述。例如，这些生产方法能够被用于制造复合材料板或成型制件，如高尔夫球棒驱动器头。

混合和模塑

制造新型复合材料方法的一个实施例是将未固化复合材料混合，将混合的复合材料模塑成一种所希望的形状，并然后固化该模塑复合材料。将小粒子，如中空微球体与基体材料混合以得到一种密度理想的微球体，以及一种稠度理想的材料，例如，充分的微球体能够完全与基体材料混合以得到类粘土状的未固化混合物，如果愿意，其它组分能够被混入混合物中。

该未固化复合材料混合物被模塑或用其它方法成型为所希望的形状，当然，能够使用模具以得到专门想要的形状，如果希望，在模塑工艺期间，可以施加热，粘土状未固化复合材料甚至能够用手自由成型为所希望的形状，侧面材料或其它组分能够被任意加入基体材料/微球体混合物中，模塑复合材料中的基体材料然后被固化以形成一种刚性模塑产品，复合材料的固化能够通过各种方法完成，其取决于所使用的基体材料。例如，该复合材料能够通过热、固化剂、光或者微波被固化。

一种混合和模塑工艺被用于制造复合材料试样板。该试样板具有平面的、常规正方形或矩形。将中空微球体与汽车级聚酯、酚或乙烯基酯树脂混合以使微球体充满树脂以形成粘土状未固化复合材料混合物芯材，该粘土状复合材料混合物芯材在一种片状模塑料(SMC)液力板式压机中弄平成为一种平面、薄板状的板形，并然后将变平的芯材从压机取出，干燥的碳纤维绞经织物被施加到复合材料芯材的两个侧表面，任选地，过滤纸(咖啡型过滤纸)加在纤维/芯材/纤维夹芯型结构的两侧面上，并且密封在全部四个边以形成一种包住纤维/芯材/纤维结构的密封过滤包，一种合适的过滤纸通过DexterManufacturing制造并被称为Grade 11697 Filter Paper。该包装结构被嵌入液压机，加热压机，以及该板压机压缩该包装结构大约3分钟，在压缩固化该热固性树脂期间施加热，紧接着打开压机，看到该复合材料试样板具有完全浸润侧面纤维织物，以及清晰可见微球体通过透明过滤纸的迹象，该复合材料试样板被压和固化大约21/2到3分钟，与需要8-24小时来固化和附加2-6小时后固化的缓慢固化树脂模塑相比，这是显然快速的生产时间。用本发明的复合材料迅速生产产品的能力提供显著的优点，如高速生产连续片材生产线和降低生产成本。

任选的过滤纸用来在压缩期间容纳未固化复合材料，可是，不需要过滤纸。例如，具有一个模腔的一模具能够被用于在压缩期间容纳复合材料，而且，已经制造一种没有过滤纸的复合材料样品板并替代为利用玻璃纤维毡覆面织物或棉覆面层在线性或绞经织物的背面。

另外的复合材料试样板(具有碳在侧面的未固化粘土状复合材料)在压机中被成型为厚5/16”的板，在压机压制期间没有施加热，该未固化试样板被从压机中取出并使其固化一夜成为最终试样板，这证明该新型复合材料能够被冷成型，而且，便宜的压机和模具能够被用于迅速制造复合材料产品(压机或模具循环时间约为10-15秒)。干燥或微波炉能够被用于迅速固化压机或模具外面的该复合材料产品，其不用压机和模具以成型更多复合材料产品。而且，能够将该复合材料与柔性材料结合，如地毯、乙烯基、和人造革，待预成型为所希望的形状，并然后固化以在固化后呈现所希望的形状。

反应釜

一种制造该新型复合材料方法的例子是通过利用具有一模具在密封真空腔中的反应釜，该模具受到真空压力以及具有基体材料和微球体的该流体复合材料覆盖模具的入口形成一种流体密封，该流体复合材料利用模具里面和该流体复合材料外面之间的压力差被注入模具，该模具里面的复合材料被固化或硬化并然后从模具取出模制件，在将流体复合材料注入模具之前和期间，模具保持从漏洞密封，在适当的时候，真空腔中的真空可以被解除，如复合材料注入模具后或注入之前，只要模具没有里面的气体漏洞。

