脂燒盡"測(cè)試進(jìn)行測(cè)量，其中將樣品置于烘箱中（例如在600°C下持續(xù)3小 時(shí)），以燒掉所述樹(shù)脂。隨后可以測(cè)量剩余纖維的質(zhì)量以計(jì)算重量和體積分?jǐn)?shù)。可以根據(jù) ASTM D 2584-08來(lái)進(jìn)行這樣的"燒盡"測(cè)試，以確定纖維和聚合物基體的重量，隨后可以基 于如下的等式來(lái)用其計(jì)算"空隙分?jǐn)?shù)"：
[0126] Vf=100*(pt-Pc)/Pt
[0127] 其中，
[0128] Vf為空隙分?jǐn)?shù)，以百分比計(jì)；
[0129] P。為使用已知技術(shù)例如使用液體或氣體比重瓶(例如氦比重瓶)測(cè)量的復(fù)合件的 密度；
[0130] pt為通過(guò)如下的等式確定的復(fù)合件的理論密度：
[0131] Pt=l/[fff/Pf+ffm/pm]
[0132] pm為聚合物基體的密度(例如在合適的結(jié)晶度下）；
[0133] pf為纖維的密度；
[0134] Wf為纖維的重量分?jǐn)?shù);并且
[0135] Wm為聚合物基體的重量分?jǐn)?shù)。
[0136] 可替代地，可以根據(jù)ASTM D 3171-09通過(guò)化學(xué)溶解樹(shù)脂來(lái)確定空隙分?jǐn)?shù)。"燒盡" 和"溶解"方法特別適用于玻璃纖維，所述玻璃纖維通常是耐熔融和化學(xué)溶解的。然而，在其 它情況中，可以根據(jù)ASTM D 2734-09(方法A)基于聚合物、纖維、帶和/或桿的密度間接地計(jì) 算空隙分?jǐn)?shù)，其中可以根據(jù)ASTM D792-08方法A來(lái)確定密度。當(dāng)然，還可以使用常規(guī)顯微設(shè) 備來(lái)評(píng)價(jià)空隙分?jǐn)?shù)。
[0137] 如上所述的，在離開(kāi)浸漬模具150、412后，CFRT材料在一些實(shí)施方案中可以形成帶 158。在每個(gè)帶158中使用的粗紗數(shù)目可以是不同的。然而，典型地，帶158將包含從2根至80 根粗紗，并且在一些實(shí)施方案中為從10根至60根粗紗，并且在一些實(shí)施方案中為從20根至 50根粗紗。在一些實(shí)施方案中，可需要的是，粗紗在所述帶158內(nèi)彼此間隔大致相同的距離。 然而，在其它實(shí)施方案中，可需要的是將粗紗合并，使得粗紗的纖維整體上均勻地分配于整 個(gè)帶158中，例如如上所述均勻地分配于全部的一個(gè)或多個(gè)富含樹(shù)脂部分和富含纖維部分 中。在這些實(shí)施方案中，粗紗通常可為彼此不可區(qū)分的。例如參見(jiàn)圖23和24,所示實(shí)施方案 的帶158所包含的粗紗合并使得纖維400在其中整體上均勻地分配。如在圖18中所示的，在 示例性實(shí)施方案中，纖維整體上單向地延伸，例如沿著帶158的縱軸。
[0138] 在圖25中更加詳細(xì)地示出由如上所述的方法形成的復(fù)合桿750的一種實(shí)施方案。 如所述的，桿750具有整體上圓形的形狀，并包括如在本文中描述的由一根或多根經(jīng)固化的 粗紗142形成的芯部。"整體上圓形的"通常是指桿的縱橫比（高度除以寬度)典型地為從約 1.0至約1.5,并且在一些實(shí)施方案中為約1.0。如上所述的，由于對(duì)用于浸漬粗紗和形成帶 158的方法、以及用于將纖維束壓縮和成型為預(yù)型件并最終成型為桿的方法的選擇性控制， 桿750可以沿著其整個(gè)長(zhǎng)度具有相對(duì)均勻分配的樹(shù)脂214。這還意味著連續(xù)纖維以整體上均 勻的方式圍繞桿750的中心縱軸"L"分配。例如，如在圖25中所示的，桿750包括嵌入熱塑性 基體214內(nèi)的連續(xù)纖維400。纖維400整體上均勻地圍繞縱軸"L"分配。應(yīng)當(dāng)理解的是，在圖25 中僅示出少量的纖維，并且桿750將典型地包含顯著更大數(shù)目的均勻分配的纖維。
