由纤维增强复合材料制成并具有优异的表面外观的成形制品制造技术

本发明专利技术的成形制品由包含平均长度为5mm以上并且100mm以下的增强纤维和热塑性树脂的纤维增强复合材料制成，其中，增强纤维的体积分数（Vf=100×增强纤维体积/（增强纤维体积+热塑性树脂体积））为5至80%，在成形制品的表面上形成有纹理，并且包含临界单纤维数以上增强纤维的增强纤维束（A）与增强纤维的总量的比率为20Vol%以上并且99Vol%以下，临界单纤维数由式（1）定义：临界单纤维数=600/D（1）（其中，D是单增强纤维的平均纤维直径（μm））。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及一种成形制品以及用于制造该成形制品的方法，该成形制品由包含增强纤维和热塑性树脂的纤维增强复合材料制成并具有优异的表面外观。
技术介绍
近年来，在诸如电气和电子设备、汽车、医疗设备、飞机、建筑材料和通用工业部件及其需要轻量且具有高刚性的外壳或部件的各个领域中，对于轻量化存在着不断增长的需求。作为具有薄的厚度和高刚性的外壳或部件，已经使用了铝合金或镁合金的轧制板压制成的成形制品，使用模铸成型获得的成形制品，通过对填充有玻璃纤维或碳纤维的纤维增强复合材料进行注射模制获得成形制品，或通过纤维增强复合材料板与热塑性树脂进行整体注射模制而获得的成形制品。铝合金或镁合金具有优异的强度或刚性，但是由于存在成形性能的限制，难以以其模制复杂形状。此外，存在着金属构件（尤其是镁合金）具有低的耐腐蚀性的问题，并且存在着表面被大气中的水分或用户汗水中包含的水分或盐腐蚀，造成构件外观不佳的问题。专利文献1提出了一种用于制造外壳的方法，所述方法包括用树脂层被覆整个由镁合金制成的构件的表面的被覆步骤，以及对构件和这样的树脂部进行整体模制的模制步骤。在这种方法中，可以形成复杂形状并赋予耐腐蚀性，但是工艺复杂。此外，尽管铝合金或镁合金和树脂具有高于铁的比强度，但其比强度低于下面将要描述的纤维增强复合材料。因此，在获得轻量化方面存在限制。由于纤维增强复合材料具有比强度、优异的比刚度和优异的耐腐蚀性，因此纤维增强复合材料已在广泛领域中用于上述目的。具体来说，由填充有玻璃纤维或碳纤维的纤维增强复合材料制成的成形制品，由于形状方面的高灵活性和高生产率，已被广泛使用。然而，由于成形制品中包含的纤维长度稍短，所以成形制品在需要高强度和刚度的的应用中仍存在问题。同时，由于优异的比强度和比刚度，使用连续纤维增强的纤维增强复合材料主要被用于需要高强度或刚度的应用中。然而，由于上述的纤维增强复合材料与树脂或通过注射模制的纤维增强复合材料相比在形状方面的灵活性低，因此难以使用简单物质模制复杂的形状。此外，还存在下述问题，即由于该纤维增强复合材料通过将增强纤维以纺织物形式层叠为多层来制造，因此生产率低。专利文献2提出了一种复合成形制品，其通过将树脂构件结合到由包括增强纤维、尤其是连续纤维的制成的板型构件的外缘来获得。因此，可以实现具有复杂形状的成形制品。然而，由于该成形制品通过多个步骤来制造，生产率可能不高。另外，使用连续纤维的纤维增强复合材料通常通过对被称为预浸料坯的材料进行2小时以上的加热和加压来获得，所述预浸料坯通过将热固性树脂事先浸渍到增强纤维基材中来获得。最近提出了一种RTM模制方法，在所述方法中，在将其中未浸渍有树脂的增强纤维基材置于模具中之后，使热固性树脂能够在模具中流动，并且在这种方法中，模制时间显著减少。然而，即使是在RTM模制方法中，由于模制一个部件要花费10分钟以上的时间，因此生产率也没有提高。因此，已经注意到了使用热塑性树脂代替常规的热固性树脂作为基质制造的纤维增强复合材料（例如专利文献3）。