发明详述

本发明通过本文描述的改进装置和方法满足了上述一个或多个需求。在本文中给出的说明和例示旨在使本领域的其它技术人员熟知本发明及其原理和实际应用。本领域技术人员可通过多种形式来调整和应用本发明，以最适当地满足特定用途的要求。因此，所阐述的本发明的

具体实施方式

并不意在穷举或限制本发明。所以，本发明的范围不应参阅以上描述来确定，而应参考所附权利要求以及这些权利要求有权获得的等同方案的全部范围来确定。包括专利申请和出版物在内的所有文章和参考文献的公开内容出于所有目的通过引用并入本文。从以下权利要求中获得的其他组合也是可能的，这些权利要求也因此通过引用并入本书面说明中。

本文所述复合材料可成型为包括一个或多个可发泡层以及一个或多个纤维/树脂基质层的空心或实心构件。该复合材料可包括一种或多种树脂材料以及一种或多种纤维结构。该复合材料还可包括附加的可发泡层，例如粘合剂或密封剂层。可将这种粘合剂或密封剂层活化，从而使其发泡和/或固化。一个或多个所述粘合剂或密封剂层可在环境温度下活化(例如“原位发泡”粘合剂)。或者，可通过促进因素(例如加热)来活化可活化的粘合剂或密封剂。

所述树脂可以是热塑性树脂或热固性树脂。所述树脂可包含阻燃成分。所述树脂可包含环氧树脂材料。所述树脂可包含聚氨酯材料。所述树脂可包含丙烯酸材料。

所述复合材料可由多种增强纤维形成，这些增强纤维可用热塑性或热固性树脂浸渍。可将复合材料热成型为预浸料。预浸料可包括热塑性材料，该热塑性材料可以是包含至少一个环氧基的热塑性材料。所述复合材料可由一种或多种纤维材料形成，该纤维材料可以是膨体非织造纤维材料，例如如美国专利号8,365,862、9,033,101、9,315,930、9,546,439中所述，这些专利的内容出于所有目的通过引用并入本文。所述纤维材料可以是织造材料。所述纤维材料可具有芯吸特性。所述纤维材料可用于填充间隙或用作液态树脂的基质。所述纤维可通过粘合剂和/或树脂材料粘合在一起。所述树脂可以是丙烯酸树脂、环氧树脂或其任何组合。所述复合材料可由热固性材料形成。所述复合材料可由聚氨酯材料形成。

所述复合材料可包含用于提供振动阻尼或声音衰减作用的一种或多种材料(例如密封材料)。所述密封材料可以是在暴露于促进因素时会膨胀和/或固化的可活化材料。所述复合材料可包含粘合剂、密封剂、树脂或其他材料。

所述可发泡层可位于一个或多个表面层附近，以形成中空复合结构。合适材料的实施例包括金属材料(例如，诸如铝箔或钢箔之类的金属箔)、塑料薄膜或片材(例如聚丙烯或聚乙烯薄膜，或者聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜)。不过，优选的材料是纤维材料。所述表面层可以是多孔的，以使树脂材料可渗入表面层中的孔内，从而使表面层嵌入树脂中。可发泡层也可能至少部分地渗入在纤维/树脂层中形成的孔内。这些表面层可相同也可不同，并且在一些实施方式中可选择这些层来提供所需特性。

在使用纤维材料的情况下，该纤维材料可以是任何合适的材料，并且对该纤维材料的选择将取决于复合材料的用途。可用纤维材料的实施例包括织造和非织造织物纤网，例如衍生自聚酯、聚酰胺、聚烯烃、纸、碳和凯芙拉纤维的纤网。这些纤网可通过非织造纤网制造技术(例如针刺和点粘合)织造或获得。也可使用金属纤维网或者织造或非织造的玻璃纤维。其他可能的纤维材料包括碳纤维和凯芙拉纤维。

所述可发泡材料可以是刚性环氧泡沫。泡沫层可以是柔性泡沫。刚性被定义为具有硬的触感且能抵抗以手施加的压力。泡沫层的厚度优选为5-35mm，更优选为15-30mm，最优选为20-25mm。在制备本发明的复合材料时，用于生产泡沫的可发泡材料在未发泡状态下的厚度优选为1-5mm，更优选为2-4mm，又更优选为2-3.5mm。可发泡材料可基于给定的应用而膨胀达所需的量。可发泡材料在发泡状态下的厚度可比其在未发泡状态下的厚度大出约100％或更多，大出约300％或更多，或者大出约600％或更多。可发泡a材料在发泡状态下的厚度可约为其在未发泡状态下的厚度的1200％或更小，约1000％或更小，或者约8％或更小。

