專利名稱：強度提高的玻璃纖維的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及透明增強材料和增強復(fù)合材料，更具體而言，涉及用于復(fù)合材料的透 明玻璃纖維和制造這類纖維的方法。
背景技術(shù)：
透明復(fù)合材料已知用于要求透光或視覺透明的車輛和其它應(yīng)用。這類透明復(fù)合材 料包括窗戶或其它用于透光的透明材料，特別是在惡劣的環(huán)境中和要求防彈的位置中。這 類增強進一步提供強度提高的窗戶或透明設(shè)備。透明復(fù)合材料通常包括在聚合物基體(基材)中的增強纖維。為了使復(fù)合材料透 明，基體材料和增強纖維由透明材料制造。材料通常被選擇以包括相同的光學(xué)特性，從而使
失真最小化。增強纖維的幾何形狀也影響賦予通過透明設(shè)備的光的失真。例如，圓形纖維(即， 具有圓形橫截面的纖維)提供棱柱或其它光學(xué)折射效果，其提供通過透明設(shè)備的光的總體失真。這些透明復(fù)合材料也要求經(jīng)受高撞擊和結(jié)構(gòu)負載，因此要求具有高強度特性。這 些復(fù)合材料的強度取決于基體材料和增強纖維的強度。增強纖維的強度是由纖維材料，制造過程中賦予纖維的幾何形狀和特征，如表面 裂紋、瑕疵、和其它不一致性確定。所需要的是纖維增強材料，其具有相對現(xiàn)有技術(shù)改進的表面特征。

發(fā)明內(nèi)容
本公開的第一方面包括增強透明復(fù)合基體的玻璃纖維。該纖維包括第一玻璃材料 和第二玻璃材料，所述第一玻璃材料具有第一組光學(xué)特征，包括但不限于第一折射率(RI)、 第一彈性模量(模量)、以及第一熱膨脹系數(shù)(CTE)，所述第二玻璃材料具有第二組光學(xué)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 本上一致的涂層。第二 CTE小于第一 CTE。本公開的另一個方面包括制造用于增強透明復(fù)合基體的玻璃纖維的方法，該方法 包括提供第一玻璃纖維預(yù)制品，所述第一玻璃纖維預(yù)制品具有第一 RI、第一模量、和第一 CTE ；基本上繞第一玻璃材料的橫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纖維預(yù)制品，其具有初始橫截面；熱加工初 始涂覆的玻璃纖維預(yù)制品以將初始橫截面減小至玻璃纖維的最終橫截面。選擇第二 CTE以 小于第一 CTE。本公開的其它特征和優(yōu)點可結(jié)合附圖，從優(yōu)選實施例的下面的更詳細描述中明顯 看出，附圖以例子的方式說明本公開的原理。


圖1示出根據(jù)本公開示例性實施方式的玻璃纖維的橫截面示意圖。圖2示出根據(jù)本公開的形成玻璃纖維的示例性方法。
具體實施例方式“透明的”，“透明性”和及其語法變化包括材料允許至少部分指向該材料的光通過 的能力，術(shù)語“光”包括感興趣的任何波長范圍，更具體而言是從約380nm到約IOOOnm的可 見光、近可見光和近紅外光范圍。參考圖1，示出了根據(jù)本公開的示例性玻璃纖維100的橫截面示圖。在圖1中可看 到，玻璃纖維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繞第一玻 璃材料110形成基本上一致的涂層。玻璃纖維100具有大致矩形的橫截面幾何形狀，其具 有總厚度T、第一材料厚度T1、第二玻璃材料涂層厚度T2、和寬度W。第一玻璃材料110和第 二玻璃材料120可以都是透明玻璃。在一個實施方式中，第一玻璃材料110和第二玻璃材 料120可以都是透明光學(xué)玻璃。在可選的實施方式中，玻璃纖維100可以具有不同的橫截面幾何形狀，例如但不 限于大致正方形、大致橢圓形、大致圓形和其它類似的幾何形狀。