具有改善性能的预浸渍的复合材料制造技术

本发明专利技术提供了预浸渍的复合材料（预浸料），该复合材料能够模制形成复合物部件，所述复合物部件同时具有高水平的强度和损伤耐受性，而不会对未固化的预浸料或固化部件的物理或化学特性产生任何实质的负面影响。这通过在基质树脂中包含显著量的具有至少一个间位取代的苯基的多官能芳族环氧树脂而实现。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有改善性能的预浸渍的复合材料
技术介绍
1. 专利
本专利技术一般而言涉及用于制备高性能复合物部件的预浸渍的复合材料 (预浸料)。更具体地，本专利技术涉及提供可以被固化/模塑从而形成复合物部件的预浸料，所述复合物部件同时具有改善的强度和损伤耐受性(damage tolerance) 2.
技术介绍
复合材料通常包括两种主要的组分连续树脂基质和增强纤维。常常 要求复合材料在苛刻的环境中如在航空航天领域发挥作用，因此复合材料 的物理极限和特性是非常关键和重要的。尤其是，当确定能够将某些复合 材料部件制成多轻时，复合物抗拉强度和模量是重要的因素。预浸渍的复合材料(预浸料)广泛用于制造复合物部件。预浸料是未固化 的树脂基质和纤维增强材料的组合，其处于准备进行模塑和固化成最终复 合物部件的形式。通过用树脂预浸渍纤维增强材料，制造商可以小心地控 制浸渍到纤维网络的树脂的量和位置，确保树脂根据需要分布于网络中。 众所周知的是，复合物部件中纤维和树脂的相对量以及树脂在纤维网络中 的分布对部件的结构特性有较大的影响。预浸料是用于制造承载载荷的结 构部件，特别是航空航天复合物部件的优选材料。重要的是，这些部件具 有足够的强度、损失耐受性和通常对这些部件所建立的其他要求。通常用于航空航天预浸料的纤维增强材料是多向的织造织物或者是含 有彼此平行延伸的纤维的单向带。这些纤维通常为许多单根纤维或单丝的 束(也称之为纤维束，，)的形式。这些纤维或纤维束也可以被切断，在树脂 中无规取向，从而形成非织造毡片(non-woven mat)。这些各种纤维增强材料 结构浸渍有小心控制量的未固化树脂。所得的预浸料通常置于保护层之间， 并巻起用于储存或运输到制造工厂。预浸料也可以为短切的单向带的短片段的形式，将这些短片段无规取向从而形成短切的单向带的非织造毡片。该类型的预浸料称为准各向同性短切的(quasi- isotropic chopped)预浸料。准各向同性短切的预浸料与更 常规的非织造纤维毡片预浸料类似，不同之处在于短切的短长度单向带(小 片)是在毡片中无规取向的，而不是短切的纤维。固化的复合材料的抗拉强度很大程度上由增强纤维和基质树脂的各个 特性以及这两种组分之间的相互作用所决定。此外，纤维-树脂体积比是重 要的因素。处于张紧状态的固化复合材料往往通过由位于增强纤维束中的 各纤维丝的多次拉伸断裂所产生的累积损伤的机理而失效。 一旦与断裂的 单丝端相邻的树脂中应力水平变得太大，整个复合材料就会失效。因此， 纤维强度、基质的强度以及断裂单丝端附近的应力耗散效率与固化复合材 料的抗拉强度有关。在许多应用中，期望使固化的复合材料的抗拉强度特性最大化。然而， 使抗拉强度最大化的尝试常常可以导致对其他期望特性的负面影响，例如 复合材料结构的压缩性能和损伤耐受性。此外，使抗拉强度最大化的尝试 可以具有对预浸料的粘性和外置寿命(out-life)的不可预知的效果。未固化的 预浸料的粘附性或粘性通常被称为粘性。未固化的预浸料的粘性是铺叠 和模塑操作过程中重要的考虑因素。没有或几乎没有粘性的预浸料难于形 成可以模塑形成结构强的复合物部件的层合体。相反地，粘性太大的预浸 料会难于处理，也难于放置到模具中。期望预浸料具有合适量的粘性，从 而确保易于处理以及良好的层合/模塑特性。在增加给定固化的复合材料的 强度和/或损伤耐受性的任何尝试中，重要的是，未固化的预浸料的粘性保 持在可接受的限度内，从而确保合适的预浸料处理和模塑。