用于形成短纤维膜、包含热固性材料的复合材料及其他复合材料的系统和方法技术方案

本披露总体上涉及用于复合材料的系统和方法，该复合材料包括短纤维膜及其他复合材料。在某些方面，提供包含多个对齐的纤维的复合材料。该纤维可以是基本上对齐的，并且可以以相对高的密度存在于该复合材料内。例如，该复合材料可以包括嵌入热塑性基材内的基本上对齐的碳纤维。在一些方面，该复合材料可以通过以下方式制备：通过例如使用含有纤维的、能够中和在该纤维之间典型地出现的静电相互作用的水性液体来中和该纤维之间的静电相互作用来分散该纤维。该液体可以施加于基材，并且该纤维可以使用比如剪切流和/或磁性等技术来对齐。其他方面总体上涉及使用此类复合材料的方法，包含此类复合材料的套件等。包含此类复合材料的套件等。包含此类复合材料的套件等。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于形成短纤维膜、包含热固性材料的复合材料及其他复合材料的系统和方法
[0001]相关申请
[0002]本申请要求2019年7月10日提交的名称为“Systems and Methods for Short
‑
Fiber Films and Other Composites(用于短纤维膜及其他复合材料的系统和方法)”的美国临时专利申请系列号62/872,686和2019年11月20日提交的名称为“Methods and Systems for Forming Composites Comprising Thermosets(用于形成包含热固性材料的复合材料的方法和系统)”的美国临时专利申请系列号62/938,265的权益。这些美国临时专利申请中的每一个通过援引以其全文并入本文。


[0003]本披露总体上涉及用于复合材料的系统和方法，该复合材料包括短纤维膜、包含热固性材料的复合材料及其他复合材料。本披露还总体上涉及用于形成此类复合材料的方法和系统。

技术介绍

[0004]常规的碳纤维复合材料以长碳纤维的平面组合体为特征。在一些复合材料中，长碳纤维被织成多轴向织物或单向带材。长碳纤维组合体然后用聚合物树脂浸渍以形成复合材料层，该复合材料层可以与其他复合材料层进行层合以形成部件。由于碳纤维是脆性材料，部件中的大曲率或锐角会导致长碳纤维断裂。断裂的纤维引入缺陷并且削弱机械特性。常规碳纤维复合材料的一个局限在于要求长碳纤维具有连续性以避免性能的损失。
[0005]通过用短(<5mm)碳纤维代替长碳纤维制造复合材料层，可以减轻这个问题。不同于长碳纤维，短碳纤维能容易滑动而垂下并且形成于大曲率或锐角周围。随机取向的短碳纤维可以用于性能要求较低的部件。对于机械特性要求高的部件，短碳纤维需要是高度取向的，以接近长碳纤维复合材料的性能。高度取向的短碳纤维当其在Z轴上取向时，还可以用于大大增强碳纤维复合材料的Z轴机械特性。在所有情况中，都要求在复合材料中纤维体积高(>45％)并且短碳纤维分散均匀。但是，没有可商用的方法来生产纤维体积含量高、同时保持短纤维的分散或对齐的短碳纤维复合材料。因此，需要改善。

技术实现思路

[0006]本披露总体上涉及用于复合材料的系统和方法，该复合材料包括短纤维膜及其他复合材料。在一些情况中，本披露的主题涉及相互关联的产品、对特定问题的替代性方案、和/或一个或多个系统和/或制品的多个不同用途。
[0007]在一个方面，本披露总体上涉及一种制品。在一些实施例中，该制品包括复合材料，该复合材料包含基材和包含在该基材的至少一部分内的多个不连续纤维。在一些情况中，该多个不连续纤维在整个复合材料内基本上对齐至少30vol％的纤维体积分数。
[0008]在另一方面，本披露总体上涉及一种方法。根据一组实施例，该方法包括在基材上
施加液体——其中该液体包含多个不连续纤维——以通过剪切流使该多个不连续纤维中的至少一些对齐，向该液体施加磁场以使该多个不连续纤维中的至少一些对齐，以及去除该液体以形成含纤维的基材。
[0009]在另一组实施例中，该方法包括在基材上施加液体，其中该液体包含多个不连续纤维；向该液体施加磁场以使该多个不连续纤维中的至少一些对齐，和/或向该基材施加剪切流体以通过剪切流使该多个不连续纤维中的至少一些对齐；以及去除该液体以形成含纤维的基材。
[0010]在另一方面，本披露涵盖制造本文描述的一个或多个实施例、例如短纤维膜及其他复合材料的方法。在还另一方面，本披露涵盖使用本文描述的一个或多个实施例、例如短纤维膜及其他复合材料的方法。
[0011]本披露还总体上涉及一些实施例中的复合材料，包括包含热固性材料的复合材料，以及用于形成此类复合材料的方法和系统。
[0012]例如，一个方面总体上涉及一种复合材料，该复合材料包含热固性聚合物及包含在该复合材料的至少一部分内的多个不连续纤维。在一些实施例中，该多个不连续纤维在整个复合材料内基本上对齐至少20vol％的纤维体积分数。
[0013]另一方面总体上涉及一种方法。在一组实施例中，该方法包括用热固性聚合物前体涂覆包含不连续纤维的基材的至少一部分，固化该热固性聚合物前体以形成热固性聚合物，以及作为聚合物层从该基材去除该热固性聚合物中的至少一些。在一些实施例中，该不连续纤维基本上是对齐的，并且以该基材的至少20vol％的体积分数存在。
