纖維增強復(fù)合材料的改善或有關(guān)纖維增強復(fù)合材料的改善的制作方法
【專利說明】纖維増強復(fù)合材料的改善或有關(guān)纖維増強復(fù)合材料的改善
[0001] 本發(fā)明涉及纖維增強復(fù)合材料，其包含纖維增強材料和樹脂材料；特別涉及但不 限于樹脂浸漬或預(yù)浸漬復(fù)合材料或預(yù)浸料。
[0002] 常規(guī)地，復(fù)合材料部件通過將纖維增強材料層堆積來制造，所述纖維增強材料層 預(yù)浸漬有可固化樹脂材料（預(yù)浸料）。隨后，通過將疊層加熱同時將其壓縮使樹脂材料固 化。這使得樹脂流動以使纖維疊層凝固，隨后固化。這導(dǎo)致一體化層狀復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。復(fù) 合層狀結(jié)構(gòu)強固且質(zhì)輕；它們的應(yīng)用是公知的，經(jīng)常用于工業(yè)應(yīng)用如汽車、航空航天和海洋 應(yīng)用。例如，這些結(jié)構(gòu)廣泛用于風(fēng)能應(yīng)用如風(fēng)力渦輪機葉片，特別是葉片外殼、內(nèi)部梁和梁 根部。它們也用于體育用品如滑雪板、滑板、沖浪板、帆板等。
[0003] 典型地，用于生產(chǎn)復(fù)合材料部件的樹脂材料為熱固性樹脂如環(huán)氧樹脂或聚氨酯樹 月旨。然而，也可以使用熱塑性樹脂。樹脂材料的選擇取決于層壓板的應(yīng)用和使用。此外，增 強材料可選自多種多樣的適宜纖維，通常這些纖維包括碳纖維、芳族聚酰胺纖維、玄武巖纖 維或玻璃纖維。
[0004] 在預(yù)浸料疊鋪期間，空氣可被捕獲于預(yù)浸料層間（層間空氣），也可被捕獲于預(yù)浸 料層內(nèi)（層內(nèi)空氣）。通常，在預(yù)浸料材料制造期間由于不完美浸漬可能存在層內(nèi)空氣，在 多層疊層內(nèi)的多個預(yù)浸料層成型的疊鋪期間，可保持捕獲層內(nèi)空氣。
[0005] -旦固化，層間空氣和層內(nèi)空氣在圍繞纖維的樹脂基體中形成空隙。在受壓組件 中，由預(yù)浸料模制材料形成層壓板的空隙率顯著地影響性能，因為各空隙都是降低機械性 質(zhì)的潛在缺陷點?？障犊捎绊懣v向和橫向撓曲強度與模量，層間剪切強度，壓縮強度與模 量，縱向和橫向拉伸強度與模量，以及耐疲勞性。此外，空隙可降低復(fù)合材料的高溫耐久性 和吸水性。低的空隙率使機械強度最大化和確保強度一致性。
[0006] EP1128958公開主要是未浸漬的纖維層聯(lián)接至中心樹脂層的多層模制材料。未 浸漬的纖維層促使除去所捕獲的空氣，其中通過連接樹脂層使第一纖維層與第二纖維層連 接。纖維層定義為優(yōu)選單向的織物。這些單向織物常規(guī)地為包含纖維絲束的機織物，所述 纖維絲束沿著織物長度（或經(jīng)向）方向延伸，所述絲束通過沿著煒向（與長度方向垂直） 存在的織造纖維保持在適當位置。
[0007] 機織物通常包含沿著織物長度方向的經(jīng)向絲束和沿著織物橫向方向的煒向纖維 絲束這二者。絲束由共同形成絲束的多根纖維元件（稱為長絲）組成。經(jīng)向絲束和煒向絲 束可以包含相同材料和具有相同重量，或它們可以包含不同的材料和/或重量。可以以彼 此間為+/-10°至+/-90°的角度來配置經(jīng)向絲束和煒向絲束。
[0008] 一些機織物如煒向單向織物包含相對少量的經(jīng)向絲束。這提供具有充分穩(wěn)定性的 織物以使得煒向絲束相對于長度方向而煒斜。這通過向織物一側(cè)施加張力保持相反側(cè)織物 來實現(xiàn)。這例如公開于EP1880819中。典型地，該性質(zhì)的織物具有70-90%的煒向纖維和 30-10%的穩(wěn)定化經(jīng)向纖維。煒斜織物具有如下缺點：煒向纖維絲束的存在使得卷曲引入經(jīng) 向纖維絲束中。反過來，這影響由這些材料生產(chǎn)的復(fù)合材料部件的機械性能。此外，織造纖 維引起在織物其它平面上的微小偏移。這些偏移作為在施用樹脂形成預(yù)浸料時捕獲空氣的 部位而起作用。然后，所捕獲的空氣在最終層壓板中變成空隙，所述空隙進一步降低機械性 質(zhì)。
[0009] 纖維增強復(fù)合材料通常是各向異性的，因此它們典型地顯示各向異性機械性質(zhì)。 復(fù)合材料材料中的最佳加載方向平行于其纖維方向。因此，在經(jīng)歷復(fù)雜多向載荷的組件中， 通常形成具有多種纖維方向的疊鋪層，從而形成準各向同性的層壓板。這常通過使用具有 不同纖維方向的機織物，或通過在模具中沿著不同取向使織物沉積來實現(xiàn)。然而，機織物具 有前面所述的卷曲的缺點。
[0010] 無紡織物的范圍從包含無規(guī)方向纖維元件的織物如短切纖維織物，到包含有規(guī)、 基本平行方向絲束的織物。在本申請內(nèi)，我們將后者織物稱為"取向增強織物"。在取向增 強織物中，通常將織物長度方向稱為煒向，將與其垂直的方向稱為經(jīng)向-即使這些織物不 是織造形式（"非織造"）也如此。
[0011] 取向增強織物相對于前述機織物的重要優(yōu)點在于，纖維絲束不受卷曲影響，因此 所得復(fù)合結(jié)構(gòu)具有改善的機械性能。
[0012] 然而，取向增強織物需要多層取向單向纖維從而支持纖維取向，它們也需要垂直 于多個織物層進行織物的十字刺繡，從而使生產(chǎn)、處理和浸漬期間的織物穩(wěn)定。結(jié)果，這些 織物的制造工藝復(fù)雜且不充分。
[0013] 該多層取向織物的實例公開于EP 0 768 167、DE 10 2005 000 115、EP 1 693 496和DE 10 2006 057 633中。在各自這些文獻中，單向連續(xù)纖維絲束以相對于織物長度 方向的角度位移和它們共纏繞，從而形成多軸織物，由此使一層纖維絲束支持另一層纖維 絲束。纏繞方法非常復(fù)雜，因為這需要大卷的單向纖維絲束在旋轉(zhuǎn)運動中移動，。這限制多 軸織物的生產(chǎn)速度（不充分），因此這些材料的生產(chǎn)成本昂貴。特別地，以該方式不能生產(chǎn) 重量重的多軸織物。
[0014] 此外，迄今為止，生產(chǎn)包含取向織物層的預(yù)浸漬模制材料已不可行，其中各層具有 大于200g/m 2(gsm)的高纖維重量。十字刺繡重絲束以穩(wěn)定這些材料是困難的。此外，在浸 漬織物以形成預(yù)浸料模制材料時，這些材料的層內(nèi)空隙率大，因為難以充分浸漬重織物結(jié) 構(gòu)。
[0015] 本發(fā)明旨在克服上述問題和/或通常提供改善之處。
[0016] 根據(jù)本發(fā)明，提供所附權(quán)利要求任一項所限定的模制材料和方法。
[0017] 在一個實施方式中，提供非織造單向絲束和支持結(jié)構(gòu)的單層織物，所述非織造單 向絲束以相對于織物長度方向為大于0°的角度配置，所述支持結(jié)構(gòu)用于維持絲束配置。
[0018] 優(yōu)選絲束是不連續(xù)的。這意指絲束在整個織物不是連續(xù)的長度。
[0019] 在一個優(yōu)選實施方式中，絲束具有對應(yīng)于以下的長度：寬度織物/c〇s(經(jīng)向角 (warp angle))。經(jīng)向角為絲束相對于經(jīng)向的角度。
[0020] 絲束可以從織物一側(cè)延伸至織物另一側(cè)。優(yōu)選絲束以經(jīng)向針織形式通過支持結(jié)構(gòu) 保持在適當位置。纖維絲束重量相對于經(jīng)向針跡重量的比率可以為1200:10至1200:1，或 1200:8 至 1200:5,或 800:10 至 800:1，或 800:8 至 800:5,或 600:10 至 600:1，或 600:8 至 600:5 或 500:10 至 500:1、500:8 至 500:5 或 400:10 至 400:1，或 400:8 至 400:5 或 300:10 至300:1，或300:8至300:5和/或前述范圍的組合。
[0021] 在一個實施方式中，提供包含單層非織造纖維絲束的織物，絲束通過支持結(jié)構(gòu)保 持在適當位置?？椢锞哂虚L度或徑向或0°的方向，和垂直、橫向或煒向或90°的方向。支 持結(jié)構(gòu)可以為沿著經(jīng)向或0°方向延伸的支持紗形式。絲束可以相對于經(jīng)向或0°方向為 2°至90°、優(yōu)選20°至60°的角度配置。
[0022] 絲束以與關(guān)于經(jīng)向取向或煒斜相對的該角度配置。此外，經(jīng)向不存在織造形式，從 而防止或降低纖維絲束中的卷曲效果。
[0023] 在本發(fā)明的一個進一步實施方式中，提供包含織物的模制材料，所述織物包含單 層非織造纖維絲束，絲束通過支持結(jié)構(gòu)和可固化樹脂基體保持在適當位置。
[0024] 在本發(fā)明的另一實施方式中，提供包含纖維增強層和可固化樹脂基體的模制材 料，其中纖維增強層包含無紡織物，織物包含單向纖維絲束和支持結(jié)構(gòu)，所述單向纖維絲束 以相對于織物長度方向為大于0°的角度配置，所述支持結(jié)構(gòu)用于維持絲束配置。
[0025] 在另一實施方式中，可固化樹脂基體位于兩個纖維增強層之間和可固化樹脂基體 部分浸漬纖維增強層。
[0026] 在一個進一步實施方式中，纖維增強層可以通過樹脂基體的粘著性保持在樹脂基 體上的適當位置。一個或多個纖維增強層可以指觸干燥?？晒袒瘶渲w也可以部分浸漬 纖維增強層。
[0027] 在一個進一步實施方式中，兩層纖維增強織物包含以相對于織物長度方向為對角 配置的單向纖維。
[0028] 在另一實施方式中，樹脂基體可以形成支持結(jié)構(gòu)。
[0029] 在又一實施方式中，纖維增強層可以位于樹脂基體上。樹脂基體可以通過其固有 的粘著性將纖維增強層保持在適當位置。樹脂基體可以部分浸漬纖維增強層。
[0030] 支持結(jié)構(gòu)支持單向絲束的配置從而維持其取向。支持結(jié)構(gòu)可以不同形式提供：作 為額外的織物層，作為粘合劑，作為針織形式的紗，或作為纖維環(huán)或束縛絲束的捆扎，或作 為固化、部分固化或未固化形式的樹脂基體和/或前述形式的組合。施用支持結(jié)構(gòu)從而不 顯著破壞纖維絲束的配置，不包含在織物中織造的任何纖維，因而不會使任何卷曲引入織 物中。這使得織物表面能夠形成有較平滑的表面輪廓，降低在施用樹脂時對著織物或織物 內(nèi)部所捕獲的空氣（層內(nèi)空氣）。
[0031] 可以將支持結(jié)構(gòu)施用至纖維增強層以提供排氣路徑，從而除提供所需織物支持以 外，也降低空隙的形成。
[0032] 在一個實施方式中，支持結(jié)構(gòu)可以包括支持結(jié)構(gòu)纖維，所述支持結(jié)構(gòu)纖維以圍繞 絲束的環(huán)的形式施用。環(huán)可以配置為使支持結(jié)構(gòu)纖維由纖維增強層的一個表面延伸通過至 相反表面，由此環(huán)繞絲束以使絲束束縛在一起。支持結(jié)構(gòu)纖維可以在相鄰絲束之間通過，這 樣做時支持結(jié)構(gòu)纖維也可在絲束之間引入間隔。該配置提供沿著層間方向和層內(nèi)方向的排 氣路徑以及提供織物支持。所述間隔也便于在固化階段期間完全潤濕，這對于需要使用重 織物或高纖維密度的應(yīng)用而言特別重要。
[0033] 支持結(jié)構(gòu)纖維的環(huán)密度可進行調(diào)整，使得織物受益于可調(diào)的懸垂性、穩(wěn)定性和排 氣性。在模制材料組裝之后，可以將支持結(jié)構(gòu)纖維任選地從纖維增強層部分或完全移除。支 持結(jié)構(gòu)纖維可以任選地包含熱塑性纖維。這些纖維的熔點可以低于固化溫度。
[0034] 在另一實施方式中，支持結(jié)構(gòu)纖維可以為針織（stitching)或結(jié)網(wǎng)（meshing)或 捆扎（lashing)或掛結(jié)（hitching)的形式。針織紗或纖維可以形成針織。針織可以刺穿 絲束或可以提供針織而不刺穿絲束從而如上所述圍繞絲束形成環(huán)、捆扎或掛結(jié)。在另一實 施方式中，針織可包括可溶性聚合物。在一個實施方式中，在模制材料固化期間針織可熔化 或溶解。
[0035] 支持結(jié)構(gòu)纖維優(yōu)選包括以重復(fù)針織圖案施用至織物的連續(xù)纖維，還可以包括不連 續(xù)的纖維。支持結(jié)構(gòu)纖維優(yōu)選用以線形圖案施用的重復(fù)環(huán)來束縛織物絲束，可沿著任何方 向施用但是優(yōu)選沿著0°方向施用。可以將另外的支持結(jié)構(gòu)纖維施用至織物的相反表面，從 而它們通過源自織物第一表面的纖維制成的環(huán)。
[0036] 支持結(jié)構(gòu)可以包括紗，支持結(jié)構(gòu)紗的重量為10至15