[0139] 由封蓋樹(shù)脂800形成的封蓋層804還可以圍繞桿750的周界延伸，并限定桿750的外 表面。可以策略性地選擇桿750的橫截面厚度（"T"）以幫助實(shí)現(xiàn)特定的長(zhǎng)度。例如，桿750可 以具有的厚度（例如直徑）為從約0.1至約40毫米，在一些實(shí)施方案中為從約0.5至約30毫 米，并且在一些實(shí)施方案中為從約1至約10毫米。封蓋層804的厚度取決于部件的目標(biāo)功能， 但是其典型地為從約0.01至約10毫米，并且在一些實(shí)施方案中為從約0.02至約5毫米。無(wú)論 如何，桿的總橫截面厚度或高度典型地為從約0.1至約50毫米，在一些實(shí)施方案中為從約 0.5至約40毫米，并且在一些實(shí)施方案中為從約1至約20毫米。雖然桿750在長(zhǎng)度上可以是基 本上連續(xù)的，但是桿的長(zhǎng)度實(shí)際上通常受卷軸或者連續(xù)纖維的長(zhǎng)度限制，其中將桿纏繞并 儲(chǔ)存于卷軸上。例如，所述長(zhǎng)度通常為從約1000至約5000米，盡管甚至更大的長(zhǎng)度確實(shí)是可 能的。
[0140] 通過(guò)使用根據(jù)本公開(kāi)的裝置和方法并控制如上所述的各種參數(shù)，可以形成具有非 常高強(qiáng)度的帶和桿。例如，所述桿可以表現(xiàn)出相對(duì)高的撓曲模量。術(shù)語(yǔ)"燒曲模量"通常意指 撓曲變形時(shí)的應(yīng)力與應(yīng)變的比值(每面積力的單位），或者材料彎曲的傾向。其典型地在室 溫下由"三點(diǎn)撓曲"測(cè)試(例如ASTM D790-10，步驟A)產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率確定。例 如，本發(fā)明的桿可以表現(xiàn)出的撓曲模量為約10吉帕（"GPa"）或更高，在一些實(shí)施方案中為從 約12至約400GPa，在一些實(shí)施方案中為從約15至約200GPa，并且在一些實(shí)施方案中為從約 20至約150GPa。此外，極限拉伸強(qiáng)度可以是約300兆帕（"MPa"）或更高，在一些實(shí)施方案中為 從約400MPa至約5，OOOMPa，并且在一些實(shí)施方案中為從約500MPa至約3，500MPa。術(shù)語(yǔ)"極限 拉伸強(qiáng)度"通常意指材料被拉伸或拉拔時(shí)在形成頸縮之前可以承受的最大應(yīng)力，和在室溫 下通過(guò)拉伸測(cè)試(例如ASTM D3916-08)產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變曲線上達(dá)到的最大應(yīng)力。拉伸彈性 模量還可以是約50GPa或更高，在一些實(shí)施方案中為從約70GPa至約500GPa，并且在一些實(shí) 施方案中為從約lOOGPa至約300GPa。術(shù)語(yǔ)"拉伸彈性模量"通常意指拉伸應(yīng)力與拉伸應(yīng)變的 比值，以及在室溫下通過(guò)拉伸測(cè)試(例如ASTM D3916-08)產(chǎn)生的應(yīng)力-應(yīng)變曲線的斜率。顯 著地，還可以在相對(duì)寬的溫度范圍內(nèi)（例如從約-40°C至約300°C并且特別是從約180°C至 200°C)保持如上所述的復(fù)合桿的強(qiáng)度性質(zhì)。
