CN101500798A - 包括非晶热塑性纤维的复合材料 - Google Patents

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Abstract

公开了可显示低传输能量损耗且还可以耐热的复合材料。所述复合材料包括保持在聚合物基体中的增强纤维。所述增强纤维可包括非晶聚合物组分。所述纤维可梭织或针织以形成织物或可以包括在无纺织物中。所述复合材料还可包括其它纤维，例如玻璃纤维。所述复合材料可为多层结构并可包括其它材料的层，例如由聚芳酰胺、玻璃纤维、或碳纤维纺织物或无纺布形成的层。所述复合材料可有利地用于低损耗电介质应用，例如形成电路板基底。

Description

包括非晶热塑性纤维的复合材料
背景技术
已知可成型复合材料用于电应用。这些复合材料通常用作支持基底、绝缘层、和/或电气装置的外壳(casement)。理想地，该复合材料提供优异的电性质和机械性质，例如高电路密度、低传输能量损耗、高强度、低重量等，并以低成本提供所有期望的特性。然而，达到该理想仍然存在问题。
可成型复合材料一般包括保持在聚合物基体中的增强纤维，通常还具有其它组分以改善特性例如导热性、粘附、颜色等。不幸的是，组成复合材料的这些组分虽然支持一种或多种期望的性质，但通常损害其它性质。例如，玻璃纤维可提供优异的抗拉强度特性，但具有约6的介电常数，因此通常不适于低传输能量损耗的应用，尤其是当大量使用时。因此，已经将玻璃纤维和显示期望电特性的树脂组合以形成具有可接受的电性质和物理性质的复合材料，但这是以稍微折衷整体性能为代价。
已经使用聚合物材料以提供复合材料中的纤维增强。例如，已经研究出由工程聚合物如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)形成的纤维以及多种聚芳酰胺纤维。这些材料也仍然存在问题。例如，UHMWPE纤维可具有良好的电特性，但具有熔融温度约135℃的低的耐热性，并因此不能用于高温应用。尽管聚芳酰胺纤维非常坚韧，但是也具有受限的耐热性并通常显示出不可接受的高损耗。另外，这些高度工程化的聚合物对于配制和加工来说通常非常昂贵。
尽管在形成用于电应用的复合材料的材料和方法方面已经有各种改进，但现有技术中仍然有进一步改进和变化的空间。
发明内容
在一个实施方式中，本发明涉及用于电应用的复合材料。该复合材料可包括聚合物树脂基体和增强纤维。该纤维可包括一种或多种非晶聚合物。在一个实施方式中，该纤维的聚合物组分可以仅为非晶的，并且该纤维在广角X射线散射下观察时可以仅显示非晶晕型散射。该纤维还可具有低介电常数，例如，小于约3.5。该纤维还可以是非常硬的，并可具有大于约70克/旦的模量。在一个具体实施方式中，该非晶聚合物纤维可包括环烯烃共聚物。
该纤维可以是可保持在树脂基体中的织物的组分。在某些实施方式中，织物可包括这些第一纤维，还有第二纤维类型。例如，包括非晶聚合物组分的纤维可与第二纤维类型组合在复合纤维中，或者该第二纤维类型可以与该非晶聚合物纤维交织在纺织物中。该第二纤维可显示期望的物理特性，例如，该第二纤维可具有高的模量如大于约150克/旦。在一个具体实施方式中，织物可包括纤维，该纤维包含非晶聚合物组分和玻璃纤维。
复合材料中使用的聚合物树脂可以是热固性树脂、热塑性树脂、或者它们的组合。例如，复合材料可以是在层中和/或层间使用相同或不同树脂的多层复合材料。在多层实施方式中，该复合材料可包括一层或多层织物层以及其它材料的层，该织物层包括上述织物和/或纤维。例如，多层复合材料可包括外层和内层，所述外层包含玻璃纤维增强，所述内层包含本文所述的低介电常数纤维。
该复合材料可以良好地适合于许多电应用。例如，该复合材料可描述为例如小于约4.0的低介电常数，并且可具有小于约2.0g/cm3密度的轻重量。所公开的复合材料的示例性应用可包括电路板基底、天线罩等。
附图说明
在余下的说明书中，包括参考附图更具体地描述了对本领域技术人员来说本发明完整的和能实施的公开内容，包括其最佳实施方式，附图中：
图1是用于所公开的复合材料中的非晶热塑性纤维的一种形成方法的示意图；和
图2是可用于形成所公开的复合材料中使用的非晶热塑性纤维的挤出膜的一种形成方法的示意图。
本说明书和附图中附图标记的重复使用旨在表示本发明的相同或相似的特征或要件。
具体实施方式