然而，使用热塑性树脂作为基质制造的纤维增强复合材料目前正在研究和开发之中，通过模制纤维增强复合材料获得具有优异表面外观和可耐受实际应用的质量的成形制品的技术，还没有被充分建立。引用文献列表专利文献专利文献1：日本专利申请公布No.2010-147376专利文献2：日本专利申请公布No.2010-14180专利文献3：国际公布No.2007/097436专利技术概述技术难题本专利技术的目的是提供一种成形制品，以及制造该成形制品的方法，该成形制品由包含增强纤维和热塑性树脂的纤维增强复合材料制成并具有优异的表面外观。解决问题的手段有鉴于上述难题，本专利技术人发现，在由包含具有满足特定纤维开纤条件的树脂纤维束的随机增强纤维和热塑性树脂的纤维增强复合材料制成的成形制品中，在模制处理中在成形制品的表面上进行精细加工，并且所述成形制品具有优异的强度。也就是说，本专利技术涉及一种由纤维增强复合材料制成的成形制品，所述纤维增强复合材料包含平均长度为5mm以上并且100mm以下的增强纤维和热塑性树脂，其中增强纤维的体积分数（Vf=100×增强纤维体积/（增强纤维体积+热塑性树脂体积））为5至80%，在所述成形制品的表面上形成有纹理，并且包括临界单纤维数以上增强纤维的增强纤维束（A）与所述增强纤维的总量的比率为20Vol%以上并且99Vol%以下，所述临界单纤维数由式（1）定义：临界单纤维数=600/D  （1）（其中D是单增强纤维的平均纤维直径（μm））。此外，本专利技术涉及一种使用无序毡制造成形制品的方法，所述无序毡包含平均纤维长度为5mm以上并且100mm以下的增强纤维和热塑性树脂，其中所述增强纤维的单位面积纤维重量为25至10000g/m2，并且包含临界单纤维数以上增强纤维的增强纤维束（A）与所述无序毡中增强纤维的总量的比率为20Vol%以上并且99Vol%以下，所述临界单纤维数由式（1）定义：临界单纤维数=600/D  （1）（其中D是单增强纤维的平均纤维直径（μm））。所述方法包括用于执行浸渍处理和模制处理的下列步骤A-1）至A-3）：A-1）获得预浸料坯的步骤：通过当所述热塑性树脂为结晶体时将所述无序毡加热到在熔点至分解温度范围内的温度，或者当所述热塑性树脂为无定形时将所述无序毡加热到在玻璃化转变温度至分解温度的范围内的温度，对所述无序毡进行加压，并且将所述热塑性树脂浸渍到所述增强纤维束中，来获得预浸料坯；A-2）在当所述热塑性树脂为结晶体时将步骤A-1）中获得的所述预浸料坯加热至熔点以上并低于分解温度的温度，或者当所述热塑性树脂为无定形时将所述预浸料坯加热到玻璃化转变温度以上并低于分解温度的温度之后，将在所述步骤A-1）中获得的所述预浸料坯布置在纹理加工模具中，使得由式（3）表示的装料比在5%以上的范围内的步骤，当所述热塑性树脂为结晶体时将所述模具的温度调整到低于熔点的温度，或者当所述热塑性树脂无定形时将所述模具的温度调整到低于玻璃化转变温度的温度：装料比（%）=100×基材面积（mm2）/模腔投影面积（mm2）（3）（其中所述基材面积是指所有所布置的无序毡或预浸料坯在拔模方向上的投影面积，并且所述模腔投影面积是指在所述拔模方向上的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种成形制品，包括：纤维增强复合材料，该纤维增强复合材料包含平均长度为5mm以上并且100mm以下的增强纤维和热塑性树脂，其中，所述增强纤维的体积分数（Vf=100×增强纤维体积/（增强纤维体积+热塑性树脂体积））为5至80%，在所述成形制品的表面上形成有纹理，并且包含临界单纤维数以上所述增强纤维的增强纤维束（A）与所述增强纤维的总量的比率为20Vol%以上并且99Vol%以下，所述临界单纤维数由式（1）定义：临界单纤维数=600/D  （1）其中，D是单增强纤维的平均纤维直径（μm）。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.09.06 JP 2011-1939771.一种成形制品，包括：