使用一种封闭真空腔或端部封闭商业级管，例如，能够被利用来产生注入型腔闭合模具所需的必要的负真空压力，例如一种塑料或硅模具，已经令人惊奇地发现将新型复合材料，其具有基体材料如环氧树脂、热固性材料、或聚酯，在减压之前注入密闭真空腔，作为一种在模具入口上的流体密封，将导致这些流体将微球体以及任何添加剂，如玻璃纤维、碳纤维、玻璃纤维或碳纤维毡，完全注入模具以实际消除所有夹入的气体。这得到一种最终产品，其反映模具表面和消除传统模塑斑点、圆形疤和产品表面缺陷。

该复合材料甚至能被用于制造模具，该模具然后被用于生产制件。典型地，待成型的大多数产品需要预先模具成本大和生产延时，由于过度需求高质量塑料或金属模具模头，该新型复合材料能够被用于有效和迅速地生产低成本注塑塑料模具(例如塑料芯/腔容器)，其可被任意处置，如果愿意，该复合材料模具里面能够被涂布Telflon^TM或用其它合适的材料涂布，并且能够易于放置在多腔加料盘用于自动化注入流体复合材料和后固化操作，这种制造复合材料的方法被特别希望用于那些制件，其要求精确公差、可重复一类表面的，以及具有芯材如泡沫材料。

图11简略表示一个用于制造新型复合材料的系统46和工艺的实例，系统46和生产工艺将利用通过封装瓷砖生产板的方法来描述，但是系统46和工艺能够被用于生产具有该新型复合材料的其它产品，利用系统46和生产工艺制造的板包括一层在平面内但是交错的瓷砖和几层纤维织造布(例如碳纤维或玻璃纤维)。其两者都通过具有微球体的树脂如环氧树脂封装。

制造封装板的工艺包括将一层瓷砖和几层纤维织造布放在柔性容器48的里面，该柔性容器或包48是顶部开放和在剩下的三个侧边气密封闭。该具有陶瓷板和几层纤维制品的柔性容器48被容纳在压力容器50内，端部开放的容器48是两个平面端部板52在侧面和一个容纳在压力容器50内的膨胀囊54靠近平面端部板52之一，膨胀囊54被充气膨胀靠在一个平面端部板52以在柔性容器48和瓷砖和纤维制品层的“夹芯材料”上产生压力。

一种不锈钢真空罐56装有压力容器50并被连接到一个计算机控制的真空系统58，流体复合材料60(具有微球体的环氧树脂基体材料)被由真空罐56外面的储器62提供到容纳在真空罐56内的另一个储器64。

驱动计算机控制真空系统58以通过从真空罐56除去气体分子使真空罐56成真空。柔性容器48及其内容物经受真空，因为柔性容器48和压力容器50对真空罐56开放。容纳在储器64内的流体复合材料66也经受真空和可以被部分除气。真空泵系统58在真空罐56中产生约为0或+1torr程度的真空，例如约为0或+1torr的真空水平能够通过利用低真空泵68产生。而且如果愿意，能够使用一个分子泵70，一个控制系统72控制抽气工艺，施加真空大约30分钟以内的时间周期。

真空抽气系统58不需要在真空罐56内产生足以使内容物显著除气的强真空，该内容物在真空罐内，包括柔性容器48、陶瓷板和柔性容器48内的纤维制品层，以及储器64内的复合材料。

真空罐56及其内容物经受真空后，流体复合材料66从储器64流到柔性容器48的开口顶部和密封柔性容器48关闭成一种气密封闭。真空系统58被关掉和使真空罐56回到大气压，一压差产生在储器64中的复合材料66和柔性容器48之间，该压差迫使复合材料66进入柔性容器48以封装陶瓷板和纤维制品层。当迫使复合材料66进入柔性容器48时，柔性容器48保持气密密封以防止任何气体分子进入柔性容器48里面，储器64必须含有过量复合材料66以便柔性容器48的开口端部和复合材料66之间的密封不破坏。