将具体参考本发明的多种实施方式，其一种或多种实例如下所述。各实施方式以对本发明进行说明的方式提供，而不限制本发明。实际上，可以在本发明中进行各种修改和变化而不脱离本发明的范围或精神，这对本领域技术人员来说是显而易见的。例如，作为一个实施方式的某部分说明或描述的特征可用于另一实施方式，从而产生进一步的实施方式。因此，本发明旨在包括这种修改和变化以归入所附权利要求和它们的等同物的范围内。
定义
术语“非晶聚合物”在本文中定义为指不显示任何程度的结晶度的聚合物。具体地说，非晶聚合物不显示结晶温度和熔融温度。
术语“半结晶聚合物”在本文中定义为指可显示晶体结构的聚合物。具体地说，应该理解虽然可以找到非晶态的半结晶聚合物，但它们不是非晶聚合物。因此，非晶态和半结晶聚合物的非晶部分不应与非晶聚合物混淆。
半结晶聚合物可显示晶体结构，而非晶聚合物不能。具体地说，当在广角X射线散射下观察时可使半结晶聚合物显示晶体反射式样，其特征在于X射线散射点或环的式样，由此可确定材料的晶体相的对称性或其它特性。非晶聚合物将仅显示宽得多的非晶晕，尽管可能存在某些宽环结构。这些式样对聚合物形态学领域的技术人员来说是熟知的。
术语“纤维”在本文中定义为涵盖呈现超过最大横截面尺寸(例如，圆形纤维的直径)的长度的结构。因此，本文使用的术语纤维不同于其它结构，例如板、容器、片材、膜等。然而该术语的确涵盖包括单丝纤维、复丝纤维、纱线、扁纤维(tape fiber)等的结构。
术语“复丝纱”在本文中定义为涵盖包括至少三条长丝的结构，这些长丝例如通过喷丝头经由挤出单独地形成，之后彼此接近形成单纱结构。
术语“复合纱线”在本文中定义为指由两种不同的纤维类型组合形成的纱线。
术语“织物”在本文中定义为涵盖通过纱线、复丝纤维、单丝纤维、或其某些组合的交织或者其它组合方式产生的任何平面纺织结构。
具体描述
总地说，本发明涉及用于电应用如电路板、绝缘器、电子仪器组件、天线、无线电设备或外壳、天线罩等的低传输能量损耗复合材料。该复合材料包括保持在聚合物基体中的增强纤维。更具体地说，该增强纤维包括由一种或多种非晶热塑性聚合物形成的聚合物纤维。本发明的复合材料可呈现与之前已知复合材料相比改进的特性。例如，公开的复合材料可呈现非常低的传输能量损耗和高的耐热性，同时其生产经济。
本发明涵盖的非晶热塑性聚合物可包括不呈现结晶温度的任何热塑性聚合物。例如，本文涵盖的非晶热塑性聚合物在广角X射线散射下观察时可仅呈现非晶晕型散射且明显不存在晶体环或点。在一个实施方式中，本发明的非晶热塑性聚合物呈现大于约140℃的玻璃化转变温度。本发明涵盖的非晶热塑性聚合物包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、无规聚苯乙烯、环烯烃共聚物、聚碳酸酯、聚醚酰亚胺、聚异戊二烯、聚丁二烯等。适合于本发明的一个示例性环烯烃共聚物是可得自Ticona Engineering Polymers的
Figure A200780029857D0007112855QIETU
树脂。
用于形成增强纤维的非晶聚合物可具有任何标准的熔体流动。例如，在一个实施方式中，可使用具有约1至约30的熔体体积流动率(MVR)的标准挤出级环烯烃共聚物(COC)树脂。在一个实施方式中，可使用具有约2至约10的MVR的COC。在一个实施方式中，用于形成纤维的COC可具有约3至约7的MVR。
复合材料的增强纤维可以由一种或多种非晶聚合物以任意组合或配置形成。例如，根据期望，该非晶聚合物可以是均聚物或共聚物。而且，根据期望，共聚物可包括无规、嵌段、或接枝共聚物。例如，可利用环烯烃共聚物形成纤维。在另一实施方式中，可利用现有技术中通常已知的聚合物的共混物。
当考虑到共聚物和聚合物的共混物时，在某些实施方式中纤维可包括半结晶聚合物组分。例如，纤维可由包括非晶组分和半结晶组分的共聚物形成。类似的，纤维可由包括非晶聚合物(例如无规聚苯乙烯)和半结晶聚合物(如聚丙烯)共混的聚合物共混物形成。然而在这种实施方式中，半结晶组分将以这样的量存在使得形成的纤维显示由于非晶聚合物的存在而获得的、如下详细描述的期望的电特性和热特性。与半结晶聚合物的这种共混物或共聚物在广角X射线散射下可显示晶体散射。一种仅为示例性的这种共混物是与聚丙烯共混的环烯烃共聚物。该共混物可显示优异的加工性质、纤维成型性质、和纤维拉伸性质，并同时保持显著的热稳定性以及低的介电常数和损耗。
