[发明专利]复合材料及其制造方法和设备

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料及其制造方法和设备（装置）。

背景技术

成型和形成变形：

由于形成变形，目前用于模具部件的至少一些材料和方法产生尺寸不精确的部件形状。形成变形由在成型、固化和脱模工艺中发生的显著的材料尺寸变化（典型地收缩和扭曲）引起。这些尺寸变化可能起因于：a）温度变化；b）压力变化；c）材料的物相变化；d）材料的化学反应；和/或e）其它材料物态变化。

为了实现期望的尺寸精度，在目前的实践中，经常将模制部件制造成在尺寸上大于期望的部件并且使用通常是耗时且昂贵的工艺的诸如机械加工或研磨的额外的操作来去除多余的材料从而生产“净形（终形，net shape）”产品。

期望具有直接成型和/或形成高精度形状的材料和方法，其在成型、固化和脱模期间不会收缩或变形，并且会在不需要额外的操作来实现期望的尺寸公差的情况下生产高精度部件。

生产模具：

模具（也称为模型（模板））被用来成形许多材料，包括金属、有机聚合物（塑料）和陶瓷。模具的制作通常是一种缓慢且昂贵的工艺，尤其是对于精密模具。为了能够承受与成型操作有关的温度、压力和磨损，模具通常由硬质材料或难熔材料制成。

模具的制造经常通过切割或磨掉材料以形成期望的腔形状来完成。为了切割，去除材料的工具压靠在模具材料上。该压力使工件材料压缩并且从工具中移出。切割或研磨的工作使工件材料变热，从而导致热变形。切割或研磨加工随着使用趋向于磨损，其中磨损的速率随着较硬的模具材料而增加。

期望具有用于制造模具的材料，其可以以相对低的工具压力切割或研磨；其会以很少的生热切割或研磨；其具有低的热膨胀系数；并且其对加工工具会是更少磨蚀或磨损的。

烧结和压制形状：

经常通过用期望材料的细分的颗粒填充形状（shape）并且施加高的温度和压力的组合以将所述颗粒压实和/或烧结成期望的形状来形成由陶瓷材料、难熔金属或其他难熔材料构成的部件。用来生产这些细分的颗粒的诸如压碎或研磨的工艺产生具有尖锐轮廓的颗粒。当流动到模具或模型中时，尖锐的颗粒很容易桥接，从而导致在最终的部件中形成许多空隙和滑移面，其可以集中施加的应力，可以降低部件的实际强度并且可以导致在施加的应力下部件失效。

期望具有将会避免上述问题并且会生产具有更少和更小的材料缺陷的更强材料的材料和方法。

为了承受所施加的较高温度和压力，通常需要由特殊的硬化材料形成的大压力机和加工工具来形成难熔材料部件。由于使用的较高温度和压力并且由于大多数难熔材料的磨损性质，目前形成难熔部件所需的模具和其他加工工具通常制造昂贵且快速地磨损。这需要频繁和昂贵的加工工具的更换，并且导致随着在加工工具的整修之间的磨损的进行而逐渐地降低精度。

期望具有在环境或适度的温度下和在环境或适度的压力下，使用具有显著较低的资本和操作成本的生产设备，由难熔材料成型和/或形成高精度形状的材料和方法。

复合泡沫塑料（syntactic foam）：

复合泡沫塑料是通过用被称为微珠（微球，microballoon）的空心颗粒来填充金属、聚合物或陶瓷基体而合成的复合材料，“复合”是指“合并起来”。空心颗粒的存在导致较低的密度、较高的强度、较低的热膨胀系数，以及在一些情况下，雷达或声纳的透明性。

可定制性是这些材料的最大优点之一。基体材料可以选自几乎任何的金属、聚合物或陶瓷。宽泛的微珠是可用的，包括煤胞、玻璃微球以及碳和聚合物微珠。最广泛使用和研究的泡沫是玻璃微珠-环氧树脂、玻璃微珠-铝和煤胞-铝。

复合泡沫塑料的压缩性能主要取决于微珠的性能，而拉伸性能取决于将微珠保持在一起的基体材料。存在两种主要的调节这些材料的性能的方式。第一种方法是改变复合泡沫塑料结构中微珠的体积分数。第二种方法是使用不同壁厚度的微珠。通常，材料的压缩强度与它的密度成比例。

在二十世纪六十年代早期开发了这些材料作为用于海上应用的浮力辅助材料；其他特性将这些材料引导至航空和地面运输车辆的应用。用于复合泡沫塑料的目前应用包括用于海底取油管张紧器的浮力模块、船体（船壳）、深海勘探、自主式水下运载工具（水下自给潜艇）（AUV）、直升机和飞机的部件以及诸如英式足球的体育用品。

其他应用包括：深海浮力泡沫、热压成形插座辅助装置、雷达透明材料、声学衰减材料和爆炸缓冲材料。