CN101959815A - 强度提高的玻璃纤维 - Google Patents

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Abstract

公开了玻璃纤维和制造玻璃纤维的方法，该玻璃纤维用于增强透明复合基体。该玻璃纤维包括第一玻璃材料和第二玻璃材料，所述第一玻璃材料具有第一组机械特性，包括第一模量和第一热膨胀系数(CTE)，所述第二玻璃材料具有第二组机械特性，包括第二模量和第二CTE。第二玻璃材料在第一玻璃材料上形成基本上一致的涂层。第二CTE小于第一CTE。玻璃纤维通过热加工减小第一玻璃材料的玻璃纤维预制品横截面而形成，所述第一玻璃材料涂覆有第二玻璃材料。由于所选的CTE差别，第一玻璃材料赋予第二玻璃材料压缩应力，这提高玻璃纤维的强度。

Description

强度提高的玻璃纤维
技术领域
本公开涉及透明增强材料和增强复合材料，更具体而言，涉及用于复合材料的透明玻璃纤维和制造这类纤维的方法。
背景技术
透明复合材料已知用于要求透光或视觉透明的车辆和其它应用。这类透明复合材料包括窗户或其它用于透光的透明材料，特别是在恶劣的环境中和要求防弹的位置中。这类增强进一步提供强度提高的窗户或透明设备。
透明复合材料通常包括在聚合物基体(基材)中的增强纤维。为了使复合材料透明，基体材料和增强纤维由透明材料制造。材料通常被选择以包括相同的光学特性，从而使失真最小化。
增强纤维的几何形状也影响赋予通过透明设备的光的失真。例如，圆形纤维(即，具有圆形横截面的纤维)提供棱柱或其它光学折射效果，其提供通过透明设备的光的总体失真。
这些透明复合材料也要求经受高撞击和结构负载，因此要求具有高强度特性。这些复合材料的强度取决于基体材料和增强纤维的强度。
增强纤维的强度是由纤维材料，制造过程中赋予纤维的几何形状和特征，如表面裂纹、瑕疵、和其它不一致性确定。
所需要的是纤维增强材料，其具有相对现有技术改进的表面特征。
发明内容
本公开的第一方面包括增强透明复合基体的玻璃纤维。该纤维包括第一玻璃材料和第二玻璃材料，所述第一玻璃材料具有第一组光学特征，包括但不限于第一折射率(RI)、第一弹性模量(模量)、以及第一热膨胀系数(CTE)，所述第二玻璃材料具有第二组光学特性，包括但不限于第二RI、第二模量、和第二CTE。第二玻璃材料在第一玻璃材料上形成基本上一致的涂层。第二CTE小于第一CTE。
本公开的另一个方面包括制造用于增强透明复合基体的玻璃纤维的方法，该方法包括提供第一玻璃纤维预制品，所述第一玻璃纤维预制品具有第一RI、第一模量、和第一CTE；基本上绕第一玻璃材料的横截面涂覆第二玻璃材料，所述第二玻璃材料具有第二RI、第二模量、和第二CTE，以形成初始涂覆的玻璃纤维预制品，其具有初始横截面；热加工初始涂覆的玻璃纤维预制品以将初始横截面减小至玻璃纤维的最终横截面。选择第二CTE以小于第一CTE。
本公开的其它特征和优点可结合附图，从优选实施例的下面的更详细描述中明显看出，附图以例子的方式说明本公开的原理。
附图说明
图1示出根据本公开示例性实施方式的玻璃纤维的横截面示意图。
图2示出根据本公开的形成玻璃纤维的示例性方法。
具体实施方式
“透明的”，“透明性”和及其语法变化包括材料允许至少部分指向该材料的光通过的能力，术语“光”包括感兴趣的任何波长范围，更具体而言是从约380nm到约1000nm的可见光、近可见光和近红外光范围。
参考图1，示出了根据本公开的示例性玻璃纤维100的横截面示图。在图1中可看到，玻璃纤维100包括第一玻璃材料110和第二玻璃材料120。第二玻璃材料120绕第一玻璃材料110形成基本上一致的涂层。玻璃纤维100具有大致矩形的横截面几何形状，其具有总厚度T、第一材料厚度T1、第二玻璃材料涂层厚度T2、和宽度W。第一玻璃材料110和第二玻璃材料120可以都是透明玻璃。在一个实施方式中，第一玻璃材料110和第二玻璃材料120可以都是透明光学玻璃。
在可选的实施方式中，玻璃纤维100可以具有不同的横截面几何形状，例如但不限于大致正方形、大致椭圆形、大致圆形和其它类似的几何形状。