[0014]在另一组实施例中，该方法总体上涉及用包含水和不连续纤维的浆料涂覆基材的至少一部分，使该不连续纤维中的至少一些对齐，从该浆料去除水以产生包含基本上对齐的不连续纤维的基材；用热固性聚合物前体涂覆该基材的至少一部分；固化该热固性聚合物前体以形成热固性聚合物；以及作为聚合物层从该基材去除该热固性聚合物中的至少一些。
[0015]根据又另一组实施例，该方法包括用包含水和不连续纤维的浆料涂覆基材的至少一部分，使该不连续纤维中的至少一些对齐，用热固性聚合物前体涂覆该基材的至少一部分，固化该热固性聚合物前体以形成热固性聚合物，以及作为聚合物层从该基材去除该热固性聚合物中的至少一些。
[0016]在另一方面，本披露涵盖制造本文描述的一个或多个实施例的方法。在还另一方面，本披露涵盖使用本文描述的一个或多个实施例的方法。
[0017]从下文对本披露的各个非限制性实施例的详细描述(当结合附图考虑时)，本披露的其他优点和新颖特征将变得显而易见。
附图说明
[0018]将通过实例参考附图描述本披露的非限制性实施例，这些附图是示意性的，并且不旨在按比例绘制。在附图中，示出的每个相同的或者几乎相同的部件典型地由一个数字表示。出于清晰的目的，在不必要为了使本领域普通技术人员理解本披露而进行图示的情况下，没有标识出每个附图中的每一个部件，也没有显示出本披露的每个实施例的每一个部件。在图中：
[0019]图1示出了根据本披露的一个实施例的具有对齐的碳纤维的基材；
[0020]图2示出了本披露的另一个实施例中的具有对齐的碳纤维的复合材料；并且
[0021]图3示出了根据一个实施例的复合材料的SEM。
具体实施方式
[0022]本披露总体上涉及用于复合材料的系统和方法，该复合材料包括短纤维膜及其他复合材料。在某些方面，提供包含多个对齐的纤维的复合材料。该纤维可以是基本上对齐的，并且可以以相对高的密度存在于该复合材料内。例如，该复合材料可以包括嵌入热塑性基材内的基本上对齐的碳纤维。在一些方面，该复合材料可以通过以下方式制备：通过例如使用含有纤维的、能够中和在该纤维之间典型地出现的静电相互作用的水性液体来中和该纤维之间的静电相互作用来分散该纤维。该液体可以施加于基材，并且该纤维可以使用比如剪切流和/或磁性等技术来对齐。其他方面总体上涉及使用此类复合材料的方法，包含此类复合材料的套件等。
[0023]本披露还总体上涉及复合材料，包括包含热固性材料的复合材料，以及用于形成此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种制品，该制品包括：复合材料，该复合材料包含基材和包含在该基材的至少一部分内的多个不连续纤维，其中该多个不连续纤维在整个复合材料内基本上对齐至少30vol％的纤维体积分数。2.如权利要求1所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少40vol％。3.如权利要求1或2中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少50vol％。4.如权利要求1至3中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少60vol％。5.如权利要求1至4中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少70vol％。6.如权利要求1至5中任一项所述的制品，其中，该基材包含热塑性材料。7.如权利要求1至6中任一项所述的制品，其中，该基材基本上由热塑性材料组成。8.如权利要求1至7中任一项所述的制品，其中，该基材包含以下项中的一种或多种：聚酰亚胺PI、聚酰胺
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酰亚胺PAI、聚醚醚酮PEEK、聚醚酮PEK、聚苯砜PPSU、聚醚砜PES、聚醚酰亚胺PEI、聚砜PSU、聚苯硫醚PPS、聚偏二氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE、全氟烷氧基烷烃PFA、聚酰胺46PA46、聚酰胺66PA66、聚酰胺12PA12、聚酰胺11PA11、聚酰胺6PA6、聚酰胺6.6PA6.6、聚酰胺6.6/6PA6.6/6、无定形聚酰胺PA6