在一個實施方式中，玻璃纖維100具有在約1微米至約500微米之間的總厚度T， 且寬度W與總厚度T的寬高比(aspect ratio)在約5至約500之間。在另一個實施方式 中，玻璃纖維100具有在約5微米至約50微米之間的總厚度T，且寬度W與總厚度T的寬高 比在約10至50之間。在一個實施方式中，第二玻璃材料涂層厚度T2在第一玻璃材料厚度T1的約0. 至 約100%之間。在另一個實施方式中，第二玻璃材料涂層的厚度T2可以在約50納米到約5微 米之間。在又一個實施方式中，第二玻璃材料涂層厚度T2可以在約50納米至約1微米之間。在另一個實施方式中，玻璃纖維100具有在約5微米至5000微米之間的寬度W，且 寬度W與總厚度T的寬高比在約5至約500之間。在又一個實施方式中，玻璃纖維100具 有在約100微米到約500微米之間的寬度，且寬度W與總厚度T的寬高比在約10至約30 之間。第一玻璃材料110被選擇以具有第一組特性，包括但不限于，第一 RI、第一阿貝 數(shù)、第一透射、第一模量和第一 CTE。第二玻璃材料120被選擇以具有第二組特性，包括但 不限于，第二 RI、第二阿貝數(shù)、第二透射、第二模量和第二 CTE。第二 CTE被選擇為小于第一 CTE。第二玻璃材料120必須與第一玻璃材料110化學(xué)相容。而且，在形成玻璃纖維100 的方法過程中或在玻璃纖維100中，第二玻璃材料120不得含有負面影響第一玻璃材料110 的期望特性的元素。此外，第二玻璃材料120必須與第一玻璃材料110熱相容，以促進形成纖維100。 例如，第二玻璃材料120必須在熱加工溫度下具有與第一玻璃材料大致相同的粘度對溫度 曲線(viscosity versus temperatureprofile)。在一個實施方式中，第二 CTE比第一 CTE小約0%到約100%之間。在又一個實施 方式中，第二 CTE比第一 CTE小約70%到約90%之間。
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在一個實施方式中，第一 RI約等于聚合物材料的RI，其中玻璃纖維100用于形成 復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合結(jié)構(gòu)可以是窗戶。在另一個實施方式中，第一 RI基本上不同于第二 RI。在 又一個實施方式中，第一 RI約等于第二 RI。在另一個實施方式中，第二模量約等于或小于第一模量。在另一個實施方式中，第 二模量在約等于第一模量和比第一模量小約60%之間。在一個實施方式中，第二玻璃材料具有與第一玻璃材料大致相同的光學(xué)特性。第 二玻璃材料也可以在熱加工溫度下具有與第一玻璃材料大致相同的粘度對溫度曲線，以促 進形成玻璃纖維。玻璃纖維100可通過下面如圖2所示的示例性實施方式形成。首先，形成第一 玻璃材料的第一玻璃材料預(yù)制品，其具有期望的橫截面幾何形狀和寬高比，以提供第一玻 璃纖維預(yù)制品，如步驟200所示。第一玻璃材料預(yù)制品的橫截面可以是大致矩形、大致 正方形、大致圓形、或其它類似形狀。第一玻璃材料預(yù)制品可通過拉延(drawing)、旋壓 (spinning)、機械加工(machining)或其它類似工藝形成。然后將第一玻璃材料預(yù)制品涂覆有第二玻璃材料的基本一致的涂層，如步驟210 所示?？蔀槠谕墓鈱W(xué)性能而對第一玻璃材料進行選擇。為使第二玻璃材料的CTE比第一 玻璃材料的CTE低而對第二玻璃材料進行選擇。第二玻璃材料可以通過滑移(slumping)、化學(xué)氣相沉積、等離子體氣相沉積、溶 膠-凝膠工藝、漿料涂覆(slurry coating)或其它類似工藝而涂覆到第一玻璃材料預(yù)制品 上?？蛇x擇地，第二玻璃材料的涂層可以通過采用方法例如但不限于，反應(yīng)性化學(xué)擴散來對 第一材料預(yù)制品的表面成分進行改性而形成在第一玻璃材料預(yù)制品上。