在一个实施方式中，玻璃纤维100具有在约1微米至约500微米之间的总厚度T，且宽度W与总厚度T的宽高比(aspect ratio)在约5至约500之间。在另一个实施方式中，玻璃纤维100具有在约5微米至约50微米之间的总厚度T，且宽度W与总厚度T的宽高比在约10至50之间。
在一个实施方式中，第二玻璃材料涂层厚度T2在第一玻璃材料厚度T1的约0.1％至约100％之间。在另一个实施方式中，第二玻璃材料涂层的厚度T2可以在约50纳米到约5微米之间。在又一个实施方式中，第二玻璃材料涂层厚度T2可以在约50纳米至约1微米之间。
在另一个实施方式中，玻璃纤维100具有在约5微米至5000微米之间的宽度W，且宽度W与总厚度T的宽高比在约5至约500之间。在又一个实施方式中，玻璃纤维100具有在约100微米到约500微米之间的宽度，且宽度W与总厚度T的宽高比在约10至约30之间。
第一玻璃材料110被选择以具有第一组特性，包括但不限于，第一RI、第一阿贝数、第一透射、第一模量和第一CTE。第二玻璃材料120被选择以具有第二组特性，包括但不限于，第二RI、第二阿贝数、第二透射、第二模量和第二CTE。第二CTE被选择为小于第一CTE。
第二玻璃材料120必须与第一玻璃材料110化学相容。而且，在形成玻璃纤维100的方法过程中或在玻璃纤维100中，第二玻璃材料120不得含有负面影响第一玻璃材料110的期望特性的元素。
此外，第二玻璃材料120必须与第一玻璃材料110热相容，以促进形成纤维100。例如，第二玻璃材料120必须在热加工温度下具有与第一玻璃材料大致相同的粘度对温度曲线(viscosity versus temperatureprofile)。
在一个实施方式中，第二CTE比第一CTE小约0％到约100％之间。在又一个实施方式中，第二CTE比第一CTE小约70％到约90％之间。
在一个实施方式中，第一RI约等于聚合物材料的RI，其中玻璃纤维100用于形成复合结构。复合结构可以是窗户。在另一个实施方式中，第一RI基本上不同于第二RI。在又一个实施方式中，第一RI约等于第二RI。
在另一个实施方式中，第二模量约等于或小于第一模量。在另一个实施方式中，第二模量在约等于第一模量和比第一模量小约60％之间。
在一个实施方式中，第二玻璃材料具有与第一玻璃材料大致相同的光学特性。第二玻璃材料也可以在热加工温度下具有与第一玻璃材料大致相同的粘度对温度曲线，以促进形成玻璃纤维。
玻璃纤维100可通过下面如图2所示的示例性实施方式形成。首先，形成第一玻璃材料的第一玻璃材料预制品，其具有期望的横截面几何形状和宽高比，以提供第一玻璃纤维预制品，如步骤200所示。第一玻璃材料预制品的横截面可以是大致矩形、大致正方形、大致圆形、或其它类似形状。第一玻璃材料预制品可通过拉延(drawing)、旋压(spinning)、机械加工(machining)或其它类似工艺形成。
然后将第一玻璃材料预制品涂覆有第二玻璃材料的基本一致的涂层，如步骤210所示。可为期望的光学性能而对第一玻璃材料进行选择。为使第二玻璃材料的CTE比第一玻璃材料的CTE低而对第二玻璃材料进行选择。
第二玻璃材料可以通过滑移(slumping)、化学气相沉积、等离子体气相沉积、溶胶-凝胶工艺、浆料涂覆(slurry coating)或其它类似工艺而涂覆到第一玻璃材料预制品上。可选择地，第二玻璃材料的涂层可以通过采用方法例如但不限于，反应性化学扩散来对第一材料预制品的表面成分进行改性而形成在第一玻璃材料预制品上。通过对第一玻璃材料预制品成分的表面进行改性而形成第二玻璃材料，第二材料具有从涂覆的第一玻璃材料预制品表面到第一玻璃材料预制品成分变化的成分梯度。改性表面的材料特性也具有从表面处的第二玻璃材料的特性到离表面一定预定距离处的第一玻璃材料预制品材料的特性的梯度。成分和特性梯度在本质上可以是突变的或渐变的。
在一个实施方式中，第一玻璃材料预制品具有大致矩形的横截面，其厚度在0.5约毫米至约12.7厘米之间，且宽度与厚度的宽高比在约5至约500之间。
在另一个实施方式中，第一玻璃材料预制品上的第二玻璃材料涂层厚度在约1微米至25.4毫米之间。
在另一个实施方式中，第二玻璃材料涂层厚度在第一玻璃材料预制品厚度的约0.1％至约100％之间。
涂覆的玻璃纤维预制品然后在加热和压力下通过本领域周知的方法被拉延，以形成玻璃纤维，所述玻璃纤维具有矩形横截面几何形状，其具有如上所论述的总厚度、第一材料厚度、第二玻璃材料涂层厚度、和宽度，如步骤220中所示。玻璃纤维可以以连续、半连续、或分步工艺形成。在一个实施方式中，涂覆的玻璃纤维是作为以后被拉延形成玻璃纤维的原材料提供的。
玻璃纤维可与环氧树脂或其它聚合物一起使用，从而通过本领域普通技术人员了解的方法形成复合结构，如窗户。
在一个实施方式中，形成的玻璃纤维的第二玻璃材料涂层厚度在第一玻璃材料厚度的约0.1％到约100％之间。在另一个实施方式中，第二玻璃材料涂层厚度可在约50纳米至约5微米之间。在又一个实施方式中，第二玻璃材料涂层厚度可在约50纳米至约1微米之间。
在另一个实施方式中，所形成的玻璃纤维具有在约1微米到约500微米之间的总厚度，且宽度与总厚度的宽高比在约5至约500之间。在另一个实施方式中，所形成的玻璃纤维具有在约5微米至约50微米之间的总厚度，且宽度与总厚度的宽高比约在10至50之间。
在另一个实施方式中，所形成的玻璃纤维具有在约5微米至5000微米之间的宽度，并且宽度与总厚度的宽高比在约5至约500之间。在又一个实施方式中，玻璃纤维100具有在约100微米至约500微米之间的宽度，并且宽度与总厚度的宽高比在约10至约30之间。
为了形成玻璃纤维，第一玻璃材料被选择以具有第一组光学特性，包括但不限于，第一RI、第一阿贝数、第一透射、第一模量和第一CTE，并且第二玻璃材料被选择以具有第二组光学特性，包括但不限于第二RI、第二阿贝数、第二透射、第二模量和第二CTE。第二CTE被选择为小于第一CTE。
第二玻璃材料120必须与第一玻璃材料110化学相容。而且，在形成玻璃纤维100的方法过程中或在玻璃纤维100中，第二玻璃材料120不得含有负面影响第一玻璃材料110的期望特性的元素。
此外，第二玻璃材料120必须与第一玻璃材料110热相容以促进形成纤维100。例如，第二玻璃材料120必须在热加工温度下具有与第一玻璃材料大致相同的粘度对温度曲线。
在一个实施方式中，形成的玻璃纤维包括第二玻璃材料，其具有比第一CTE小约0％到约100％之间的第二CTE。在又一个实施方式中，第二CTE在第一CTE的约70％到约90％之间。
在另一个实施方式中，所形成的玻璃纤维包括具有第一模量的第一玻璃材料和具有第二模量的第二玻璃材料，所述第二模量约等于或小于第一模量。在另一个实施方式中，第二模量在约等于第一模量至比第一模量小约60％之间。
在一个实施方式中，所形成的玻璃纤维具有约等于聚合物材料的RI的第一RI，其中玻璃纤维100用于形成复合结构。复合结构可以是窗户。在另一个实施方式中，第一RI基本上不同于第二RI。在又一个实施方式中，第一RI约等于第二RI。
在一个实施方式中，所形成的玻璃纤维具有第一玻璃材料，其具有与第二玻璃材料大致相同的光学性能。在另一个实施方式中，所形成的玻璃纤维具有第一玻璃材料，其在热加工温度下具有与第二玻璃材料大致相同的粘度对温度曲线。
在一个例子中，玻璃纤维是通过选择纽约Elmsford的SCHOTTNorth America公司生产的光学玻璃N-SSK8作为第一玻璃材料形成的。该光学玻璃具有一组光学特性，包括但不限于RI、阿贝数、透射、模量和CTE为7.21e-6/C。具有较低CTE的第二玻璃材料然后被用于涂覆第一玻璃材料并形成玻璃纤维。第二玻璃材料被选择以与第一玻璃材料化学相容。此外，第二玻璃材料被选择以与第一玻璃材料热相容从而促进形成玻璃纤维。例如，第二玻璃材料必须在热加工温度下具有与第一玻璃材料大致相同的粘度对温度曲线。
在热形成玻璃纤维的过程中，由于较低的CTE，第二玻璃材料将在冷却过程中或之后赋予第一玻璃材料张力。这导致第二玻璃材料在形成后具有压缩应力。因为玻璃纤维的强度直接与外表面上不一致性的存在和发展相关，玻璃纤维的强度将通过使第一和第二玻璃材料的CTE失配(mismatching)而增加，如上面所论述。这是因为由于收缩而在第二玻璃材料中形成的压缩应力将引起第二玻璃材料抵抗裂纹形成和裂纹蔓延。