公开的复合材料的纤维可以是单丝纤维或复丝纤维，并且可根据任何适合的工艺形成。图1示例性地说明了形成适合用于本发明的非晶聚合物复丝纤维的过程10的实施方式。
根据该实施方式，可将聚合物组合物提供给挤出机装置12。该聚合物组合物可包括一种或多种非晶聚合物以及现有技术中通常已知的任何期望的添加剂。例如，该混合物可包括合适的着色剂，例如染料或其它颜料。可以与该混合物组合的其它添加剂可包括例如一种或多种抗静电剂、抗氧化剂、抗菌剂、粘合剂、稳定剂、增塑剂、增白化合物、澄清剂、紫外线稳定剂、成核剂、表面活性剂、增味剂或防臭剂(preventative agent)、光散射剂、卤素清除剂等。另外，添加剂可包括在挤出混合物中，或者可以作为表面处理施用到未拉伸成形的材料或任选的已拉伸材料。
在一个实施方式中，可包括可以在挤出产品的表面上留下反应性基团的添加剂。可加入反应性基团以改善纤维对用于形成复合材料结构的其它材料的粘合。例如，可以在混合物中包括马来酸酐，在纤维的表面上留下能够与不饱和聚酯树脂反应的官能团。表面官能性可改善纤维与二级材料(例如聚合物树脂)的结合，并改善形成复合材料的不同材料之间的粘合。
挤出机装置12可以是现有技术中通常已知的任何喷丝头装置。例如，挤出机装置12可包括混合歧管11，其中聚合物组合物可以结合、混合并加热以形成可挤出的组合物。然后该混合物可在压力下运送到喷丝头14，在这里该混合物可以在高温下通过多个喷丝头孔挤出以形成复丝9。
在挤出聚合物之后，可将润滑剂施用到该纤维。例如，如现有技术中通常已知的，可以在纺丝上油箱22施用纺丝油剂。可将任何适合的润滑剂施用到长丝9。例如，将可得自Ghoulston Technologies，Inc.的合适的基于油的油剂如Lurol PP-912施用到长丝9。添加油剂或润滑剂涂层可改善后续加工期间纤维束的处理，并且还可以减少成品纱上的摩擦和静电累积。另外，纱线上的油剂涂层可改善拉伸过程期间纱线的单独长丝之间的滑动，并且可增大能达到的拉伸比并从而提高拉伸复丝纱的模量和韧性。
可以聚集长丝9以形成随后可以拉伸的纤维束28。例如，纤维束28可利用一系列加热的导丝辊30、32、34进行拉伸。应该理解，可任选地利用能在纱线上施加力以在淬火步骤之后拉伸纱线的任何合适的过程。例如，可任选地利用包括轧辊、导丝辊、蒸汽发生器、空气、蒸汽或其它气体喷射机的机械装置以拉伸纱线。如现有技术中已知的，在拉伸步骤期间施加热可有助于均匀的拉伸纱线。在纱线拉伸步骤之后，经拉伸的复丝纱30可以缠绕在卷绕辊40上。
在一个实施方式中，可将成品复丝纱30缠绕在所示的线轴或卷绕盘40上，并运输到第二位置用于形成本发明的复合材料。在替代实施方式中，可将复丝纱直接进料到可进一步加工纱线的第二加工线。
本发明不限于根据上述过程形成的均质纤维。例如，可挤出非晶聚合物纤维以包括由不同组合物形成的离散部分，该不同组合物可不同于聚合物、添加剂、或其组合。例如，可挤出两种或多种组合物从而形成具有核/壳布置的纤维。在另一实施方式中，该纤维可沿纤维的长度改变组成，并且该纤维的各相邻长度由不同的组合物形成。
而且，公开的复合材料的纤维不限于挤出纤维。在一个实施方式中，该纤维可由湿纺法中的溶剂或干纺法铸塑，然后如上所述通过拉伸取向。
公开的复合材料结构可引入由膜形成的非晶聚合物纤维。根据该实施方式，膜可根据任何已知的成膜法形成，并且在形成后该膜可进一步加工以形成非晶聚合物纤维。
形成挤出膜的一个实施方式示意性地说明于图2中。根据该实施方式可以看出，可将聚合物组合物提供给挤出机装置112，并且其通过模口114以膜或片材109的形式挤出。膜109的厚度通常可根据期望的最终用途选择并可通过控制加工条件实现。例如，膜109在一个实施方式中可具有小于100密耳(2.5mm)的厚度。在一个实施方式中，膜109可具有2-20密耳(0.05-0.5mm)的厚度。然而，根据将由该膜形成的纤维的期望特性，膜109可任选地流延为该范围外的厚度。
在挤出之后，该膜109可以在加热的流延鼓102上淬火。在加热的流延鼓上的淬火不是必须的，但是在其它实施方式中，该膜可以在可加热的空气或者流体(如水)中淬火。
在流延(和拉伸，如果存在拉伸)之后，可将膜109在如104处砑光。在砑光之后，该膜109可在低于会发生膜的灾变失效的条件下进行拉伸。在一个实施方式中，当考虑砑光和拉伸两个步骤时，组合的拉伸比可至少为10∶1。在一个实施方式中，非晶聚合物膜的组合拉伸比可为约10∶1至约40∶1。
