基于具有光學可調折射率的基體的高溫度范圍和高應變范圍的透明復合材料的制作方法
【技術領域】
[0001]本公開一般地涉及復合材料并且，更特別地，涉及控制纖維增強的復合材料結構的透明度。
【背景技術】
[0002]由于其出眾的光學性能，在多種應用中玻璃被廣泛地用作透明體。例如，玻璃的單片板一般用作玻璃窗材料或者用作建筑物的建筑材料。在多種車輛應用中單片玻璃板也一般地用作透明體。不幸地，玻璃是相對致密的材料并且也是相對易碎的，使得需要相對大的厚度以提供有足夠強度的玻璃板以對抗負載下的破裂。
[0003]在試圖避免與單片玻璃板相關的重量不利中，透明體也可以由聚合材料制備。例如，單片板可以由透明聚合物形成，例如丙烯酸(例如，Plexiglas?)，其沒有玻璃致密并且具有良好的光學性能。不幸地，丙烯酸具有相對低的強度性能，使得其不適合用于其中需要高強度的應用。
[0004]考慮到與單片玻璃板相關的重量不利以及與單片聚合板相關的強度限制，制造者已經用纖維增強的聚合材料制備了透明體以提高透明體的強度和耐沖擊性。不幸地，某些環境因素可能對纖維增強的聚合材料的光學特性具有不良影響。例如，溫度的改變可能減小纖維增強的聚合材料的光學性質。
[0005]可見，本領域存在對用于控制隨溫度改變的纖維增強的透明體的光學性質的系統和方法的需要。
【發明內容】
[0006]具體地本公開解決并且緩和了與透明復合材料物件相關的以上所述需要，在實施方式中，本公開提供了可包括復合材料結構和光源的系統。復合材料結構可包括具有基體折射率的基體、嵌入基體中的多個纖維、和與基體和/或纖維一起包括的光反應材料。光源可以能夠發射活化波長的光，該活化波長的光誘導光反應材料中的反應，導致基體折射率改變。
[0007]在進一步的實施方式中，所公開的是包括復合材料板的系統，該復合材料板具有相對的外表面和側邊。復合材料板可包括基本上光學透明的具有基體折射率的基體，和多個基本上光學透明的嵌入基體中的纖維。纖維和/或基體可包括光敏發色團。光源可以配置為發射一個波長的光至側邊上或朝向側邊發射一個波長的光。該波長可以誘導發色團中的反應，導致基體折射率改變。
[0008]在進一步的實施方式中，所公開的是調節復合材料結構基體折射率的方法。該方法可包括從光源朝向復合材料結構發射活化波長的光，該復合材料結構含有具有基體折射率的基體和嵌入基體并具有纖維折射率的多個纖維。基體和/或纖維可包括光反應材料。方法可包括響應于入射在光反應材料上的活化波長誘導光反應材料中的反應，并且響應于光反應材料中的反應改變基體折射率。
[0009]可以在本公開不同的實施方式中獨立地實現，或者可以在又其它的實施方式中結合已經討論的特征、功能和優勢，參考以下描述和下列附圖，可以了解其進一步的細節。
【附圖說明】
[0010]通過參考附圖，本公開的這些和其他特征將變得更明顯，其中相同的數字指代全文中相同的部件，并且其中:
[0011]圖1是系統的框圖，該系統包括纖維增強的復合材料結構并且包括用于發射活化波長的光源，該纖維增強的復合材料結構含有包括在基體內和/或纖維內的光敏發色團，該活化波長誘導發色團中的反應，導致機體折射率改變；
[0012]圖2是復合材料結構的實例的透視圖，該復合結構包括嵌入在機體內的多個增強纖維，并且包括示意性地表示為各個顆粒的發色團，并且其中基體具有基體折射率和纖維具有纖維折射率并且進一步圖解了光源，該光源朝向復合材料結構的側邊發射光以誘導發色團中的反應；
[0013]圖3是圖2的系統的剖面圖并且圖解了纖維、基體和發色團，并且進一步圖解了溫度傳感器、應變傳感器和/或透明度傳感器，其任選地安裝在復合材料結構上以反饋至光源用于調節由光源發射的光以調節復合材料結構的溫度、機械應變和/或透明度水平的改變；
[0014]圖4是配置為偶氮苯分子的發色團的實例，該偶氮苯分子顯示了未活化狀態(左側)和響應于入射在偶氮苯分子上的活化波長的活化狀態(右側)；
[0015]圖5是在指定波長的折射率對溫度的圖表并且圖解了當發色團未被活化時隨溫度改變基體和纖維的折射率之間的失配，并且進一步圖解當發色團被激活時更密切匹配的基體和纖維的折射率；
[0016]圖6是含有第一光源和第二光源的系統的剖面圖，并且圖解了第一光源，該第一光源朝向復合材料結構的側邊發射第一波長的光；
[0017]圖7是系統的剖面圖，其圖解了第二光源，該第二光源朝向復合材料結構的側邊發射第二波長的光；
[0018]圖8是系統的剖面圖，該系統在復合材料結構的外表面上具有涂層以沿著復合材料結構內部的長度和/或寬度內部反射來自光源的光；
[0019]圖9是系統的剖面圖，該系統在復合材料結構的外表面上具有濾波器以防止活化波長的環境光穿過復合材料結構并活化發色團；
[0020]圖10是調節復合材料結構基體折射率的方法的一種或多種操作的流程圖的圖示。
【具體實施方式】