纤维增强复合材料，该纤维增强复合材料包含平均长度为5mm
以上并且100mm以下的增强纤维和热塑性树脂，
其中，所述增强纤维的体积分数（Vf=100×增强纤维体积/（增
强纤维体积+热塑性树脂体积））为5至80%，
在所述成形制品的表面上形成有纹理，并且
包含临界单纤维数以上所述增强纤维的增强纤维束（A）与所述增
强纤维的总量的比率为20Vol%以上并且99Vol%以下，所述临界单纤
维数由式（1）定义：
临界单纤维数=600/D  （1）
其中，D是单增强纤维的平均纤维直径（μm）。
2.根据权利要求1所述的成形制品，
其中，所述增强纤维束（A）的平均纤维数量（N）满足式（2）：
0.7×104/D2<N<1×105/D2  （2）
其中，D是单增强纤维的平均纤维直径（μm）。
3.根据权利要求1或2所述的成形制品，
其中，通过用在任意方向和与所述任意方向垂直的方向上测得的
拉伸模量值中的较大值除以较小值所获得的比率（Eδ）为1.0至1.3。
4.根据权利要求1至3任一项所述的成形制品，
其中，所述成形制品的所述表面上的所述纹理是规则的凹凸图案
或规则的褶皱。
5.根据权利要求1至4任一项所述的成形制品，
其中，所述增强纤维是选自由碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维所组
成的组中的至少一种。
6.根据权利要求1至5任一项所述的成形制品，
其中，所述热塑性树脂是选自由聚烯烃、聚酰胺、聚碳酸酯和聚
酯所组成的组中的至少一种。
7.一种用于制造权利要求1至6任一项所述的成形制品的方法，
该方法使用无序毡来制造所述成形制品，所述无序毡包含平均纤维长
度为5mm以上并且100mm以下的增强纤维和热塑性树脂，其中，所
述增强纤维的单位面积纤维重量为25至10000g/m2，并且包含临界单
纤维数以上所述增强纤维的增强纤维束（A）与所述无序毡中所述增强
纤维的总量的比率为20Vol%以上并且99Vol%以下，所述临界单纤维
数由式（1）定义：
临界单纤维数=600/D  （1）
其中，D是单增强纤维的平均纤维直径（μm），
该方法包括用于执行浸渍处理和模制处理的步骤A-1）至A-3）：
A-1）获得预浸料坯的步骤：通过当所述热塑性树脂为结晶体时将
所述无序毡加热并加压至在所述热塑性树脂的熔点至所述热塑性树脂
的分解温度的范围内的温度，或者当所述热塑性树脂为无定形时将所
述无序毡加热并加压至在所述热塑性树脂的玻璃化转变温度至所述热
塑性树脂的所述分解温度的范围内的温度，以将所述热塑性树脂浸渍
到所述增强纤维中，来获得所述预浸料坯；
A-2）在当所述热塑性树脂为结晶体时将在所述步骤A-1）中获得
的所述预浸料坯加热至所述热塑性树脂的所述熔点以上并低于所述热
塑性树脂的所述分解温度的温度，或者当所述热塑性树脂为无定形时
将所述预浸料坯加热至所述热塑性树脂的所述玻璃化转变温度以上并
低于所述热塑性树脂的所述分解温度的温度之后，将在所述步骤A-1）
中获得的所述预浸料坯布置在纹理加工模具中，以具有在5%以上的范
围内的装料比的步骤，当所述热塑性树脂为结晶时将所述模具的温度
调整到低于所述热塑性树脂的所述熔点的温度，或者当所述热塑性树
脂为无定形时将所...

【专利技术属性】
技术研发人员：荒川源臣，杉山亨，谷口路治，长仓裕规，
申请(专利权)人：帝人株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP