超薄预浸料片材及其复合材料制造技术

披露了新颖的超薄单向预浸料带。它们可用于生产超薄织造、斜纹、多向、短切取向等类型的预浸料。这些超薄预浸料能够生产具有良好受控的尺寸公差和光滑/均匀表面的复合材料产品。进一步，它们使复合材料产品的生产相对更简单、更整齐、更快速和经济。所获得的复合材料产品相对更薄、更轻并且机械性能更高。更轻并且机械性能更高。更轻并且机械性能更高。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超薄预浸料片材及其复合材料


[0001]本专利技术总体上涉及称为预浸料的用基质材料预浸渍的纤维/织物增强材料，以及它们的复合材料。特别地，本专利技术涉及由带构成的新颖的超薄预浸料片材，用于制造具有相对更大的优势和便利性的复杂几何形状的复合材料产品。

技术介绍

[0002]预浸料在复合材料的制造中已经广泛使用了数十年。随着复合材料在许多领域的使用增长，也伴随着对制造具有复杂几何形状且经济的产品的需求。各种类型的可用纺织品增强材料相对较厚，并且有时比需要的长得多，当想要产生具有复杂几何形状的复合材料零件时会出现悬垂困难。需要克服该问题以允许更多地使用复合材料，尤其是在用于运输的装置中以减少CO2排放并提高能源利用。复合材料在运输应用中的使用还需要它们提高安全性，能够相对快速地或在短周期时间内大量生产，符合制造的便利性并具有低的生产成本。
[0003]因此，为了能够生产复杂几何形状的复合材料零件并经济地制造，有必要使用薄的纺织品增强材料。对于给定的应用和情况，连同使用最合适长度的增强材料，薄的增强材料能够实现，例如在狭窄的弯角、在非常小半径的弯曲/边缘上、在同时多个曲率上等的最佳的悬垂。然而，使用此类薄的纺织品增强材料是麻烦、繁琐且昂贵的。此外，传统的干的
‘
薄
’
纺织品增强材料片材，无论他们是包含连续纤维的单向、织造、多向等类型，或者甚至包含随机取向的切割/短切纤维的有机类型，都是相对厚的，典型地为约0.15至0.2mm。此类短切纤维有时也倾向于比需要的长，例如比20mm长。包含多个此类所谓的
‘
薄
’
增强材料和基质材料的预浸料片材倾向于甚至更厚，典型地为约0.25至0.3mm。由于当被迫使成为复杂的几何形状时树脂或基质材料的破裂，此类可用的“薄”预浸料片材也具有横向开裂的趋势，从而产生间隙并降低材料的性能和可靠性。
[0004]为了产生改善的面内各向同性特性并减少开裂，
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薄
’
单向连续纤维束通常以相互不同的多向取向铺放，在预浸料片材中通常为四个取向(0
°
，90
°
，
±
45
°
)。预浸料片材中四种增强材料的这种堆叠布置的组合厚度恰好为至少0.6至1mm。铺放更多数量的此类片材会使堆叠相应地变厚。由此可见，目前对平面各向同性复合材料的生产存在限制，该复合材料包括总厚度小于0.5mm(例如0.08至0.16mm)的四种增强材料，这比目前可用的至少薄80％。进一步，可用的
‘
薄
’
预浸料片材中相对较高含量的树脂降低了纤维的体积分数并增加了它们的面积重量。该限制也适用于有机类型的预浸料，其中所用的四层纤维束或织物的短切/切割片的厚度为至少0.5至1mm。为了能够生产薄的面内各向同性复合材料，使用超薄增强材料是必要的。
[0005]因为所铺放的连续纤维(如以单向、织造、斜纹、多向织物等)和短切/切割片(如以有序或随机取向布置)在一个或多个位置以相互不同的取向重叠，它们倾向于在所得预浸料中产生一些卷曲。由纤维束产生的卷曲角度可以从大到小变化，这取决于预浸料中堆叠在另一个纤维束上方/下方的纤维束的片的相对厚度和/或数目。当一个纤维束与另一个纤
维束重叠时，卷曲角度最小，对于纤维束之间给定的角度形成距离，该卷曲角通常为约4
°
至8
°
。如果单个短切纤维束恰好位于多于一个纤维束的上方/下方，则它有时会显示出甚至多于一个的卷曲角度。为了实现更高的材料特性，重要的是通过使用超薄增强材料使卷曲角度尽可能低，例如小于3
°
。低的卷曲角度有利于实现高的面内刚度。低的卷曲角度减少了重叠纤维之间的面外偏差角，并使得能够实现更接近完美直纤维的最大可能的刚度，例如在复合材料层压板中。
[0006]另一个迄今为止尚未考虑的重要方面是通过使用刚性碳纤维，尤其是超高模量碳纤维(UHMCF)，比如沥青型碳纤维，来提高薄复合材料的机械特性。没有使用UHMCF，因为它们在受到横向力时会变脆和断裂。可用的所谓的“薄”UHMCF预浸料是使用相对较厚的束生产的，因此它们的极限性能在薄复合材料中大多未得到利用。此类
‘
薄
’
预浸料不包含并且不能包含UHMCF的铺展纤维。
[0007]进一步，迄今为止被忽略的还另一个方面是，由于所采用的施加树脂的方法完全覆盖和过度浸透纤维片材，因此在可用的“薄”预浸料中出现过量的树脂或基质材料。所施加的树脂的量不足以刚好浸湿纤维。此外，施加树脂的方式不是使其以合适的图案分布，以便在施加热和压力来浸湿纤维时促进其快速铺展和相互聚结/合并。因此，尚不知道一种通过在一些区域以合适的图案布置的包含刚好足够量的树脂的预浸料，该预浸料能够随后快速铺展以浸湿纤维，并在其他区域干燥纤维。
[0008]进一步，相对厚的预浸料在相邻铺放的预浸料片材的纤维之间存在不必要的相对过量的树脂。过量的树脂增加了板层的组成纤维之间的距离。这种增加的距离反过来：(a)在铺放的片材中产生了高的面外剪切应力，导致板层之间的基质开裂(分层)，这降低了复合材料的性能和可靠性，以及(b)在压制成型过程中，由于铺放纤维出现在相互不同的取向和平面上，造成纤维(尤其是内层纤维，特别是在狭窄的弯曲处)的屈曲/扭结和断裂，这再次导致特性下降。需要防止或最小化纤维(尤其是脆性类型，像UHMCF)的扭结和断裂，以更好地实现它们的特性，并且从而提高复合材料的性能。因此，铺放的预浸料片材的纤维之间的距离应尽可能的小。为了使铺放的纤维能够相互滑动，仅需要非常薄的树脂层/膜充当滑动面。
[0009]使用包含以随机取向布置的短切/切割束的片或预浸料的预浸料片材，例如，如EP 2796604、EP 2671991、EP 2669081、EP 3013546、EP 2716693等中所述，被认为是产生复杂几何形状的零件的途径，自然也具有上述所有缺陷。
[0010]因此，需要一种改进的预浸料片材，以解决至少一些现有技术的如上讨论的缺点。