通過對第一玻璃材 料預(yù)制品成分的表面進行改性而形成第二玻璃材料，第二材料具有從涂覆的第一玻璃材料 預(yù)制品表面到第一玻璃材料預(yù)制品成分變化的成分梯度。改性表面的材料特性也具有從表 面處的第二玻璃材料的特性到離表面一定預(yù)定距離處的第一玻璃材料預(yù)制品材料的特性 的梯度。成分和特性梯度在本質(zhì)上可以是突變的或漸變的。在一個實施方式中，第一玻璃材料預(yù)制品具有大致矩形的橫截面，其厚度在0.5 約毫米至約12. 7厘米之間，且寬度與厚度的寬高比在約5至約500之間。在另一個實施方式中，第一玻璃材料預(yù)制品上的第二玻璃材料涂層厚度在約1微 米至25. 4毫米之間。在另一個實施方式中，第二玻璃材料涂層厚度在第一玻璃材料預(yù)制品厚度的約 0. 至約100%之間。涂覆的玻璃纖維預(yù)制品然后在加熱和壓力下通過本領(lǐng)域周知的方法被拉延，以形 成玻璃纖維，所述玻璃纖維具有矩形橫截面幾何形狀，其具有如上所論述的總厚度、第一材 料厚度、第二玻璃材料涂層厚度、和寬度，如步驟220中所示。玻璃纖維可以以連續(xù)、半連 續(xù)、或分步工藝形成。在一個實施方式中，涂覆的玻璃纖維是作為以后被拉延形成玻璃纖維 的原材料提供的。玻璃纖維可與環(huán)氧樹脂或其它聚合物一起使用，從而通過本領(lǐng)域普通技術(shù)人員了 解的方法形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，如窗戶。在一個實施方式中，形成的玻璃纖維的第二玻璃材料涂層厚度在第一玻璃材料厚 度的約0. 到約100%之間。在另一個實施方式中，第二玻璃材料涂層厚度可在約50納
6米至約5微米之間。在又一個實施方式中，第二玻璃材料涂層厚度可在約50納米至約1微 米之間。在另一個實施方式中，所形成的玻璃纖維具有在約1微米到約500微米之間的總 厚度，且寬度與總厚度的寬高比在約5至約500之間。在另一個實施方式中，所形成的玻璃 纖維具有在約5微米至約50微米之間的總厚度，且寬度與總厚度的寬高比約在10至50之 間。在另一個實施方式中，所形成的玻璃纖維具有在約5微米至5000微米之間的寬 度，并且寬度與總厚度的寬高比在約5至約500之間。在又一個實施方式中，玻璃纖維100 具有在約100微米至約500微米之間的寬度，并且寬度與總厚度的寬高比在約10至約30 之間。為了形成玻璃纖維，第一玻璃材料被選擇以具有第一組光學(xué)特性，包括但不限于， 第一 RI、第一阿貝數(shù)、第一透射、第一模量和第一 CTE，并且第二玻璃材料被選擇以具有第 二組光學(xué)特性，包括但不限于第二 RI、第二阿貝數(shù)、第二透射、第二模量和第二 CTE。第二 CTE被選擇為小于第一 CTE。第二玻璃材料120必須與第一玻璃材料110化學(xué)相容。而且，在形成玻璃纖維100 的方法過程中或在玻璃纖維100中，第二玻璃材料120不得含有負面影響第一玻璃材料110 的期望特性的元素。此外，第二玻璃材料120必須與第一玻璃材料110熱相容以促進形成纖維100。例 如，第二玻璃材料120必須在熱加工溫度下具有與第一玻璃材料大致相同的粘度對溫度曲 線。在一個實施方式中，形成的玻璃纖維包括第二玻璃材料，其具有比第一 CTE小約 0%到約100%之間的第二 CTE。在又一個實施方式中，第二 CTE在第一 CTE的約70%到約 90%之間。在另一個實施方式中，所形成的玻璃纖維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，所述第二模量約等于或小于第一模量。在另一個實施方式中， 第二模量在約等于第一模量至比第一模量小約60%之間。在一個實施方式中，所形成的玻璃纖維具有約等于聚合物材料的RI的第一 RI，其 中玻璃纖維100用于形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。