作为复合材料中的夹层的混合面纱制造技术

一种柔性的、自支撑的混合面纱，该混合面纱可透过液体和气体。该混合面纱包括：(a)非织造结构形式的混杂的、无规排列的纤维；(b)遍布于该非织造结构各处分散的颗粒，其中大部分这些颗粒穿透该非织造结构的厚度；以及(c)遍布于该面纱各处存在的聚合物黏合剂或树脂黏合剂。可以将这种混合面纱结合到复合层压材料、预浸料、织物和纤维预成型件中。织物和纤维预成型件中。织物和纤维预成型件中。

【技术实现步骤摘要】
作为复合材料中的夹层的混合面纱
[0001]本申请是申请日为2016年11月11日，申请号为201680078815.9，题为“作为复合材料中的夹层的混合面纱”的专利技术专利申请的分案申请。
[0002]纤维增强聚合物复合材料的使用在主要航空航天结构中(例如，飞机机身中)以及高性能体育用品、海洋结构物和风能结构中变得越来越普遍。纤维增强的聚合物复合材料的优点包括高的强度与重量比、优异的耐疲劳性、抗腐蚀性和柔性，从而允许零部件显著减少并且减小对于紧固件和接头的需求。
[0003]用于生产纤维增强的复合材料的传统方法包括用可固化基质树脂浸渍增强纤维以形成预浸料。这种方法通常被称为“预浸”法。结构复合部件可以通过在模具表面上铺放多层预浸料然后固结和固化来制造。
[0004]最近，纤维增强聚合物复合材料零件通过液体树脂灌注工艺制造，液体树脂灌注工艺包括树脂传递模塑法(RTM)和真空辅助树脂传递模塑法(VARTM)。在典型的树脂灌注工艺中，将干燥纤维材料的被预先确定了形状的预成型件放置在模具中，然后通常在高压下将液体树脂灌注到模具中以便直接原位对预成型件进行灌注。该预成型件由多层不含树脂的增强纤维层或织造织物层构成，将这些层以类似于树脂浸渍的预浸料的铺放方式铺设。在树脂灌注后，根据固化周期固化该被灌注了树脂的预成型件，以提供成品复合制品。在树脂灌注时，将被灌注树脂的预成型件是关键要素——该预成型件本质上是等待树脂的结构零件。液体树脂灌注技术在制造复杂形状的结构时是尤其有用的，否则这些复杂形状的结构难以使用传统的预浸料叠层技术制造。/>附图说明
[0005]图1是根据本披露的实施例的混合面纱(hybrid veil)的示意图。
[0006]图2是通过湿法成网工艺形成的实际混合面纱用计算机断层扫描法获得的3D重建图像。
[0007]图3A和3B示意性地说明了在层间区域中包含混合面纱的固化复合层压材料，与包含具有分散在面纱表面上的增韧颗粒的非织造面纱的类似固化复合层压材料相比。
[0008]图4A和4B示意性地说明了分别作用在凹成型表面和凸成型表面上的复合层压材料上的力。
[0009]图5A
‑
5D示出了用于制造其中整合有混合面纱的改性预浸料的各种实施例。
[0010]图6示意性地说明了根据本披露的实施例的织造织物。
[0011]图7示出了通过扫描电子显微镜(SEM)获得的示例性混合面纱的俯视图。
[0012]图8A和8B示出了与不同的混合面纱交互放置的两个固化的复合板的截面图，示出了经受G
Ic
测试之后的裂纹路径扩增。
具体实施方式
[0013]传统的纤维/树脂多层复合材料(或复合层压材料)的主要弱点是它们的低的层间断裂韧性，其允许复合层在高能量力的冲击下分层。当两个层彼此脱粘时发生分层。具有改
进的抵抗分层性的固化复合材料是具有改进的冲击后压缩强度(CSAI)和断裂韧性的固化复合材料。CAI测量复合材料耐受损伤的能力。在测量CAI的试验中，复合物材料经受给定能量的冲击并且然后在压缩下加载。断裂韧性是表示材料在存在裂纹时对脆性断裂的耐受性的定量方式，并且可以被量化为应变能释放速率(G