[0141] 根據(jù)本公開(kāi)制得的桿可以進(jìn)一步具有相對(duì)高的撓曲疲勞壽命，并可以表現(xiàn)出相對(duì) 高的殘余強(qiáng)度?？梢曰?三點(diǎn)撓曲疲勞"測(cè)試(例如ASTM D790)典型地在室溫下測(cè)定撓曲 疲勞壽命和殘余撓曲強(qiáng)度。例如，本發(fā)明的桿在160牛頓（"N"）或180N負(fù)載下的一百萬(wàn)次循 環(huán)后可表現(xiàn)出的殘余撓曲強(qiáng)度為約60千克每平方英寸（"ksi"）至約115ksi，在一些實(shí)施方 案中為約70ksi至約115ksi，并且在一些實(shí)施方案中為約95ksi至約115ksi。此外，所述桿的 撓曲強(qiáng)度可以表現(xiàn)出相對(duì)最小的下降。例如，具有約4%或更低、在一些實(shí)施方案為約3%或 更低的空隙分?jǐn)?shù)的桿在三點(diǎn)撓曲疲勞測(cè)試后可以表現(xiàn)出撓曲強(qiáng)度約1%的下降（例如，由約 106ksi的最大原始燒曲強(qiáng)度至約105ksi的最大殘余燒曲強(qiáng)度）?？梢栽谄跍y(cè)試之前和之 后例如使用如上所述的三點(diǎn)撓曲測(cè)試來(lái)測(cè)試撓曲強(qiáng)度。
[0142] 復(fù)合桿的線性熱膨脹系數(shù)可以小于約5、小于約4、小于約3或者小于約2,基于ppm 每°〇計(jì)。例如，所述系數(shù)(ppm/°C)可以是從約-0.25至約5;可替代地，為從約-0.17至約4;可 替代地，為從約-〇. 17至約3;可替代地，為從約-0.17至約2;或者可替代地，為從約0.29至約 1.18。對(duì)于這種線性熱膨脹系數(shù)所考慮的溫度范圍通常可以是-50°C至200°C范圍，0°C至 200°C范圍，0°C至175°C范圍，或者25°C至150°C范圍。在縱向方向上即沿著纖維的長(zhǎng)度測(cè)量 線性熱膨脹系數(shù)。
[0143] 復(fù)合桿還可以表現(xiàn)出相對(duì)小的"彎曲半徑"，其為所述桿可以彎曲而不會(huì)斷裂的最 小半徑，并由所述桿的內(nèi)曲率測(cè)量。較小的彎曲半徑意味著所述桿較柔軟，并可卷繞在較小 直徑的線軸上。這種性質(zhì)還使得所述桿更易于在目前使用金屬桿的方法中執(zhí)行。由于本發(fā) 明的改進(jìn)的方法和所得的桿，可實(shí)現(xiàn)的在約25°C的溫度下測(cè)定的彎曲半徑可以小于桿的外 徑的約40倍，在一些實(shí)施方案中為桿的外徑的從約1至約30倍，并且在一些實(shí)施方案中為桿 的外徑的從約2至約25倍。例如，在約25°C的溫度下測(cè)定的彎曲半徑可以小于約15厘米，在 一些實(shí)施方案中為從約0.5至約10厘米，并且在一些實(shí)施方案中為從約1至約6厘米。
[0144] 可以由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)實(shí)施本發(fā)明的這些和其它的改變和變化，而不會(huì)脫 離本發(fā)明的精神和范圍。此外，應(yīng)當(dāng)理解的是，各種實(shí)施方案的方面可以整體地或者部分地 互換。另外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將理解的是，上文的說(shuō)明僅為示例性的，并不意圖限定在 所附的權(quán)利要求中進(jìn)一步描述的本發(fā)明。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 復(fù)合桿，包含： 芯部，所述芯部包含： 熱塑性材料； 嵌入所述熱塑性材料中的多根連續(xù)纖維，所述多根連續(xù)纖維在所述熱塑性材料內(nèi)具有 整體上單向的取向；和 嵌入所述熱塑性材料中的傳感元件， 其中所述芯部具有約5%或更小的空隙分?jǐn)?shù)。2. 權(quán)利要求1的復(fù)合桿，進(jìn)一步包含整體上圍繞所述芯部的封蓋層，并且其中所述封蓋 層任選地不含有連續(xù)纖維。3. 權(quán)利要求1-2任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中所述封蓋層包含介電強(qiáng)度為至少約2KV/mm的熱 塑性聚合物。