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T、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚邻苯二甲酰胺PPA、液晶聚合物LCP、聚碳酸酯PC、聚对苯二甲酸丁二醇酯PBT、聚甲醛POM、聚苯醚PPE、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚丙烯PP、聚乙烯PE、高密度聚乙烯HDPE、丙烯腈苯乙烯丙烯酸酯ASA、苯乙烯丙烯腈SAN、丙烯腈丁二烯苯乙烯ABS、聚苯并咪唑PBI、聚氯乙烯PVC、聚对苯撑共聚物PPP、聚丙烯腈、聚乙烯亚胺、聚醚酮醚酮酮PEKEKK、乙烯四氟乙烯ETFE、聚氯三氟乙烯PCTFE和/或聚甲基戊烯PMP。9.如权利要求1至8中任一项所述的制品，其中，该基材包含多个连续纤维。10.如权利要求1至9中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含碳纤维。11.如权利要求10所述的制品，其中，该碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量。12.如权利要求1至11中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含聚合物。13.如权利要求1至12中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含玄武岩、碳化硅、芳族聚酰胺、氧化锆、尼龙、硼、氧化铝、二氧化硅、硼硅酸盐和/或莫来石中的一种或多种。14.如权利要求1至13中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含天然纤维。15.如权利要求1至14中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维具有至少20微米的平均长度。16.如权利要求1至15中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维具有的长度与直径的平均长径比至少是5。17.如权利要求1至16中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维涂覆有涂层。18.如权利要求17所述的制品，其中，该涂层包含表面活性剂、硅烷偶联剂、环氧树脂、甘油、聚氨酯和/或有机金属偶联剂。19.如权利要求17或18中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维涂覆有胶料。20.如权利要求1至19中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维具有响应于磁场的各向异性抗磁性响应。21.如权利要求1至20中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维展现对10T的磁场强度的物理响应。
22.如权利要求1至21中任一项所述的制品，其中，该多个不连续纤维中的至少50％是对齐的。23.如权利要求1至22中任一项所述的制品，其中，该多个不连续纤维中的至少一些具有吸附于其上的多个磁性颗粒。24.如权利要求1至23中任一项所述的制品，其中，该多个不连续纤维不含磁性颗粒。25.如权利要求1至24中任一项所述的制品，其中，该复合材料基本上不含顺磁性材料或铁磁性材料。26.如权利要求1至25中任一项所述的制品，其中，该复合材料包含按体积计至少20％的该多个纤维。27.如权利要求1至26中任一项所述的制品，其中，该复合材料具有小于10cm的最大截面厚度。28.如权利要求1至27中任一项所述的制品，其中，该复合材料具有小于1cm的最大截面厚度。29.如权利要求1至28中任一项所述的制品，其中，该复合材料被绕成卷材。30.如权利要求1至29中任一项所述的制品，其中，该基材是在该复合材料内的多个层中的一个。31.如权利要求1至30中任一项所述的制品，其中，该基材层包含聚合物。32.如权利要求1至31中任一项所述的制品，其中，该基材层包含复合材料的材料。33.如权利要求1至32中任一项所述的制品，其中，该基材层包含金属。34.如权利要求1至33中任一项所述的制品，其中，该基材层包含陶瓷。35.如权利要求1至35中任一项所述的制品，其中，该复合材料进一步包含将该基材和该多个不连续纤维粘合在一起的粘合剂。36.一种方法，该方法包括：在基材上施加液体——其中该液体包含多个不连续纤维——以通过剪切流使该多个不连续纤维中的至少一些对齐；向该液体施加磁场以使该多个不连续纤维中的至少一些对齐；以及去除该液体以形成含纤维的基材。37.如权利要求36所述的方法，其中，该液体包含水。38.如权利要求36或37中任一项所述的方法，其中，该液体包含浆料。39.如权利要求36至38中任一项所述的方法，其中，该液体是溶液。40.如权利要求36至39中任一项所述的方法，其中，该液体是乳液。41.如权利要求36至40中任一项所述的方法，其中，该液体包含聚合物。42.如权利要求36至41中任一项所述的方法，其中，该液体包含表面活性剂。43.如权利要求36至42中任一项所述的方法，其中，该液体包含粘合剂。44.如权利要求36至43中任一项所述的方法，其中，该液体包含胶料。45.如权利要求36至44中任一项所述的方法，其中，该基材包含热塑性材料。46.如权利要求36至45中任一项所述的方法，其中，该不连续剂包含碳纤维。47.如权利要求36至46中任一项所述的方法，该方法进一步包括中和该多个不连续剂之间的静电相互作用。