c
)，该应变能释放速率是在每单位新产生的断裂表面积的断裂期间消耗的能量。G
c
包括G
Ic
(模式1
‑
张开模式)或GIIc(模式II
‑
平面内剪切)。下标“Ic”表示在垂直于裂纹的法向拉伸应力下形成的模式I裂纹张开，并且下标“IIc”表示由平行于裂纹平面并垂直于裂纹前缘作用的剪切应力产生的模式II裂纹。分层的引发和生长通常通过检查模式I和模式II断裂韧性来确定。
[0014]由于多层复合材料或复合层压材料在贯穿厚度方向上的弱特性，层间裂纹或分层是多层复合材料中的主要失效模式，特别是因为这类失效模式通常不是外部可见的。层间断裂韧性是评价复合材料在例如疲劳、压缩或冲击后压缩等条件下性能的关键参数。在这些条件下，由于模式I和模式II载荷引起的分层是材料失效的主要原因。导致分层的裂纹和缺陷可能是由于材料特性的局部变化、在制造过程中出现的空隙或其他缺陷，或由于在使用中持续的损坏而产生的。
[0015]此外，根据传统预浸料叠层工艺制造的具有弯曲部分(例如L、U或Z型部分)的复杂复合零件通常在弯曲区域显示出减小的厚度。这种现象导致需要重新分析结构以检查较薄的零件是否仍能满足耐受载荷要求而没有任何机械故障，例如分层或裂纹。当厚度与半径的比值增加时，厚度变化也增加，并且因此，复合层压材料中的每个预浸料片层都有临界比，超过该临界比就不能使用。尽管在复合层压材料的固结过程中可以施加额外的挤压力以最小化变薄现象，但是该纤维增强的结构和树脂组合物仍然是产生越来越复杂的几何形状和部件的限制因素。
[0016]具有更复杂几何形状的复合结构可以通过液体树脂灌注工艺(例如RTM和VaRTM)来制造。在树脂灌注工艺中，预成型件位于模具中，将该模具用可固化液体树脂注射以浸湿纤维层。用于RTM和VaRTM体系的基质树脂必须具有非常低的注射粘度以允许该预成型件的完全润湿和注入。提高复合材料韧性此前的尝试已经包括在将树脂注射进模具之前向树脂中添加可溶的热塑性增韧剂。然而，在树脂中添加热塑性增韧剂导致粘度增加，并且因此，可以加入的增韧剂的量受到液体树脂注射所需的低粘度的限制。这种限制使得传统添加到预浸料中的增韧剂不适用于液体树脂灌注应用。
[0017]一种可替代的方法是在树脂灌注前将不溶于水的热塑性塑料或橡胶增韧颗粒分散到树脂中。然而，除非这些颗粒非常小(例如亚微米尺寸)，否则颗粒将被预成型件中的增强纤维过滤，导致这些颗粒的不均匀分布和在最终产品中颗粒的不希望的局部浓度。此外，这种过滤效果可能导致预成型件完全阻挡树脂的进一步注射或注入。再次，可以添加到液体树脂中以用于树脂灌注的颗粒的类型和量受到限制。
[0018]仍然需要一种适用于多种复合产品形式的多功能层间增韧溶液，该复合产品形式包括预浸料、树脂灌注用预成型件、适用于自动沉积方法(例如自动纤维放置(AFP)和自动铺带(ATL))的织物和干燥纺织品。希望有一种多功能层间材料，其可以同时改善固化层压材料的断裂韧性和抗压强度特性，同时保持或改善体电导率，并且还可以克服与具有弯曲区段的复合零件中的变薄问题相关的当前的材料限制。
[0019]在此描述了多功能面纱，也称为“混合面纱”，以及其中结合了这种面纱的复合层
压材料、预浸料、织物和纤维预成型件。
[0020]混合面纱
[0021]在此披露的混合面纱是低面积重量多功能面纱，该面纱可被用作纤维增强聚合物复合材料中的层间材料。该混合面纱是柔性的、自支撑的非织造结构，该混合面纱由混杂的、无规排列的纤维和遍布于该非织造结构各处分散的颗粒组成，其中大多数这些颗粒穿透该非织造结构的厚度。在一个实施例中，这些颗粒遍布于该非织造结构各处均匀地分散。该面纱还含有少量的聚合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性的、自支撑的并且是可透过液体和气体的混合面纱，该混合面纱包括：(a)非织造结构形式的混杂的、无规排列的碳纤维；(b)分散在整个该非织造结构中的颗粒，其中这些颗粒具有10μm至50μm的范围内的粒度分布d50并选自聚合物颗粒、核壳颗粒和由不同材料的混合物形成的复合颗粒，且其中大部分这些颗粒穿透该非织造结构的厚度；以及(c)存在于整个该面纱中的聚合物黏合剂或树脂黏合剂，其中所述黏合剂以基于该面纱的总重量按重量计5％至25％的量存在。2.如权利要求1所述的混合面纱，其中，该混合面纱具有小于或等于12gsm的面积重量。3.如权利要求2所述的混合面纱，其中，该混合面纱具有5gsm至12gsm的面积重量。4.如权利要求1所述的混合面纱，其中，该面纱中的纤维与颗粒的重量比是在5：1至1：1的范围内。5.如权利要求1所述的混合面纱，其中，该黏合剂以基于该面纱的总重量按重量计10％至20％的量存在。6.如权利要求1所述的混合面纱，其中，该非织造结构的这些纤维是具有的长度在3mm至18mm的范围内的短切纤维。7.如权利要求1所述的混合面纱，其中，该非织造结构的这些纤维具有在3.0μm至15μm的范围内的截面直径。8.如权利要求1所述的混合面纱，其中，这些颗粒是包含一种或多种选自以下各项的聚合物的聚合物颗粒：热塑性聚合物、弹性体聚合物和交联的热塑性聚合物。9.如权利要求8所述的混合面纱，其中，这些颗粒是聚酰胺或聚酰亚胺颗粒。10.如权利要求1所述的混合面纱，其中，这些颗粒是由包含至少一种聚合物和至少一种导电材料的混合物形成的复合颗粒。11.如权利要求10所述的混合面纱，其中，该导电材料选自金属、金属合金和碳。12.如前述权利要求中任一项所述的混合面纱，其中，该聚合物黏合剂或树脂黏合剂包括选自以下各项的组分：热塑性聚合物、弹性体聚合物、热固性树脂、其共聚物及其组合。13.如权利要求12所述的混合面纱，其中，该黏合剂包括选自以下各项的组分：乙烯基物，包括聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯乙烯醇(PEVOH)、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯基醚、聚氯乙烯(PVC)和聚乙烯基酯；丁二烯，包括聚苯乙烯丁二烯和聚丁二烯丙烯腈；硅酮；聚酯；聚酰胺；交联聚脂；丙烯酸物，包括苯乙烯丙烯酸物和丙烯腈丙烯酸物；环氧树脂；苯氧基物；酚醛树脂；聚氨酯；苯酚甲醛树脂；脲甲醛树脂；其共聚物及其组合。14.一种复合层压材料，该复合层压材料包括：以堆叠安排所安排的预浸料片层的叠层，每个预浸料片层包括已经用可固化基质树脂浸渍的增强纤维层；以及至少一个如权利要求1至13中任一项所述的混合面纱，该面纱交织在两个相邻的预浸料片层之间。15.一种被构造用于液体树脂灌注的纤维预成型件，该纤维预成型件包括：多个可透过液体树脂的纤维层；至少一个如权利要求1至13中任一项所述的混合面纱，该面纱交织在两个相邻的纤维层之间。
16.如权利要求15所述的纤维预成型件，其中，这些纤维层选...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：塞特工业公司，
类型：发明
国别省市：