復(fù)合結(jié)構(gòu)可以是窗戶。在另一個實施方式中，第一 RI 基本上不同于第二 RI。在又一個實施方式中，第一 RI約等于第二 RI。在一個實施方式中，所形成的玻璃纖維具有第一玻璃材料，其具有與第二玻璃材 料大致相同的光學(xué)性能。在另一個實施方式中，所形成的玻璃纖維具有第一玻璃材料，其在 熱加工溫度下具有與第二玻璃材料大致相同的粘度對溫度曲線。在一個例子中，玻璃纖維是通過選擇紐約Elmsford的SCHOTTNorth America公司 生產(chǎn)的光學(xué)玻璃N-SSK8作為第一玻璃材料形成的。該光學(xué)玻璃具有一組光學(xué)特性，包括但 不限于RI、阿貝數(shù)、透射、模量和CTE為7. 21e_6/C。具有較低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纖維。第二玻璃材料被選擇以與第一玻璃材料化學(xué)相容。 此外，第二玻璃材料被選擇以與第一玻璃材料熱相容從而促進形成玻璃纖維。例如，第二玻 璃材料必須在熱加工溫度下具有與第一玻璃材料大致相同的粘度對溫度曲線。在熱形成玻璃纖維的過程中，由于較低的CTE，第二玻璃材料將在冷卻過程中或之
7后賦予第一玻璃材料張力。這導(dǎo)致第二玻璃材料在形成后具有壓縮應(yīng)力。因為玻璃纖維的 強度直接與外表面上不一致性的存在和發(fā)展相關(guān)，玻璃纖維的強度將通過使第一和第二玻 璃材料的CTE失配(mismatching)而增加，如上面所論述。這是因為由于收縮而在第二玻 璃材料中形成的壓縮應(yīng)力將引起第二玻璃材料抵抗裂紋形成和裂紋蔓延。
雖然參考優(yōu)選實施方式已對本公開進行了描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可進 行各種變化并且等同物可替換其中的元件，而不偏離本公開范圍。此外，可以進行許多修改 以使特定的情形或材料適應(yīng)本公開的教導(dǎo)，而不偏離本發(fā)明的實質(zhì)范圍。因此，意圖不是將 本公開限于特定的實施方式——所述特定的實施方式作為考慮實施本公開的最佳方式而 被公開，而是本公開將包括所有落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的實施方式。
權(quán)利要求
用于增強透明復(fù)合基體的玻璃纖維，其包括第一玻璃材料(110)，其具有第一折射率、第一模量和第一熱膨脹系數(shù)；以及第二玻璃材料(120)，其具有第二折射率、第二模量和第二熱膨脹系數(shù)，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層；其中所述第二熱膨脹系數(shù)小于所述第一熱膨脹系數(shù)。
2.權(quán)利要求1所述的玻璃纖維，其中所述第二熱膨脹系數(shù)比所述第一熱膨脹系數(shù)小約 0%至100%之間。
3.權(quán)利要求1所述的玻璃纖維，其中所述第二熱膨脹系數(shù)在所述第一熱膨脹系數(shù)的約 70%至約90%之間。
4.權(quán)利要求1所述的玻璃纖維，其中所述第二模量在約等于所述第一模量至比所述第 一模量小約60%之間。
5.權(quán)利要求1所述的玻璃纖維，其中所述第一折射率約等于所述第二折射率。
6.權(quán)利要求1所述的玻璃纖維，其中所述第一折射率基本上不同于所述第二折射率。
7.權(quán)利要求1所述的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維具有選自下列的橫截面幾何形狀 大致矩形的幾何形狀、大致圓形的幾何形狀、大致橢圓形的幾何形狀和大致正方形的幾何 形狀。
8.權(quán)利要求6所述的玻璃纖維，其中所述橫截面幾何形狀是大致矩形的幾何形狀。