4. 權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中所述傳感元件為光纖電纜、射頻識(shí)別發(fā)射器、銅 纖維或鋁纖維之一。5. 權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中連續(xù)纖維的極限拉伸強(qiáng)度與每單位長(zhǎng)度質(zhì)量的 比值大于約1，〇〇〇兆帕每克每米，或者其中連續(xù)纖維占從約25wt. %至約80wt. %的桿，并且 所述熱塑性材料占從約20wt. %至約75wt. %的桿。6. 權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中所述桿具有約10吉帕的最小撓曲模量，或者其中 所述桿具有約300兆帕或更大的極限拉伸強(qiáng)度，或者其中所述桿具有約50吉帕或更大的拉 伸彈性模量，或者其中所述桿具有從約0.1至約50毫米的直徑，或者其中所述桿具有圓形橫 截面形狀。7. 權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中所述傳感元件與所述熱塑性材料結(jié)合。8. 權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中所述傳感元件與所述熱塑性材料未結(jié)合。9. 權(quán)利要求1-8任一項(xiàng)的復(fù)合桿，其中封蓋層整體上圍繞所述傳感元件。10. 復(fù)合帶，包含： 熱塑性材料； 嵌入所述熱塑性材料中的多根連續(xù)纖維，所述多根連續(xù)纖維在所述熱塑性材料內(nèi)具有 整體上單向的取向；和 嵌入所述熱塑性材料中的傳感元件。11. 權(quán)利要求10的復(fù)合帶，其中所述傳感元件為光纖電纜、射頻識(shí)別發(fā)射器、銅纖維或 鋁纖維之一。12. 權(quán)利要求10-11任一項(xiàng)的復(fù)合帶，其中連續(xù)纖維的極限拉伸強(qiáng)度與每單位長(zhǎng)度質(zhì)量 的比值大于約1，〇〇〇兆帕每克每米，或者其中連續(xù)纖維占從約25wt. %至約80wt. %的帶，并 且所述熱塑性材料占從約20wt. %至約75wt. %的帶。13. 權(quán)利要求10-12任一項(xiàng)的復(fù)合帶，其中所述傳感元件與所述熱塑性材料結(jié)合。14. 權(quán)利要求10-12任一項(xiàng)的復(fù)合帶，其中所述傳感元件與所述熱塑性材料未結(jié)合。15. 權(quán)利要求10-14任一項(xiàng)的復(fù)合帶，其中封蓋層整體上圍繞所述傳感元件。
【專利摘要】提供了復(fù)合桿和復(fù)合帶。在一種實(shí)施方案中，復(fù)合桿包括芯部，所述芯部包括熱塑性材料和嵌入所述熱塑性材料中的多根連續(xù)纖維。所述多根連續(xù)纖維在所述熱塑性材料內(nèi)具有整體上單向的取向。所述芯部進(jìn)一步包括嵌入所述熱塑性材料中的一個(gè)或多個(gè)傳感元件。所述芯部具有約5％或更小的空隙分?jǐn)?shù)。傳感元件例如可以是光纖電纜、射頻識(shí)別發(fā)射器、銅纖維或鋁纖維。
【IPC分類】E21B17/01
【公開(kāi)號(hào)】CN105556054
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201480037414
【發(fā)明人】A·森, D·伊斯特普, M·韋斯利, A·約翰遜
【申請(qǐng)人】提克納有限責(zé)任公司
【公開(kāi)日】2016年5月4日
【申請(qǐng)日】2014年6月1日
【公告號(hào)】EP3017136A2, US20150017416, WO2015002951A2, WO2015002951A3