[0021]現在參考附圖，其中顯示是為了圖解本公開優選的和不同的實施方式的目的，圖1中所顯示的是系統100的框圖，該系統100包括復合材料結構102和用于朝向復合材料結構102發射光182的光源180。復合材料結構102可以由聚合物基體114和嵌入在基體114中的多個增強纖維116組成。纖維116可以具有纖維折射率200。基體114可以具有基體折射率202。有利地，基體114和/或纖維116可以包括可對一種或多種波長的光182敏感的光反應材料148，光182可以由光源180發射以誘導光反應材料148中的反應，導致基體114的折射率改變。在一個實例中，基體114和/或纖維116可以包括可對一種或多種波長的光182敏感的光敏發色團150，光182可以由光源180發射以誘導發色團150中的反應，導致基體114的折射率改變。在本文公開的任意實施方式中，基體114和/或纖維116可以包括一種或多種類型的光反應材料148，和/或基體114和/或纖維116可包括一種或多種類型的發色團150。在一些實例中，基體114和/或纖維116可包括光反應材料148，并且可不包括發色團150。
[0022]作為抵消或調節纖維折射率200中環境誘導的改變的手段，光源180可配置為發射光182，光182誘導光反應材料148和/或發色團150中的反應，導致基體114中折射率改變。例如，基體折射率202中光-誘導的改變可抵消纖維折射率200中熱-誘導的改變，該熱-誘導的改變可以因復合材料結構102的溫度改變發生。在另一個實例中，基體折射率202中光-誘導的改變可抵消或調節纖維折射率200中機械-誘導的改變，該機械誘導的改變可以因靜態和/或動態載荷下復合材料結構102的機械應變發生。
[0023]系統100可任選地包括一個或多個傳感器(例如，見圖3)，其配置為感測復合材料結構102中環境-誘導的改變。例如，系統100可包括一個或多個溫度傳感器126，其配置為感測復合材料結構102的溫度，和/或系統100可包括一個或多個應變傳感器130以感測復合材料結構102的機械應變。這種傳感器可產生傳感器信號128、132(圖3)，其可被傳送至光源180以允許光源180以誘導光反應材料148和/或發色團150中反應的方式發射光182，導致基體折射率202以與復合材料結構102中感測的環境改變相關或成比例的量改變。
[0024]例如，在復合材料結構102由基體114和纖維116形成，基體114和纖維116對于指定的溫度或溫度范圍在感興趣的波段例如紅外光譜和/或可見光譜基本上是光學透明的情況，作為增加各自的溫度范圍和/或應變范圍的手段一一在該范圍內復合材料結構102相對于缺乏發色團的復合材料結構保持基本上光學透明，由入射在光反應材料148和/或發色團150上的光源發射的波長誘導的基體折射率202的改變可抵消或調節基體折射率202的熱-誘導的改變和/或機械-誘導的改變。如以上所指出的，由于相對于纖維116基體114的折射率η的不同，纖維增強的聚合物基體復合材料結構102中的溫度改變可減小復合材料結構102的光學性質。雖然當發色團150在未活化狀態160(圖4)時對于指定的匹配點溫度T對于入射光的指定波長λ纖維116材料和基體114材料可任選地選擇具有大約相同或基本上相等的折射率η (例如，彼此在大約1 %內)，但是，如以下更詳細討論的，當復合材料結構102的溫度偏離(例如，相對增加或減小)匹配點溫度時在纖維116和基體114的折射率dn(A，T)/dT的溫度系數的不同可導致兩種材料的折射率的改變(例如，差異增大)。
[0025]有利地，當被光源180活化或進一步激發時，隨著由于在復合材料結構102上起作用的環境因素——例如復合材料結構102的溫度和/或機械應變的改變而基體折射率202改變，光反應材料148和/或發色團150提供用于調諧基體折射率202至基本上匹配或非常近似于(例如，在10%內，更優選地，在0.1%內)纖維折射率200的手段。例如，光源180可配置為發射一個或多個波長以對于在感興趣的波帶內的環境光122(圖9)和對于所述復合材料結構102的指定溫度范圍維持所述基體折射率202在小于所述纖維折射率200的約10%內的方式初始地活化或進一步激發所述光反應材料148和/或所述發色團150。在一個實施方式中，光源180可配置為發射一個或多個波長的光182以在紅外光譜和/或可見光譜內對于從大約-65°F至大約220°F的所述復合材料結構102的溫度范圍維持所述基體折射率202在所述纖維折射率200的大約3%內的方式活化和/或進一步激發發色團150。在一些實例中，光源180可配置為發射一個或多個波長的光182以維持基體折射率202在紅外光譜和/或可見光譜內的纖維折射率200的大約0.1%內的方式活化和/或進一步激發發色團150。
[0026]對于在感興趣的波段內的基本上光學透明的復合材料結構102，通過光源180活化光反應材料148和/或發色團150可增加復合材料結構102可保持基本上光學透明的范圍。例如，在可見光譜和/或紅外光譜中對于指定溫度或溫度范圍基本上光學透明的復合材料結構102，光反應材料148和/或發色團150的活化可允許復合材料結構102維持相對高度的光透過和低失真的周圍環境光122穿過復合材料結構102，并且可有效地擴大復合材料結構102保持基本上光學透明的有用的運行溫度或溫度范圍。然而，在其他的實例中，光反應材料148和/或發色團150可以被光源180活化以使另外的光學透明的復合材料結構102半透明，例如為了隱私的目的。
[0027]圖2顯示了系統100的實例，其包括配置為板104的纖維增強的聚合物基體復合材料結構102，該板104具有相對的外表面106和沿著復合材料結構102的周長的側邊112。在一些實例中，復合材料結構102可以配置作為透明體，例如擋風玻璃、窗口、天蓬、隔膜或交通工具例如陸地交通工具、空中交通工具例如飛機和/或太空飛行器的結構板。雖然顯示為具有大致正方形或長方形形狀的板10