技术实现思路

[0011]本专利技术的目的是提供一种新的预浸料片材，以及包括此类预浸料片材的多层布置，以减轻至少一些与先前已知的解决方案有关的如上讨论的问题。
[0012]该目的是通过所附权利要求中限定的预浸料片材和多层布置来实现的。
[0013]根据本专利技术的第一方面，提供了一种预浸料片材，其包含纤维增强材料和热固性或热塑性基质材料，其中该纤维增强材料包括单向铺展纤维并且该预浸料片材具有小于100微米的厚度。
[0014]在一个实施方案中，该厚度在10-70微米的范围内并且优选在15-50微米的范围
内、并且最优选在20-40微米的范围内。
[0015]在一个实施方案中，该预浸料片材呈带的形式，具有超过5mm的长度和超过2mm的宽度。
[0016]在一个实施方案中，其纤维的卷曲角度小于3本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种预浸料片材，其包含纤维增强材料和热固性或热塑性基质材料，其中该纤维增强材料包含单向铺展纤维并且该预浸料片材具有小于100微米的厚度。2.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该厚度在10-70微米的范围内并且优选在15-50微米的范围内、并且最优选在20-40微米的范围内。3.如权利要求1或2所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材呈带的形式，具有超过5mm的长度和超过2mm的宽度。4.如前述权利要求中任一项所述的预浸料片材，其中，其纤维的卷曲角度小于3度、并且优选小于2度。5.如前述权利要求中任一项所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材内的纤维的体积分数为40％或更大、并且优选50％或更大、并且最优选60％或更大。6.如前述权利要求中任一项所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材内的纤维的体积分数等于或小于90％。7.如前述权利要求中任一项所述的预浸料片材，其中，该基质材料的重量在该预浸料片材的总重量的5％-50％的范围内、并且优选在20％-50％的范围内、并且最优选在20％-40％的范围内。8.如前述权利要求中任一项所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材具有在5-100g/m2的范围内、并且优选10-80g/m2、并且最优选15-50g/m2的纤维面积重量。9.如前述权利要求中任一项所述的预浸料片材，其中，这些纤维包括碳纤维、并且优选超高模量碳纤维(UHMCF)。10.如前述权利要求中任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：南丹，
申请(专利权)人：泰普纺织瑞典公司，
类型：发明
国别省市：