柔性容器48是透明的以便复合材料66进入柔性容器48能够被监视。柔性容器48被完全充填复合材料66后，使封装板硬化。膨胀囊54被放气以及将该封装板从柔性容器48取出，在复合材料注入之前和之后，估计柔性囊54将在柔性容器48及其内容物上产生约为10-30psi的压力。

当制造板时，在系统46中使用的真空强度和持续时间不足以引起容器48里面纤维制品内的被吸收和化学吸附的原子和气体从纤维制品大体上挥发。使柔性容器48里面的纤维制品除气到致使被吸收和化学吸附的原子和气体从纤维制品挥发的程度将导致这些板性能降低。如果纤维制品通过除去被吸收和化学吸附的原子和气体被脱气，环氧树脂基体材料和纤维制品之间的结合变得过强。这种强结合将导致产生一种易碎板，当被发射体冲击时，其易于破碎。一种在环氧树脂基体材料和纤维制品之间弱几分的结合是适合用于这些板以避免脆性和增加有效抵抗冲撞攻击性。由系统46及其生产方法制造的板是强的还有几分“宽容”以提供抵抗冲撞攻击的有效保护，当然，可以变化系统46和生产参数用于其它应用。

为制造板，理想的是封装系统46和工艺在复合材料66注入柔性容器48内期间保持气密密封，如果没有在柔性容器48内保持气密密封，气体分子可进入柔性容器48和损害该板。例如，一种气体漏洞可减少进入柔性容器48以形成该板的复合材料66的量，并且可危害产生在环氧树脂基体材料、陶瓷板和纤维制品层之间的结合。显而易见，一种被损害的板可导致防护抵抗来自冲击发射体的损害的能力降低。

系统46和生产工艺能够提供一种低成本生产方法，其用于封装陶瓷板和/或砖在整块基体中，其可包括瓷砖、基材和碎片防护用于弹道保护免受小的武器攻击，例如，板可被设计成包括易于整合成为现有系统和结构如车辆、战术庇护处及人员外衣。与现有冲击结构材料相比，该板可表现出显著的重量减少。此外，系统46和生产方法可提供低成本生产，其将使单生产步骤制造大型盔甲成为可能。最后该工艺能够导致单一浇铸复合材料汽车底盘结构，车体热控制系统的隐身应用和车总重降低。

新系统46和生产方法提供超过现有冲击材料生产方法的显著优点。需要结构材料用于在各种威胁下提高冲击性能已经正在增加。今天的典型结构包括用外半固化片碎片层机械胶合到小型正方形排列的冲击瓷砖封装瓷砖。该排列背靠很多涂有水泥的半固化片附加层，以及各种方法被用于将该封装安装在车辆上。几个问题可伴随该工艺产生，包括1)湿手叠铺；2)半固化片、蜂窝或其它底板以及瓷砖层之间的结合弱；3)生产工艺昂贵；4)相邻瓷砖之间的侧面损害；5)场地瓷砖更换；以及6)与场地障碍物如树木、车辆和栅栏碰撞导致车辆中灾难性防具失效，必须非现场维修。新系统46和封装工艺可对付这些问题，但是，不要求实行本发明。

新封装工艺是一种干叠铺工艺，其允许各种基体化学组合物、纤维直径和取向(包括单向纤维)、注射内容和纤维长度。纤维可以采用一种“人造的”形式、工程的、或与其它材料混合的，如陶瓷板或粉料，用于最高的性能。盲机器嵌件能够被加入板设计中用于安装到所有类型和种类的车辆、飞机或船舶。

压片工艺

制造新型复合材料方法的另一个实例是利用一种压片工艺，新型复合材料板能够通过压片工艺被连续生产或分批生产，压片工艺的优点包括一种低成本生产方法和生产具有该复合材料的最终产品的能力。

一种制造复合材料板的压片工艺包括下面的步骤。

1.将陶瓷或玻璃微球体预混入基体材料中达到一种薄烤饼糊稠度以成型该流体复合材料。

2.一种盘，近似于一种饼干片，能够被用于盛装各组分来制造板或具有所希望形状的其它模式。用于制造复合材料板的一种盘尺寸为6”宽×50”长×11/4”深。在盘中铺设一种HDPE(高密度聚乙烯)制造的厚度为24mil的柔性薄膜(尺寸24”×58”)作为衬里以便使流体复合材料和纤维可能被加入。

3.一种过滤纸片材被放在柔性薄膜内衬的顶部，使浸渍热活性胶的侧面朝上。应该这样选择过滤纸以便流体复合材料能够通过过滤器，同时微球体和其它固体添加剂被阻止通过过滤器，例如该过滤器应该具有比微球体尺寸更小的孔尺寸，但是足够大以使基体材料能通过过滤器。该内衬尺寸比盘和过滤器大得足以在盘中的组分顶部上折叠内衬以形成包裹。

任选使用过滤纸，例如具有几层内衬面层的碳纤维品能够被使用，这些面层由棉或无纺玻璃纤维垫制成。

4.织造布(例如玻璃纤维、碳纤维、玻璃垫、或其它高强度芳族聚酰胺型材料)或者其它材料能够被直接放在盘中下层过滤纸上面。这些材料可为最终产品提供增大的强度或者其它所希望的性能。如果具有内衬面层的碳纤维制品被采用，该纤维制品能够被放在薄膜内衬上代替过滤纸。

5.将基体材料与微球体和任何其它所希望的组分混合以成型该流体复合材料，例如，能够人工或者计算机控制该复合材料混合。该流体复合材料然后被灌注或者均匀分配在盘中，以及在第4步骤中提到的材料，如果有的话。可以加入额外的增稠剂和其它树脂改性剂用于专门增强产品。

6.在第4步骤中提到的材料也能够被放在流体复合材料上面，例如一种匹配底面纤维的备份材料然后被放在流体复合材料上。为防止顶层纤维材料陷入流体复合材料，一种等尺寸分离过滤纸被热密封到纤维层上面，或者可使用一种具有内衬面层的碳纤维制品。该过滤纸的孔隙率小于微球体平均直径，并且当组件被夹紧时，将只允许流体基体材料通过，这也增加了微球体在基体材料中的密度和减小了产品重量。在大多数应用中，重量减少和强度增加是所希望的特性。

7.在过滤纸袋或者内衬面层上面或下面，提供一种栅板(形状类似于那些使用在普通办公室头顶灯固定物)或者间隔装置，其具有基体材料接收空隙，当压力施加到夹芯材料包裹顶部或底部时，将使过量基体材料流进空隙。

8.柔性内衬然后被折叠在铺设的组分上面和在边缘密封形成密封包裹。

9.一压力板然后被嵌套在盘和包装组件上面并夹紧，该夹紧组件能够被旋转90°到一个垂直方向或者所希望的这点之后的任何其它取向。

10.该夹紧包裹被放在压力涂布机里，如具有一膨胀囊的尺寸稍微大一些的压力室，以及将压力施加到压力板上。将过量基体材料通过过滤纸或面层内衬从流体复合材料中清除，以及该复合材料中的微球体密度增加。施加渐增的压力以便不造成过滤器的侧面破裂或爆裂。施加到组件的压力可以被监视和控制以保证适当的微球体压缩、紧密，以及除去过量基体材料，同时避免过滤纸和密封内衬破裂。由于过量基体材料通过过滤纸，该基体材料可进入栅板或间隔装置中的空隙。例如，大约10-20psi的压力被用于压缩该包裹，迫使基体材料出来通过该过滤器或面层内衬，以及迫使微球体紧靠在一起。在根据特别的应用需要时，可以使用其它压力，甚至低于10psi，如具有合模压力的手动压力，已经被用于模塑该新型复合材料。这些低模塑压力明显小于模塑SMC或者其它压塑技术通常使用的模塑压力(如1000-1200psi)。

11.压缩包裹中的基体材料被固化或硬化，以及然后包裹被拆开以生产新型复合材料。

12.如果需要，组装好的包装能够在基体材料固化之前被移开。例如在压缩之前和/或期间，未固化流体复合材料可通过应用真空被除气，真空水平能够被调节以除去所希望量的气体，如可施加一般的真空以使夹入气体极小化或一种分子泵能够用于在更大的程度除气。另外，微球体可能置换别的方式夹入的气体，并且如果没有障碍的气体出口路径被设计到产品设计中，那么气体出口路径能使气体可能逃逸。压缩有助于除去夹入的气体。

应该注意到夹入的气体对于现有复合材料生产是一种前进中的问题，包括SMC模塑，不管真空辅助装置。反应树脂或者聚合物被认为在其固化或反应过程期间产生气体。

管制造

制造新型复合材料方法的另一个实例是通过利用一种管制造工艺。该管制造工艺包括将预混流体复合材料注入管中。基体材料、微球体，以及其它组分，如果需要，被混合在一起以形成预混流体复合材料。将微球体以高密度混合进基体材料，而且，增强材料、模芯嵌件、或者其它嵌件能够在流体复合材料注入之前被放在管里面。管里面的复合材料被固化或硬化以形成模制产品。

图8表示一个根据管制造工艺制造的装置24的实施例，流体复合材料被注入刚性外管26中和硬化以成型复合材料芯材28。

虽然高密度包装微球体能够通过在注入之前将微球体预混进基体材料得到，然而紧密包装微球体能够被进一步增加。一个或更多开口能够被提供在管中以及开口用过滤纸覆盖，类似于上述的压片过程。当流体复合材料被注入管中时，过量基体材料将通过过滤纸并离开该管。通过迫使过量基体材料出来同时保持微球体在管里面，管中的微球体将以更高的密度充填到基体材料中。通过将流体复合材料注入其它容器或模具、甚至柔性或非柔性容器或模具，也能够使用管制造工艺。

通过管制造工艺的实施例，制造试样，其使用注入了预混复合材料的各种塑料管。管试样包含各种预织造金属、传统的绳或线(合成或天然)以及线性连续碳纤维束的增强材料。该复合材料包括61％重量的Ciba 8601树脂和39％重量的3M^TMK46球。

复合材料内衬

具有新型复合材料的产品制造方法的另一个实施例是利用复合材料作为另一种材料的内衬，汽车的车体板、飞机驾驶舱、尾舱门、车内硬装饰、复合材料表面、车内装饰和其它表面可以用该新型复合材料内衬。各种结构能够用该新型复合材料加强以减小重量和增强其它性能，如强度。降低重量同时保持强度在汽车应用中是所希望的，另外，“A”级表面能够通过将薄膜贴花(appliqués)使用到复合材料内衬表面获得。

该新型复合材料能够在过滤纸或者具有内衬面层的纤维制品之间被压缩-类似于上述压片工艺-以减小基体材料体积和增加微球体密度以便形成一种稠度与粘土大约相同的未固化复合材料。然后这种柔性夹芯材料能够被放在两片热塑性塑料层之间，如果愿意，热塑性塑料层直接靠在过滤纸上，一种压模或真空辅助模具，例如，将关闭、压缩和成型组件为所希望的形状。复合材料内芯被固化。在模塑工艺期间，该复合材料被接合到热塑性塑料层，以及制造出一种具有所希望形状的产品。

各种最终产品能够通过具有新型复合材料的内衬材料制造，例如，用于汽车用途的具有一级表面的材料层能够被用新型复合材料内衬以形成一种新一级表面板。

复合材料应用的实施例

本发明的新型复合材料技术可以有无尽的用途和应用，通过阅读该公开的其它部分，可显而易见该新型复合材料的实施例应用。但是，以下的应用进一步例证该新型复合材料的用途。该新型复合材料技术的以下应用仅仅是该复合材料用途的实施例以说明各种潜在用途。本复合材料发明不予以限制为仅仅是这些应用实施例，本发明人期待该复合材料技术能够被用在这些实施例和其它领域，现在已知的和未知的。

许多产品能够利用这种复合材料技术，例如温室、冰箱、热水器、房屋和建筑结构、野营可移动房屋、飞机结构和军事应用，该新型复合材料技术应用的另外实施例包括航天空间、船舶、汽车、汽车车体结构、夹板、船体、船坞、甲板、墙壁、娱乐产品、雪板、公路隔音板、池桌、以及雪橇，绝热体和绝热层是该新型复合材料的进一步应用，如低温储槽。

片材型制品生产

由片材和板材生产制件是该新型复合材料的另一种应用，例如，板材或片材能够被制造为具有一种复合材料芯材，其在侧面使用连续生产线上的各种高强度材料，与传统的壁板生产相同。许多汽车或工业模铸制件，包括铝制件，能够易于由这种片材被冲切和然后被机加工成目标规格制件，该新片材板也能够被切成所希望的宽度和切成适当的长度。而且，该新型复合材料板能够任意由一种挤塑线挤出和割、切或机加工。

板弹簧和扭力杆

板弹簧和扭力杆是新型复合材料另外的应用，并且能够被构造为类似于图1所示的部件10。复合材料板弹簧和扭力杆能够被用于各种工业，例如，包括汽车、越野车辆、卡车、公共汽车和摩托车。该新型复合材料板弹簧和扭力杆重量轻和具有极好的记忆功能，即在一偏负荷从该复合材料被除去后，它们回到其初始位置，优选地，该板弹簧被构造和定位成使它们侧面负载(图1中一个力垂直于页面施加)，以及侧面纤维16在纵向边缘上垂直。新型复合材料弹簧的这个位置大大增强了该材料的刚度性能，因为当侧面负载与侧面平面上的顶部负载相比时，纤维通过球体和树脂被充填和稳定以增加弯曲模量。使在垂直位置纤维固定和排成直线提供了超级弹簧、减震器以及振动缓冲装置。

当一个力被施加到微球体时，玻璃微球体能够弹性变形。因此，具有玻璃微球体的本发明复合材料当放置在一个载荷下时，能够表现出有益的弹性变形。

灭火

灭火产品是该新型复合材料的另一种应用，重量较轻的消防队员钢盔和保护用具能够利用该新型复合材料被制造，特别是一种薄壁复合材料层。另外，能够用该新型复合材料制造的梯子代替铝梯。该新型复合材料梯子提供充分的强度同时显著降低梯子的重量。一种典型的28-脚轻便铝梯重量约为78磅。可是，一种用该新型复合材料制造的28-脚梯重量大约小于18磅，重量显著减小。

管材

一个新型复合材料产品应用的实施例是用复合材料管材替代现有金属管材。该复合材料管材能够通过上述管制造工艺制造。覆镀钢管通常用于食品杂货车构造。可用塑料管代替覆镀钢管以制造食品杂货车，该塑料管具有新型复合材料注入在管中。由于在北方气候中暴露在盐渍停车场生锈和腐蚀是金属食品杂货车的一个问题，而该新型复合材料管不受到生锈腐蚀，并且，该新型复合材料管材比金属管材重量轻。

几个样品复合材料管是利用PEEK曲管(波状)制造，曲管可以弯曲，如90°弯曲，不包括内管尺寸。用于制造样品的曲管被弯曲到所希望的角度和用新型复合材料注入。该新型复合材料包括Ciba8601树脂为61％重量和3M^TMK46微球体为39％重量。该弯管被固定在一种固定装置中和基体材料被固化，例如，在一热固化炉中以便形成该复合材料管材。为消除在复合材料注入和固化期间需要固定装置来将曲管固定成所希望的形状，可在曲管中心嵌入一种线来保持形状。新型复合材料管材的另外应用可包括，例如轮椅、扶杖、手杖、和其它管材应用。

汽车冲击结构

新型复合材料还有的另外应用是用于汽车的和冲击的结构。保险杠、侧面冲击结构、横摇稳定杆、和车体板可由该新型复合材料制造。该新型复合材料用作一种结构芯材或I-梁设计的用途可显著降低用于这些结构的未来汽车设计重量。被认为陶瓷或玻璃微球体的层压层在被压压力为250psi-60,000psi的范围下可产生一种接近完美、可折叠和吸收冲击能量的结构。该复合材料结构可以在侧面具有合适的玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维。根据所希望的压缩强度指标，该复合材料可用短或中线切断纤维和用适当的侧面材料加强以完成梁设计方法。

由该新型复合材料制造的新汽车结构提供显著改善的结构，其将重量更轻和表现出超级的结构性能、强度和冲击能量吸收性。该复合材料结构能具有抗压强度不同的多层。抗压强度比较低的一层被提供在一侧和抗压强度逐次增加的层被放在第一层上。如果愿意，该多层材料能够被连接到其它材料上，如塑料或金属层或陶瓷板。具有中空中心和可选择的微球体压碎比率的微球体特性可以被选择，使最轻微球体(如250lb抗压强度)在表面，以及选择抗压强度增加的层朝向保险杠背面。这种技术将使能量可由被冲击物体逐渐吸收，其类似于在Indianapolis使用的充满水或砂的赛车障碍，在它们离开赛道进入凹坑时的原理，固体球可证明在这种设计中也有益。

这也类似于在防弹装甲应用中利用的原理，其外层(碎片层)由Kevlar

织造纤维制造，接着一种具有铝蜂窝基材的军事级陶瓷和9-层缝合夹芯材料的环氧树脂夹芯材料在后面。该设计是打算穿甲弹穿入外碎片衬里冲击陶瓷板，导致射弹圆锥形弹头变形、破碎以及最有利地，碎片被后面由7-9层夹芯材料俘获。

制造一种具有该新型复合材料的军事弹道板的实施例。该弹道板试样包括一种厚度为5/16”是复合材料连接到一片1/4”厚、12”正方形大理石砖。该复合材料包括61％重量的Ciba 8601树脂和39％重量的3M^TMK46微球体。具有该复合材料的弹道板试样被反复从大约6英尺的高度抛到地板，在混凝土上具有工业级无衬垫地毯，而没有破裂。作为对比，没有该新型复合材料保护的同样大理石砖被从同样的高度抛到同样的地板，像玻璃一样破碎。该新型复合材料加强了陶瓷/大理石板并能够被用作弹道装甲板。而且，该新型复合材料板能够替代铝、酚醛树脂、钛或其它蜂窝材料，其用于具有中等野战性能的弹道板。

虽然现在已经说明和描述了优选实施例，但是不背离本发明的精神和范围能够作很多变化和修改，因此，本发明人计划用所附的权利要求覆盖这些变化和修改。

Claims (36)

1.一种复合材料，该材料包括：

一种在水中通常不会扩散的基体材料，以及

在该基体材料中的许多微珠体粒子，该微珠体粒子的体积范围为该复合材料体积的69％-81％，直径范围为1微米-350微米；

其中，该复合材料在基体材料的所述微珠体粒子间完全没有空隙。

2.如权利要求1所述的复合材料，其中，许多粒子的体积为复合材料体积的75％。

3.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，许多粒子至少包括具有大小互不相同的许多第一粒子和第二粒子。

4.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，许多微珠体粒子是中空微球体。

5.如权利要求4所述的复合材料，其中，中空微球体至少包括两种大小不同的微球体。

6.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，相邻微球体粒子之间的距离基本上都小于最小微球体粒子的直径。