虽然参考优选实施方式已对本公开进行了描述，但本领域技术人员将理解，可进行各种变化并且等同物可替换其中的元件，而不偏离本公开范围。此外，可以进行许多修改以使特定的情形或材料适应本公开的教导，而不偏离本发明的实质范围。因此，意图不是将本公开限于特定的实施方式——所述特定的实施方式作为考虑实施本公开的最佳方式而被公开，而是本公开将包括所有落入所附权利要求的范围内的实施方式。

Claims (20)

1.用于增强透明复合基体的玻璃纤维，其包括：
第一玻璃材料(110)，其具有第一折射率、第一模量和第一热膨胀系数；以及
第二玻璃材料(120)，其具有第二折射率、第二模量和第二热膨胀系数，所述第二玻璃材料在所述第一玻璃材料上形成基本上一致的涂层；
其中所述第二热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数。
2.权利要求1所述的玻璃纤维，其中所述第二热膨胀系数比所述第一热膨胀系数小约0％至100％之间。
3.权利要求1所述的玻璃纤维，其中所述第二热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的约70％至约90％之间。
4.权利要求1所述的玻璃纤维，其中所述第二模量在约等于所述第一模量至比所述第一模量小约60％之间。
5.权利要求1所述的玻璃纤维，其中所述第一折射率约等于所述第二折射率。
6.权利要求1所述的玻璃纤维，其中所述第一折射率基本上不同于所述第二折射率。
7.权利要求1所述的玻璃纤维，其中所述玻璃纤维具有选自下列的横截面几何形状：大致矩形的几何形状、大致圆形的几何形状、大致椭圆形的几何形状和大致正方形的几何形状。
8.权利要求6所述的玻璃纤维，其中所述横截面几何形状是大致矩形的几何形状。
9.权利要求7所述的玻璃纤维，其中所述玻璃纤维具有在约1微米到约50微米之间的总厚度，且宽度与总厚度的宽高比在约5至约500之间。
10.复合材料，其包含权利要求1的玻璃纤维。
11.制造用于增强透明复合基体的玻璃纤维的方法，其包括：
提供第一玻璃纤维预制品，其包含具有第一折射率、第一模量和第一热膨胀系数的第一玻璃材料(200)；
用第二玻璃材料涂覆所述第一玻璃纤维预制品，所述第二玻璃材料具有第二折射率、第二模量和第二热膨胀系数，以形成具有初始横截面的玻璃纤维预制品，所述横截面具有预制品总厚度(210)；以及
热加工所述玻璃纤维预制品，以将初始横截面减小到最终横截面，所述最终横截面具有总厚度、所述第一玻璃材料的厚度和所述第二玻璃材料的基本上一致的涂层厚度；
其中所述第二热膨胀系数小于所述第一热膨胀系数(220)。
12.权利要求11所述的方法，其中所述第二热膨胀系数比所述第一热膨胀系数小约0％至约100％之间。
13.权利要求11所述的方法，其中所述第二热膨胀系数在所述第一热膨胀系数的约70％至约90％之间。
14.权利要求11所述的方法，其中所述第二模量在约等于所述第一模量至比所述第一模量小约60％之间。
15.权利要求11所述的方法，其中所述玻璃纤维具有选自下列的横截面几何形状：大致矩形的几何形状、大致圆形的几何形状、大致椭圆形的几何形状和大致正方形的几何形状。
16.权利要求15所述的方法，其中所述横截面几何形状是大致矩形的几何形状。
17.权利要求16所述的方法，其中所述玻璃纤维具有在约1微米到约500微米之间的总厚度，并且宽度与总厚度的宽高比在约5至约500之间。
18.权利要求15所述的方法，其中所述玻璃纤维具有在约5微米至约50微米之间的总厚度，并且宽度与总厚度的宽高比在约10至约50之间。
19.权利要求11所述的方法，其中所述热加工选自挤出、共挤出、热拉延、旋压和共旋压。
20.权利要求11所述的方法，其中所述玻璃纤维形成为复合窗户。
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