对于上述复丝纤维成型过程，拉伸可以冷方式和/或在升高的温度下进行，例如在加热浴中、使用加热的拉伸辊等。另外，该拉伸步骤可如展示的使用132、134两个拉伸辊，或者任选的多个拉伸辊以及任何其它适合的拉伸方法。
该拉伸步骤之后，膜109可在辊140上收集以进行附加的加工或任选地立即送到第二条流水线进行附加的加工。膜的最终厚度一般可通过流延厚度、砑光厚度和拉伸比的组合来确定。在一个实施方式中，膜的最终厚度可为约1至约20密耳(约0.025至约0.5mm)。在另一实施方式中，该膜厚度可为约3至约10密耳(约0.075至约0.25mm)。
上述过程仅是示例性过程，且非晶聚合物的膜可根据现有技术中通常已知的任何成膜方法形成，所述成膜方法包括但不限于其它挤出方法或包括溶液流延法(如旋转流延)在内的流延方法。
膜成型之后，该膜可进一步加工以形成纤维。例如，该膜可根据现有技术中通常已知的方法平切或切割从而形成多条纤维。
成型之后，该非晶聚合物纤维可具有低的介电常数以及低的介电损耗。例如，纤维的介电常数可为低于约3.5，或者低于约2.5，或者甚至在某些实施方式中低于约2.2。
另外，该纤维可以是耐热的。例如，该纤维可具有大于约140℃的玻璃化转变温度。在优选实施方式中，该纤维可具有大于约160℃的玻璃化转变温度。
在某些实施方式中，该纤维的模量根据ASTM D2256-02测量可大于约50克/旦，ASTM D2256-02通过参考引入本文。在一个实施方式中，该纤维可具有大于约70克/旦的模量。另外，该纤维的韧性根据ASTM D2256-02测量可大于约2.0克/旦。在一个实施方式中，该纤维可具有大于约2.5克/旦的韧性。
非晶聚合物纤维可起到纤维/树脂复合材料中增强材料的作用。在一个具体实施方式中，该纤维可为可保持在树脂基体中的织物组分。例如，非晶聚合物纤维可包括在根据预定的、有组织的和交织式样形成的织物中，该织物在本文称作纺织物(即，根据梭织和/或针织法形成的织物)。或者，该纤维可包括在根据无规式样形成的织物(无纺织物)中，或者，该纤维可包括在单向预浸处理织物中，其中多条单向纤维排列并保持在聚合物基体中。
纺织物可根据任何纺织品成型方法并利用现有技术中通常已知的适合用于非晶聚合物纤维的任何梭织和/或针织的纺织品成型系统和设备而形成。例如，该纤维可为相对小的纱线的形式，约40旦，并且该纱线可在一个或两个方向上引入最高达100纬纱/英寸的纺织结构中。当考虑更大的纱线时，例如最高达约10000旦或甚至更高时，该纤维可形成为具有仅约10或甚至更少纬纱/英寸的织物结构。这样，可制备各种厚度和物理性质的复合材料。另外，允许该纱线的强度转移到树脂成分中的任何纺织式样均是可接受的。例如，在所公开的结构中，可单独利用或组合利用现有技术中所熟知的纺织式样如斜纹和缎纹。
引入非晶聚合物纤维的无纺织物可根据现有技术中通常已知的任何合适的成型方法形成。例如，本文描述的多种非晶聚合物纤维可无规地置于移动形成的织物上。这些纤维可任选地使用粘合剂、加热、加压、或它们的某种组合而彼此结合。合适的粘合剂在现有技术中通常已知，并且可以根据需要在纤维成型过程期间或在网成型过程期间施用。
在一个实施方式中，包括在公开的复合材料中的织物可全部由非晶聚合物纤维形成。例如，纺织物的纬纱和经纱可仅为非晶聚合物纱线。然而，该非晶聚合物纱线不需要是相同的。例如，该纱线的聚合物组成、添加剂等可不同。
在另一实施方式中，织物除了非晶聚合物纤维之外还可包括其它材料。例如，非晶聚合物纤维可与其它纤维材料组合形成复合纱线。例如，单丝或复丝非晶聚合物纤维可与不同材料的纤维组合以形成复合纱线，该不同材料例如但不限于玻璃纤维，碳纤维，或由其它聚合物如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、基于氟碳化合物的纤维(如聚四氟乙烯(PTFE))、或聚芳酰胺如聚对亚苯基对苯二甲酰胺(例如
Figure A200780029857D00111
)形成的纤维。
复合纤维可根据任何合适的复合纤维成型方法形成。例如，两种或多种纤维可通过加捻、假捻变形、喷气变形、或任何其它的纱线变形或组合法结合。在一个实施方式中，可形成包括由第一材料形成的内纤维和包含不同材料的外包层的复合纱线。例如，复合纤维可包括高强度内纤维(如聚芳酰胺纤维)和本文所述低介电常数、高耐热性的非晶聚合物纤维的外包层纤维。形成这种复合纱线的一种示例性方法已经描述于Patrick的美国专利6,701,703，其内容通过参考引入本文。