48.如权利要求36至47中任一项所述的方法，其中，该磁场具有至少0.01T的最小场强度。49.如权利要求36至48中任一项所述的方法，其中，该磁场具有不超过10T的最大场强度。50.如权利要求36至49中任一项所述的方法，其中，去除该液体包括加热该液体以去除该液体的至少一些。51.如权利要求36至50中任一项所述的方法，该方法进一步包括向该基材施加压力。52.如权利要求51所述的方法，其中，向该基材施加压力使该多个不连续剂中的至少一些嵌入该基材中。53.一种制品，该制品包括：复合材料，该复合材料包含热固性聚合物和包含在该复合材料的至少一部分内的多个不连续纤维，其中该多个不连续纤维在整个复合材料内基本上对齐至少20vol％的纤维体积分数。54.如权利要求53所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少30vol％。55.如权利要求53或54中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少40vol％。56.如权利要求53至55中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少50vol％。57.如权利要求53至56中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少60vol％。58.如权利要求53至57中任一项所述的制品，其中，该纤维体积分数是至少70vol％。59.如权利要求53至58中任一项所述的制品，其中，该热固性聚合物包含环氧树脂。60.如权利要求53至59中任一项所述的制品，其中，该热固性聚合物基本上由环氧树脂组成。61.如权利要求53至60中任一项所述的制品，其中，该热固性聚合物包含热熔环氧树脂。62.如权利要求53至61中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含碳纤维。63.如权利要求62所述的制品，其中，该碳纤维具有大于94％的碳含量和至少200GPa的模量。64.如权利要求53至63中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含聚合物。65.如权利要求53至64中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含玄武岩、碳化硅、芳族聚酰胺、氧化锆、尼龙、硼、氧化铝、二氧化硅、硼硅酸盐和/或莫来石中的一种或多种。66.如权利要求53至65中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维包含天然纤维。67.如权利要求53至66中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维具有至少20微米的平均长度。68.如权利要求53至67中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维具有的长度与直径的平均长径比至少是5。69.如权利要求53至68中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维涂覆有涂层。70.如权利要求69所述的制品，其中，该涂层包含表面活性剂、硅烷偶联剂、环氧树脂、甘油、聚氨酯和/或有机金属偶联剂。71.如权利要求53至70中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维涂覆有胶料。72.如权利要求53至71中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维具有响应于磁场的各
向异性抗磁性响应。73.如权利要求53至72中任一项所述的制品，其中，该不连续纤维展现对10T的磁场强度的物理响应。74.如权利要求53至73中任一项所述的制品，其中，该多个不连续纤维中的至少50％是对齐的。75.如权利要求53至74中任一项所述的制品，其中，该多个不连续纤维中的至少一些具有吸附于其上的多个磁性颗粒。76.如权利要求53至75中任一项所述的制品，其中，该多个不连续纤维不含磁性颗粒。77.如权利要求53至76中任一项所述的制品，其中，该复合材料基本上不含顺磁性材料或铁磁性材料。78.如权利要求53至77中任一项所述的制品，其中，该复合材料具有小于10cm的最大截面厚度。79.如权利要求53至78中任一项所述的制品，其中，该复合材料具有小于1cm的最大截面厚度。80.如权利要求53至79中任一项所述的制品，其中，该复合材料被绕成卷材。81.如权利要求53至80中任一项所述的制品，其中，该复合材料包含多个层。82.如权利要求81所述的制品，其中，该热固性聚合物存在于该多个层中的一个中。83.如权利要求81或82中任一项所述的制品，其中，该复合材料的层包含金属。84.如权利要求81至83中任一项所述的制品，其中，该复合材料的层包含陶瓷。85.一种方法，该方法包括：用热固性聚合物前...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉萨姆，
申请(专利权)人：波士顿材料公司，
类型：发明
国别省市：