9.權(quán)利要求7所述的玻璃纖維，其中所述玻璃纖維具有在約1微米到約50微米之間的 總厚度，且寬度與總厚度的寬高比在約5至約500之間。
10.復(fù)合材料，其包含權(quán)利要求1的玻璃纖維。
11.制造用于增強透明復(fù)合基體的玻璃纖維的方法，其包括提供第一玻璃纖維預(yù)制品，其包含具有第一折射率、第一模量和第一熱膨脹系數(shù)的第 一玻璃材料(200)；用第二玻璃材料涂覆所述第一玻璃纖維預(yù)制品，所述第二玻璃材料具有第二折射率、 第二模量和第二熱膨脹系數(shù)，以形成具有初始橫截面的玻璃纖維預(yù)制品，所述橫截面具有 預(yù)制品總厚度(210)；以及熱加工所述玻璃纖維預(yù)制品，以將初始橫截面減小到最終橫截面，所述最終橫截面具 有總厚度、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層厚度；其中所述第二熱膨脹系數(shù)小于所述第一熱膨脹系數(shù)(220)。
12.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第二熱膨脹系數(shù)比所述第一熱膨脹系數(shù)小約 0%至約100%之間。
13.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第二熱膨脹系數(shù)在所述第一熱膨脹系數(shù)的約 70%至約90%之間。
14.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述第二模量在約等于所述第一模量至比所述第一 模量小約60%之間。
15.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述玻璃纖維具有選自下列的橫截面幾何形狀大 致矩形的幾何形狀、大致圓形的幾何形狀、大致橢圓形的幾何形狀和大致正方形的幾何形 狀。
16.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述橫截面幾何形狀是大致矩形的幾何形狀。
17.權(quán)利要求16所述的方法，其中所述玻璃纖維具有在約1微米到約500微米之間的 總厚度，并且寬度與總厚度的寬高比在約5至約500之間。
18.權(quán)利要求15所述的方法，其中所述玻璃纖維具有在約5微米至約50微米之間的總 厚度，并且寬度與總厚度的寬高比在約10至約50之間。
19.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述熱加工選自擠出、共擠出、熱拉延、旋壓和共旋壓。
20.權(quán)利要求11所述的方法，其中所述玻璃纖維形成為復(fù)合窗戶。
全文摘要
公開了玻璃纖維和制造玻璃纖維的方法，該玻璃纖維用于增強透明復(fù)合基體。該玻璃纖維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組機械特性，包括第一模量和第一熱膨脹系數(shù)(CTE)，所述第二玻璃材料具有第二組機械特性，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層。第二CTE小于第一CTE。玻璃纖維通過熱加工減小第一玻璃材料的玻璃纖維預(yù)制品橫截面而形成，所述第一玻璃材料涂覆有第二玻璃材料。由于所選的CTE差別，第一玻璃材料賦予第二玻璃材料壓縮應(yīng)力，這提高玻璃纖維的強度。
文檔編號C03B37/075GK101959815SQ200980107391
公開日2011年1月26日 申請日期2009年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月5日
發(fā)明者A·J·朗, A·M·馬庫斯, L·A·戈德比, M·S·維倫斯克艾 申請人:波音公司