在另一实施方式中，复合纱线可根据喷气组合方法形成，例如描述于Klaus等人的美国专利6,440,558，其内容通过参考引入本文。然而，这些仅是示例性方法，并且本领域的普通技术人员熟知多种这样的合适组合方法，因此本文不再赘述。
在一个复合纱线的实施方式中，该复合纱线可包括根据任何合适的组合方法与半结晶聚合物纤维组合的非晶聚合物纤维。例如，可利用包括与半结晶纤维组合的非晶聚合物纤维的复合纱线，该半结晶纤维描述有非常低的熔融温度，例如具有约135℃熔融温度的聚乙烯纤维。在形成之后，包括该复合纱线的织物可经历足以熔融半结晶成分的热和/或压力。因此该半结晶成分起到结合和/或增强该织物的作用，或者可以形成复合材料的聚合物基体。具有适用于这种实施方式的低的熔融温度并能够作为纤维形成的多种聚合组合物是本领域的普通技术人员熟知的，因此不需要在本文中具体描述。
在另一实施方式中，织物可由纤维或纱线型混合物形成。例如，可形成包括与玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、复合纤维、或任何其它纤维类型组合的非晶聚合物纤维的织物。织物中二级纤维的尺寸、总数、方向和位置可改善或限定织物的特性。例如，织物的弯曲和/或拉伸强度特性可通过在该织物的纬纱和/或经纱中的预定位置加入二级纤维而控制。
在将非晶聚合物纤维与树脂基体结合之前，可预处理单独的纤维或由其形成的织物，例如以改善可湿性或粘附性。例如，纤维可以是经原纤化的，经历过等离子体或电晕处理的、或用表面上浆处理过的(均为现有技术中通常已知的)从而改善或增强该纤维或由其形成的织物的物理特性。在一个实施方式中，该纤维或织物可例如通过原纤化方法进行处理以提高材料的表面积，从而改善纤维增强和树脂基体之间的粘附。例如，纤维、膜、或织物可原纤化或微原纤化以改善粘附。
在一个实施方式中，可对形成复合材料的材料进行表面官能化，例如以促进复合材料成型过程期间各材料间强键的形成。官能化可根据任何适合的方法获得。例如，可将纤维上浆剂在形成织物之前涂覆在单独的纤维上，或任选地涂覆在织物本身上。合适的上浆剂可包括能够结合到纤维表面同时留下反应性基团的任何上浆剂，所述反应性基团结合到基体树脂或直接结合到复合材料的另一层。
在一个具体实施方式中，可氧化包括于复合材料结构中的有机材料从而促进材料之间更好的结合。例如，可以在织物成型过程之前或之后根据任何合适的氧化方法氧化非晶聚合物纤维，该氧化方法包括但不限于电晕放电、化学氧化、火焰处理、氧气等离子体处理、或UV辐射。在一个具体实例中，可形成大气压等离子体，该大气压等离子体例如由Enercon Plasma3单元使用80％氦气和20％氧气气氛在中等功率电平下产生，并且可以用该等离子体处理织物或纤维从而产生反应性基团，该反应性基团可改善该纤维对热固性树脂(如环氧树脂或不饱和聚酯树脂体系)的可湿性和结合性。
该复合材料的纤维增强材料和树脂可根据任何多种合适的方法结合。为了本发明公开的目的，将复合材料成型过程大致分为压模成型过程或热固性树脂模塑过程。任选地，可利用两种过程的组合以结合材料。例如，树脂可首先与纤维增强材料通过压模过程结合，并且在该初始过程之后将由此形成的中间产物通过热固性树脂模塑过程与附加层结合从而产生多层复合材料结构。
在一个实施方式中，可利用压模过程，其中纤维增强材料(例如织物)可与低熔融热塑性树脂体系一起压模。例如，热塑性膜层可位于与包括非晶聚合物纤维的织物相邻。在压模过程期间施加热和压力时，该热塑性膜可至少部分熔融并结合织物的非晶聚合物纤维。
作为树脂体系使用的可能的热塑性树脂和膜可包括例如现有技术中通常已知的低熔融聚乙烯、低熔融聚丙烯共聚物、或低熔融含氟聚合物。
还可在公开的复合材料中利用热固性树脂体系。如现有技术中通常已知的，可将热固性基体树脂施用到形成的织物或任选的施用到形成织物的纤维，复合材料结构通常可在模子中成形，并且可使该热固性树脂固化，任选地在该结构保持在压力下时进行固化。
任何标准热固性基体树脂可与非晶聚合物纤维联合使用。适合用于形成本发明复合材料的示例性热固性树脂可以包括但不限于酚类聚合物、三聚氰胺聚合物、环氧树脂、有机硅树脂、不饱和聚酯、聚氨酯、聚酰胺、聚丁二烯、聚醚嵌段酰胺、聚醚酰亚胺、聚酰亚胺、聚脲、乙烯基酯、含氟聚合物、氰酸酯、聚异戊二烯、二烯嵌段共聚物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。在一个优选实施方式中，可根据材料的具体物理特性或电特性选择热固性树脂。例如，低损耗热固性树脂如低损耗环氧树脂或氰酸酯树脂。
在某些实施方式中，复合材料可以是多层结构，包括可以使用一种或多种期望的树脂体系通过压模、热固性模塑、或它们的组合彼此固定的多个纤维层。相邻层可以彼此相同或不同。例如，两种或多种相邻的且基本相同的包含非晶聚合物纤维的织物可以用热塑性树脂体系利用合适的压模方法彼此固定。
类似地，当考虑热固性树脂体系时，该热固性树脂可根据任何适合的方法施用到多层结构。例如，在单独的层已经在模子中接近并成形后，可将液体热固性树脂注入模子中并固化。
也可利用体系的组合。例如，一层或多层可压模以形成中间层压物，并然后将多种中间材料与热固性树脂体系结合。
除了引入非晶聚合物纤维的一层或多层之外，本发明公开的复合材料还可包括其它材料的织物或层。可包括的材料的非限制性列表可以包括但不限于：玻璃纤维纺织物和无纺织物；碳纤维纺织物和无纺织物；聚合物纺织物、无纺织物、膜、片材等，并且这些材料可以包括任何多种聚合物纤维、聚合物基体、或它们的某些组合，包括例如用卤化聚合物(例如，PTFE、PVC、PVA等)、聚芳酰胺(例如)、UHMWPE等形成的纤维增强的热固性基体；金属膜和箔；和/或液晶材料。
这些附加的层可将期望的物理特性加入复合材料结构，如拉伸强度、弯曲强度、或横向渗透强度。例如，该复合材料结构可在该结构中包括一种或多种可提高层状结构对外来物质(例如射弹、液体渗透等)的穿透或渗入作用的抵抗的材料。在一个具体实施方式中，多层复合材料的一个或两个外部表面可包括具有高模量和较低热膨胀系数的增强纤维，例如玻璃。
公开的复合材料结构的任何层在跨越该结构的方向上可任选地为连续的或非连续的。例如，可利用该复合材料作为电路板并且该复合材料可包括具有以在低损耗基底上形成电路的式样排列的导电材料的层。如本文所限定的，材料(如导电材料)的图案化形成可认为是公开的复合材料结构的单层，尽管该形成在跨越该结构的相邻层的表面上可能是非连续的。例如，复合材料的多层可各自用导电材料图案化从而形成电路，然后这些层可组合以形成现有技术中所熟知的多层电路板。
除了非晶聚合物纤维和树脂基体之外，该复合材料还可包括现有技术中通常已知的填料和/或其它增强材料。例如，该复合材料可包括陶瓷填料(例如二氧化硅)或炭黑。在一种实施方式中可包括填料从而向该结构提供特别的电特性或机械特性。
由于复合材料中使用的非晶聚合物的低介电常数和高耐热性，该复合材料结构可用于包括涉及焊接加工的许多低损耗电应用中。例如，该复合材料可有利地用作电路板或天线底座或者电磁发送和/或接收设备的防护壳(protective enclosure)，例如天线罩。例如，在一个实施方式中本发明的复合材料可显示小于约4.0的介电常数。在另一实施方式中，该介电常数可以更低，例如低于约3.7，或甚至低于其它实施方式，例如低于约3.5。
在一个实施方式中，本发明的复合材料还可具有低密度，例如小于约1.7g/cm3。在另一实施方式中，该复合材料可具有甚至更低的密度，例如小于约1.5g/cm3。
本文公开的低损耗复合材料基底可用与之前已知的许多低损耗基底相比更低的成本提供，这是由于与非晶聚合物材料相关的相对低的成本以及可用于形成该复合材料的低成本成型方法。
本文公开的复合材料可用于形成防护性外壳结构，该防护性外壳结构可以保护内容物避免气候、污垢、和/或其它可损坏内部保持的设备的因素。由于该复合材料还可以对各种频率的电磁波透明，可利用该复合材料保护装入的电子设备而不阻碍该设备的运行。这种防护外壳可包括各种组合的多种复合材料结构。例如，至少部分外壳可以由多层电磁透明复合材料形成，其中一个或两个外层包括高强度增强纤维例如玻璃、、UHMWPE等，并且一个或多个内层包括非晶聚合物增强纤维。
电磁透明防护结构的一个具体实例是天线罩，电磁波可在该天线罩中产生并从碟形天线发射。然后该电磁波可穿过天线罩，具体而言穿过包括本文所述复合材料结构的天线罩部分。在电磁波从物体例如云或飞行器反射之后，该电磁波可再穿过该天线罩回来并再由碟形天线接收。
除了与雷达应用有关的应用之外，发射和/或接收电磁波的其它已知方法还可任选地考虑用于本发明的各种电应用。例如，可利用本文所述的防护结构以容纳和保护激光器、微波激射器、二极管、和其它电磁波发生和/或接收设备。在一个具体实施方式中，本文所述的防护结构可以与射频波操作的设备联合使用，所述射频波例如约100kHz至约100GHz，或者在一个实施方式中为约1MHz至约50GHz，或者在另一实施方式中为约10MHz至约20GHz。本发明的防护结构可有利于保护用于监测气象、监测空中或地面交通、或探测军事设施周围是否存在飞行器、船只、或其它交通工具(包括军舰)的电子装置。
在另一电实施方式中，本发明的层状复合材料结构可用作电路，特别是高频电路的基底。为了本发明公开的目的，术语“高频”在本文中定义为大于100KHz。因此，本发明的高频电路板可有利地用于能够在大于约100KHz下操作的电路。在一个实施方式中，本发明的基底可以与更高频率的电路联合使用，所述电路例如在约1MHz以上或在其它实施方式中甚至更高(例如约1GHz以上)的频率下操作的电路。
根据本发明的电路板可由多层构成，其中至少一层包括预定图案的导电材料以形成电路并且其中至少另一层是包括增强非晶聚合物纤维的基底层。任选地，导电材料可包括在多层上和/或不同的导电材料可包括在单层上并且例如通过本领域中通常已知的孔放置为彼此电连通。任选地，基底的一层或多层可由其它非导电材料形成，例如包含玻璃纤维的复合材料的一层或多层，所述玻璃纤维可向多层基底提供附加的结构性益处，例如，低的热膨胀系数。
一般地说，可通过下列步骤使用电路板：首先提供合适频率的电磁信号；将该信号通过电线、缆线、焊接点、和/或其它现有技术中所熟知的器件传输到电路板的电路；使该信号沿着电路的导电布置传播，所述电路可包括导电带和/或带状线以及电容、晶体管、和现有技术中通常已知的任何其它的电路组件；然后在另一元件处接收该信号，所述元件根据需要可以在电路板内部或外部。外部元件可包括例如计算机芯片、存储芯片、或任何其它的外部电子设备。该信号可任选地由天线，或者由微波能源、例如集成电路或真空管中可用的那些，或者由本领域技术人员通常已知的任何其它的源通过无线通信提供。
电路板可提供低介电常数和低介电损耗的益处，这可以导致较高的信号完整性、较低的数据损耗、和较低的电路操作电压、以及现有技术中所熟知的其它益处。该电路板还可以具有高的导热性，以用于高温应用。公开的电路板可以是移动电话的主要部分，或者有利地用于电话交换装置、计算机、高能微波设备、或者现有技术中通常已知的以微波频率操作的任何其它的电子器件。
在其他实施方式中，该复合材料结构可包括显示高弯曲强度和/或弯曲模量的一层或多层。例如，一层或多层可由下列物质形成：玻璃纤维纺织物或无纺织物、聚芳酰胺无纺织物(例如
Figure A200780029857D00161
织物)、或碳纤维垫或无纺织物。在一个具体实施方式中，这些其它材料可形成复合材料结构的外层，其中一层或多层夹在含有非晶聚合物增强纤维的两层之间。外层可为复合材料提供这些特殊材料的益处，但该复合材料结构仍然可具有低得多的重量，并且与之前已知的复合材料相比具有更低的成本同时由于在复合材料中包含非晶聚合物纤维而仍然保持期望的强度特性。
参考下列实施例将更好地理解本发明。
实施例1
Figure A200780029857D00171
6017环烯烃共聚物从Ticona获得。将小球进料到3/4＂挤出机中，其中挤出机区域1-3中挤出机温度设置为190℃、230℃和270℃，且熔融泵和纺丝头加热到290℃。聚合物通过具有0.020＂直径的15个孔的喷丝头挤出，并通过3米的室温空气，然后在第一导丝辊上拉紧，所述第一导丝辊在1000m/min下运行并设置为150℃的温度。然后使由此形成的纱线通过第二导丝辊，所述第二导丝辊在1320m/min下运行并且也设置为150℃，该纱线在第一和第二导丝辊之间拉伸。然后使该第一纱线通过在1320m/min和室温下运行的第三导丝辊，然后缠绕在线轴上。拉伸纱线的尺寸为60旦。然后将该第一纱线作为纬纱纺织穿过由450s玻璃纱以60经纱/英寸制成的经纱。纬纱以47纬纱/英寸纺织。然后将该织物浸入环氧树脂中，并在模子中层合，总计8层，加压以挤出过量的树脂，并使其固化。将由此形成的复合材料从模子中取出并测量电性质和机械性质，如下表1所示。
为了对比，以类似于上述复合材料的方式成型玻璃织物1080型，其经纱为60根/英寸的450s玻璃纱且纬纱为47根/英寸。类似地测试该复合材料，并且结果示于表1中。
表1
 
含有本发明纱线的织物 对比玻璃织物
介电常数 3.52 4.65
损耗角正切 0.018 0.021
弯曲模量 2764ksi 3125ksi
弯曲强度 42.4ksi 43.3ksi
密度 1.2g/cm3 1.6g/cm3
在与上述第一纱线相同的条件下制造第二纱线，除了聚合物流动更快从而产生120旦的纱线。将该纱线加捻，然后以与上述相同的配置纺织。该纱线也与450s玻璃纱加捻合股。该复合纱线以与上述织物相同的配置纺织。
上述第一纱线与450s玻璃纱线加捻合股。该复合纱线以与表1所述本发明的织物相同的配置纺织。检查该织物的缺陷并认为其对于电路板基底的应用是可接受的。
应该理解，上述实施例是为了说明的目的而给出的，不应解释为限制本发明的范围。虽然以上仅具体描述了本发明的若干实施方式，但本领域技术人员将容易认识到示范性实施方式中可进行许多改变而本质上不偏离本发明的新颖性教导和优点。因此，所有这种改变旨在包括于所附权利要求及其等价物限定的本发明的范围内。而且，应该认识到，可设想不实现某些实施方式的所有优点的许多实施方式，但是不认为缺少特别的优点就一定地表明这种实施方式超出本发明的范围。

Claims (26)

1.一种复合材料，包含：
聚合物树脂基体；
多种保持在聚合物树脂基体中的第一纤维，所述第一纤维具有低于约3.5的介电常数，所述第一纤维包含非晶聚合物；和
多种保持在聚合物树脂基体中的第二纤维。
2.权利要求1的复合材料，其中所述多种第一纤维和所述多种第二纤维在织物中。
3.权利要求1的复合材料，其中所述第二纤维是玻璃纤维。
4.权利要求1的复合材料，其中所述树脂是热固性树脂。
5.权利要求1的复合材料，其中所述第一纤维包含环烯烃共聚物。
6.权利要求1的复合材料，其中所述第一纤维具有大于约70克/旦的模量。
7.权利要求1的复合材料，其中所述复合材料具有小于约4.0的介电常数。
8.权利要求1的复合材料，其中所述第一纤维在广角X射线散射下观察时仅显示非晶晕型散射。
9.权利要求1的复合材料，其中所述第二纤维具有大于约150克/旦的模量。
10.一种多层复合材料，包含：
包括第一聚合物树脂基体和保持在所述第一聚合物树脂基体中的第一织物的第一层，所述第一织物包括多种聚合物纤维，所述聚合物纤维包含非晶聚合物，所述聚合物纤维具有小于约3.5的介电常数；和
固定于所述第一层的第二层，所述第二层包含第二聚合物树脂基体和保持在所述第二聚合物树脂基体中的第二织物。
11.权利要求10的多层复合材料，其中所述第一织物包含所述聚合物纤维和第二纤维。
12.权利要求11的多层复合材料，其中所述第二纤维是玻璃纤维。
13.权利要求10的多层复合材料，所述复合材料进一步包含固定于所述第一层或所述第二层的非连续层。
14.权利要求13的多层复合材料，其中所述非连续层形成电路。
15.权利要求10的多层复合材料，其中所述第二织物是玻璃纤维织物。
16.权利要求15的多层复合材料，其中所述第二层是外层。
17.权利要求10的多层复合材料，其中所述复合材料结构具有小于约2.0g/cm3的平均密度。
18.权利要求10的多层复合材料，其中所述复合材料结构具有小于约4.0的介电常数。
19.权利要求10的多层复合材料，其中所述第一层和所述第二层用第三聚合物树脂彼此固定。
20.权利要求10的多层复合材料，其中所述多层复合材料是电路板。
21.权利要求10的多层复合材料，其中所述第一聚合物树脂基体的聚合物树脂和所述第二聚合物树脂基体的聚合物树脂是相同的聚合物树脂。
22.一种方法，包括：
提供频率约100kHz至约100GHz的电磁波；
将层压结构置于所述电磁波的路径中，所述层压结构包括第一层，所述第一层包含第一聚合物树脂基体和保持在所述第一聚合物树脂基体中的第一织物，所述第一织物包括多种聚合物纤维，所述聚合物纤维包含非晶聚合物，所述聚合物纤维具有小于约3.5的介电常数；和
使所述电磁波通过所述层压结构。
23.权利要求22的方法，其中所述电磁波从碟形天线发射。
24.权利要求22的方法，其中所述层压结构是罩住电磁波发射器、电磁波接收器、或者两者的防护壳的一部分。
25.权利要求22的方法，其中所述第一层是层压结构的内层，所述层压结构进一步包括外层，所述外层包含选自下列的纤维：玻璃纤维、聚芳酰胺纤维、和超高分子量聚乙烯纤维。
26.权利要求22的方法，进一步包括所述电磁波从物体反射，并随后第二次使所述电磁波通过所述层压结构。
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