7.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，许多粒子与相邻的粒子接触。

8.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，该粒子选自陶瓷粒子、玻璃粒子、塑料粒子及其组合。

9.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，基体材料选自聚酯。

10.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，基体材料选自热固性塑料、热塑性塑料、胶和水泥。

11.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，还包括至少一层与具有所述粒子的基体材料接触的材料。

12.如权利要求11所述的复合材料，其中，至少有一层是选自单向纤维、交叉纺织纤维、无光纤维。

13.如权利要求11所述的复合材料，其中，至少有一层是选自塑料、人造革及其组合。

14.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，复合材料具有比重为0.38-2.2。

15.如权利要求1-2中任一项所述的复合材料，其中，复合材料的比重小于1.0。

16.如权利要求1所述的复合材料，其中所述微珠体粒子的直径为15微米-120微米。

17.如权利要求16所述的复合材料，其中所述的微珠体粒子具有近似的直径。

18.如权利要求1所述的复合材料，还含有一组分，该组分选自：碳酸钙、硫酸钡、硬脂酸锌、脱气剂、抑制剂、触变剂、增稠剂、树脂硬化剂、加速剂、促进剂、催化剂、交联剂及其组合。

19.一种复合材料，包括：

一种占15％-31％体积的非水可扩散性基体材料；和

占69％-81％体积的微珠体，所有的这些微珠体具有1微米-350微米的直径。

其中，该复合材料在基体材料的所述微珠体粒子间完全没有空隙。

20.如权利要求19所述的复合材料，其中基体材料的体积占19％-31％，微球体的体积占69％-81％。

21.如权利要求20所述的复合材料，其中，基体材料的体积约占25％，微球体的体积约占75％。

22.如权利要求19所述的复合材料，其中所有的所述微珠体具有为15微米-120微米的直径。

23.如权利要求22所述的复合材料，其中所述的微珠体具有近似的直径。

24.如权利要求19所述的复合材料，还含有一组分，该组分选自：碳酸钙、硫酸钡、硬脂酸锌、脱气剂、抑制剂、触变剂、增稠剂、树脂硬化剂、加速剂、促进剂、催化剂、交联剂及其组合。

25.一种复合材料，其包括一种非水可扩散性树脂基体粘合剂材料和微球体，该微球体的体积占基体粘合剂材料和该微球体总体积的69％-81％，直径为1微米-350微米。

其中，该基体粘合剂材料在所述微珠体间完全没有空隙。

26.如权利要求25所述的复合材料，其中所述的微珠体具有大为15微米-120微米的直径。

27.如权利要求26所述的复合材料，其中所述的微珠体具有近似的直径。

28.如权利要求25所述的复合材料，还含有一组分，该组分选自：碳酸钙、硫酸钡、硬脂酸锌、脱气剂、抑制剂、触变剂、增稠剂、树脂硬化剂、加速剂、促进剂、催化剂、交联剂及其组合。

29.一种复合材料，其包括：

一种芯材，其具有在水中通常不会扩散的、占芯材体积15％-31％的基体材料，和直径为1微米-350微米的、占芯材体积69％-81％的微珠体；和

一与该芯材结合的侧面层；

其中，该基体材料的所述微珠体粒子间完全没有空隙。

30.如权利要求29所述的复合材料，其中，芯材具有与该芯材对面结合的侧面层。

31.如权利要求29所述的复合材料，其中，侧面层完全包围该芯材。

32.如权利要求29所述的复合材料，其中，至少有一层是选自单向纤维、交叉纺织纤维、无光纤维。

33.如权利要求29所述的复合材料，其中，至少有一层是选自塑料、人造革及其组合。

34.如权利要求29所述的复合材料，其中所有的所述微珠体具有为15微米-120微米的直径。

35.如权利要求34所述的复合材料，其中所述的微珠体具有近似的直径。

36.如权利要求29所述的复合材料，还含有一组分，该组分选自：碳酸钙、硫酸钡、硬脂酸锌、脱气剂、抑制剂、触变剂、增稠剂、树脂硬化剂、加速剂、促进剂、催化剂、交联剂及其组合。

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