由本发明可知，可基于可发泡材料的一种或多种组分来调节可发泡材料的膨胀率。可发泡材料的所述一种或多种组分可以是发泡剂。该发泡剂可以是化学发泡剂或物理发泡剂。例如，可发泡材料可包含发泡剂(例如可被配置成在给定温度下膨胀的可膨胀微球)。可膨胀微球可在约100℃或更高、约150℃或更高、或者约200℃或更高的温度下膨胀。可膨胀微球可在约400℃或更低、约300℃或更低、或者约250℃或更低的温度下膨胀。可通过选择不同等级的发泡剂(例如通过选择不同等级的可膨胀微球)来确定可发泡材料(例如发泡剂的可膨胀微球)的活化温度。

可发泡材料可经历单次膨胀或多次膨胀。可发泡材料可发泡至第一膨胀百分比，从而与纤维和/或纤维/树脂基质层接触，然后被置于模具中，且泡沫在该模具中膨胀至第二膨胀百分比。第一膨胀百分比可大于第二膨胀百分比。第二膨胀百分比可大于第一膨胀百分比。

可使用树脂材料涂覆(例如浸渍)纤维表面层，以形成纤维/树脂基质材料。然后可使基质层与一个或多个可发泡层接触，以形成无需气囊即可模制的中空复合材料。

本文所述复合材料还可包括使用分布相(例如纤维相)和热塑性聚合物材料(例如可重整树脂，以及具有至少一个环氧基的热塑性反应产物)的纤维材料。该材料具有机械性能上的优点，该优点通常是通过将热固性聚合物材料(例如热固性环氧树脂材料)用作复合材料的部分或全部基质相而获得的。不过，该材料具有许多物理属性，由此适于对其进行处理、加工以及/或者使用寿命后的回收、再循环和/或再利用。

本发明考虑了使用本文所述复合材料制造一结构的可能性，该复合材料可包括热塑性或热固性的树脂材料和/或可发泡材料。具体而言，所述结构可由本发明所述的热塑性或热固性材料制成，且该材料通过增强相(例如纤维材料)得以增强。增强相可分布在热塑性或热固性材料(例如，如本文所述的聚酰胺、聚氨酯和/或可重整树脂材料)的基质中。例如，增强相可至少占总材料的大部分(按体积计)。其体积百分比可约大于60％或70％。其体积百分比可约低于90％、80％或70％。任何增强相可随机分布，通常均匀分布，以及/或者分布在部件的一个或多个预定位置。

聚合物树脂与纤维之间的重量比可在约1:10至100:1的范围内(例如，可在约1:5至10:1的范围内，在约1:3至5:1的范围内，甚至在约1:2至2:1的范围内)。

分布相材料可包括有机和/或无机材料。该材料可以是一种天然材料(例如橡胶、纤维素、剑麻、黄麻、大麻等天然材料)。它可以是一种合成材料(例如聚合物，该聚合物可以是同聚物、共聚物、三元共聚物、混和物或其任何组合)。它可以是一种碳衍生材料(例如碳纤维、石墨、石墨烯等)。由此，分布相中的纤维可选自(有机或无机)矿物纤维(例如，诸如E玻璃纤维、S玻璃纤维、B玻璃纤维之类的玻璃纤维)、聚合物纤维(例如芳纶纤维、纤维素纤维等)、碳纤维、金属纤维、天然纤维(例如源自农产品的纤维)或其任何组合。多个细长纤维可大致相互平行。可将它们编织。可将它们缠绕。纤维的集合可以是织造和/或非织造的。

分布相的材料可包括多个长度至少约1cm、3cm甚至5cm或更长的纤维。分布相纤维的平均直径可约为1-50μm(例如约5-25μm)。纤维上可涂有合适的上浆涂层。纤维在每层或纤维嵌件中的重量百分比含量通常可至少约20％、30％、40％甚至50％。纤维在每层或纤维嵌件中的重量百分比含量通常可约低于90％、80％甚至70％。例如，纤维在每层或纤维嵌件中的重量百分比含量可约为50％至70％。可根据ASTM D2584-11确定纤维的重量含量。

制得的聚合材料可呈现出以下特性中的一种或任何组合：屈服拉伸强度(根据ASTM D638-14)至少约为15MPa(例如至少约为30MPa或45MPa)；断裂时的拉伸伸长强度(根据ASTM D638-14)至少约为40MPa(例如至少约为45MPa或55MPa)；断裂伸长率(根据ASTMD638-14)至少约为15％(例如至少约为20％、25％或30％)；以及/或者拉伸弹性模量(根据ASTM D638-14)至少约为0.5GPa(例如至少约为1GPa、1.8GPa或2.7GPa)。

最终复合材料可具有预定的形状。该形状可包括一个或多个细长部。该形状可包括一个或多个中空部。该形状可包括限定至少一个腔体的一个或多个壁。所述结构可包括多个形状各异的部分。所述结构可被配置成限定封檐带，该封檐带可以可选地由底层结构支撑。所述结构可被配置成限定在封檐带下方的支架。

所述复合材料可由多种方法形成。该方法可包括至少部分地使复合结构成型的步骤。例如，在将复合材料放入模具的腔体中之前，可将该模具预热到温度高于至少一个复合材料层的聚合物的软化温度和/或熔化温度。由可发泡层膨胀产生的压力可适于将表面层向模具壁推出，从而无需使用任何气囊结构。

预期可将本文公开的材料涂上漆。例如，如果有任何表面明显暴露，则可能需要可涂漆性。可对该材料进行喷墨印刷。由于该材料可具有涂漆亲和力，因而可将其涂上漆。在基质材料是可重整树脂的情况下，这可能至少部分是由于材料的极性和/或主链(例如大致呈线性的聚合物主链)的羟基官能度。

现在参见图1，其中示出了本发明所述复合材料10的透视图。如图所示，复合材料10可包括外仿形面12和内仿形面14。然而，应注意，复合材料10可包括一个或多个平面而非仿形面12、14。复合材料10还可包括沿复合材料10的内部定位的平部22。

多个肋条16可基本上沿复合材料10的长度方向延伸。可设想，肋条16可具有任何期望的尺寸和/或形状。肋条16可沿复合材料10在任何所需方向上延伸。肋条16可提高复合材料10的结构完整性。肋条16还可顺着容纳复合材料10的次级部件或结构的所需表面延伸。

复合材料10可包括鼻部20，该鼻部包括沿周边延伸的大致弓形段。鼻部20可包括沿复合材料10的终端边缘延伸的唇缘18。唇缘18可基本上围绕复合材料10的部分或全部周边延伸。可设想，可将本文公开的复合材料10制成一种或多种复杂形状。例如，复合材料10可包括一个或多个仿形部、弓形部、弯曲部、台阶、唇缘或其组合。复合材料10的复杂形状可通过复合材料10的制造方法(参见图2)和/或复合材料10的所选材料来实现。

图2示出了用于制造图1所示复合材料10的模具22的透视图。模具22可包括腔体24。腔体可被配置成容纳未固化状态下的复合材料。例如，可泵送未固化状态下的复合材料，以可将该复合材料直接泵送到腔体24中。或者，可将未固化状态下的复合材料预成型并插入到腔体24中。预成型复合材料的尺寸可小于腔体24的尺寸，以允许预成型复合材料膨胀。可加热腔体24和/或沿腔体24的模具表面26，以固化复合材料并形成最终复合材料。

可设想将腔体24快速加热和冷却，以提高制造过程的整体效率。例如，可将腔体24的温度升高到期望的加热温度，然后在短循环时间内快速冷却到期望的冷却温度。循环时间可约为30s或更长、60s或更长或者90s或更长。循环时间可约为180s或更短、150s或更短或者120s或更短。因此，可设想所述复合材料可承受剧烈而又快速的温度变化。例如，温度可在约30℃或更高、50℃或更高或者70℃或更高至约200℃或更高、250℃或更高或者300℃或更高的范围内。温度范围可在约150℃或更低、100℃或更低或者85℃或更低至约500℃或更低、400℃或更低或者350℃或更低的范围内。因此，可使所述复合材料在循环时间内非常迅速地膨胀和/或固化，以得到成品复合材料10。例如，可将复合材料注入到腔体24中。一旦腔体24中填充有所需量的复合材料，即可将腔体24和/或模具表面26快速加热，以使该复合材料膨胀和/或固化。于是，复合材料可基本上填充整个腔体24。然后，可快速冷却腔体24，从而得到固化的最终复合材料10。

应注意，可将腔体24以任何期望的方式快速加热和冷却。不过，可设想可通过感应加热将腔体24快速加热。可由与模具24呈电连接的一个或多个发电机(未示出)对加热提供电力。发电机可根据相同或不同的参数为一个或多个期望的循环输出(例如单区、双区等)供电，以加热腔体24。可将所述循环输出同时输出或以不同方式输出。根据给定的应用，发电机可具有任何所需的功率输出。

也可将腔体24以任何期望的方式快速冷却。可设想，可通过外部冷却装置(未示出)将腔体24快速冷却。可将外部冷却装置通过一个或多个端口28连接到模具22。外部冷却装置可包括液压模块，以冷却模具22。冷却装置可以是一种闭环冷却装置，也可以是一种开环系统。冷却装置可通过一种或多种液体来使模具22快速冷却和散热。例如，冷却装置可使用与模具22连接的一个或多个通道中被推动的水来冷却模具22。

还应注意，腔体24还可包括一种或多种附加材料，以形成最终复合材料10。例如，可首先在腔体24中模制衬套或壳体，然后将复合材料注入腔体24中。因此，复合材料可填充壳体或次级材料的一个或多个空隙。在膨胀和固化后，复合材料可粘合到次级材料上，以形成最终复合材料10。因此，本文所述复合材料10可在单个模具22中形成，无需常规制造工艺中的二次操作。例如，复合材料10的制造工艺可无需在将次级部件或层粘合到复合材料之前将复合材料预成型并加工成所需形状。相反，可将复合材料10在同一模具中成型并粘合到次级部件上。

元件列表

10 复合材料

12 外仿形面

14 内仿形面

16 肋条

18 唇缘

20 鼻部

22 平部

22 模具

24 腔体

26 模具表面

28 端口

如本文所用，本发明设想一种类(列表)的任何成员可能会被排除在该种类之外，以及/或者一马库什分组的任何成员可能会被排除在该分组之外，除非另有说明。

本文所述任何数值范围包括从下限值至上限值且以一个单位为增量的所有值，前提是在任何下限值与任何上限值之间存在至少两个单位的间隔，除非另有说明。例如，如果规定组分含量、性质或过程变量(例如温度、压力、时间等)的值例如为1至90，优选为20至80，更优选为30至70，则认为中间值(例如15至85、22至68、43至51、30至32等)也在本说明书的教导范围内。同样，各个中间值也在本发明的范围内。对于小于1的值，可根据需要将一个单位视为0.0001、0.001、0.01或0.1。这些仅是具体意图的实施例，并且在所述最低值与最高值之间的所有可能数值组合应视为以类似方式在本申请中被明确表述。可看出，本文中以“重量份”表示的量也涵盖了以重量百分比表示的同一范围。因此，就“至少‘x’重量份的所得组合物”而言的范围表述也涵盖了以所得组合物的重量百分比计的同一所述数量“x”的范围。

所有范围都包括两端点以及在这两个端点之间的所有数值。与范围相关的词语“约”或“近似”适于描述该范围的两端，除非另有说明。因此，“约20至30”意在涵盖“约20至约30”，且至少包括指定的端点。

包括专利申请和出版物在内的所有文章和参考文献的公开内容出于所有目的通过引用并入本文。所述“基本上由……组成”用于描述一组合应包括所确定的要素、成分、构件或步骤，以及不会对组合的基本特征和新特征产生重大影响的其他要素、成分、构件或步骤。词语“包括”或“包含”用于描述本文中的要素、成分、构件或步骤的组合，且还涵盖了由或基本上由这些要素、成分、构件或步骤组成的实施方式。

多个要素、成分、构件或步骤可由单个整合的要素、成分、构件或步骤提供。或者，单个整合的要素、成分、构件或步骤可分成单独的多个要素、成分、构件或步骤。使用“一”或“一个”描述的要素、成分、构件或步骤并不意在排除更多的要素、成分、构件或步骤。

应理解，以上描述意在说明而非限制。在阅读了上述内容之后，本领域技术人员也将对除所提供的实施例之外的其他许多实施方式以及许多应用有清楚的了解。因此，本发明的范围不应参阅上述说明来确定，而应参考所附权利要求以及这些权利要求有权获得的等同方案的全部范围来确定。包括专利申请和出版物在内的所有文章和参考文献的公开内容出于所有目的通过引用并入本文。在以下权利要求中对本文公开主题的任何方面的省略都不应视为是对此类主题的放弃，也不应认为本发明人未将此类主题视为所公开的发明主题的一部分。