预浸料的外置寿命，，是预浸料在得到不可接受的固化度之前可以暴 露于环境条件的,时间长度。预浸料的外置寿命可以广泛地改变，这取决于 许多因素，但是主要受所使用的树脂配制物所控制。预浸料的外置寿命应 当足够长，从而允许完成正常处理、铺叠和模塑操作，而不使预浸料得到 不可接受的固化度。在增加给定的固化复合材料的强度和/或损伤耐受性的 任何尝试中，重要的是，未固化的预浸料的外置寿命保持尽可能长，从而 允许在固化之前有足够的时间加工、处理和铺叠预浸料。为了弱化基质和纤维之间的结合强度，增加复合物拉伸性能的最常用 方法是改变纤维的表面。这可以通过在石墨化之后降低纤维的电氧化表面6处理的量来实现。基质纤维结合强度的降低通过界面脱结合而在暴露的单 丝端部引入了应力耗散机理。该界面脱结合增加了复合物部件在因张紧而 失效之前能够承受的拉伸损伤的量。或者，将涂层或上浆剂(size)施加到纤维上可以降低树脂-纤维结合强度。该方法在玻璃纤维复合材料是公知的，不过也可以适用于用碳纤维 增强的复合材料。使用这些策略，可以实现抗拉强度的显著增加。但是，该改善伴随着诸如冲击后压缩(CAI)强度等性能的下降，该冲击后压缩强度要求树脂基质和纤维之间的高结合强度。另 一可选方法是使用较低模量的基质。具有低模量的树脂降低了在断 裂的单丝的紧邻区域累积的应力水平。这通常通过选择具有固有较低模量 的树脂(例如氰酸酯)来实现，或者通过引入诸如弹性体(羧基封端的丁二烯-丙烯腈[CTBN]、胺封端的丁二蜂-丙烯腈[ATBN]等)的成分来实现。这些各 种方法的组合也是已知的。选择模量较低的树脂可以有效地提高复合材料的抗拉强度。但是，这 可以导致倾向于减小损伤耐受性，这通常由压缩特性(例如沖击后压缩(CAI) 强度和开孔压缩(OHC)强度)的下降所度量。因此，非常难于实现在抗拉强 度和损伤耐受性两者的同时增加。虽然现有预浸料良好地适合于用于提供强的和损伤耐受的复合物部件 的预期用途，仍然存在对于提供这样的预浸料的持续需求，该预浸料可以 用于制备同时具有较高水平的强度和损伤耐受性的复合物部件。但是，这 种在强度和损伤耐受性上的提高需要在不有害地影响预浸料的粘性和外置 寿命以及固化复合物结构体的其它物理性质的情况下而实现。专利技术概述根据本专利技术，提供了这样的预浸渍复合材料(预浸料)，其可以模塑形成 同时具有高水平的强度和损伤耐受性的复合物部件。未对未固化的预浸料 或固化的复合物部件的物理或化学特性产生任何显著的负面影响而实现这 —点。本专利技术的预浸渍的复合材料由增强纤维和基质构成。该基质包括双官 能环氧树脂以及官能度大于2的多官能芳族环氧树脂，其中该多官能芳族 环氧树脂具有至少一个间位取代的苯基。该基质还包括热塑性粒子、热塑性增韧剂和固化剂。本专利技术还包括制备预浸料的方法以及将该预浸料模塑为各种各样复合 物部件的方法。本专利技术还包括使用该改进的预浸料制备而成的复合物部件。已经发现，本专利技术的各组分的选择和组合导致形成这样的预浸料，其可以模塑形成与常规体系相比同时具有改善的抗拉强度和沖击后压缩(CAI) 强度的复合物部件。此外，意料不到地发现，未显著地影响预浸料的其它期望的物理性质 (例如粘性和外置寿命)或者所得到的固化复合材料的其它期望的物理性质 (例如，基质-纤维结合、损伤耐受性、应力耗散、压缩性能等)，即可以获 得该改善的抗拉强度和CAI强度的益处。参照以下详细说明，将更好地理解本专利技术的上述和许多其它特征和伴 随优点。专利技术详述本专利技术的预浸渍的复合材料(预浸料)可以用作现有的预浸料的替代物， 用于形成航空航天工业以及需要高的结构强度和损伤耐受性的任何其它应 用中的复合物部件。本专利技术涉及用本专利技术的树脂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种预浸渍的复合材料，其包含：　Ａ）增强纤维；和　Ｂ）包含以下物质的基质：　ａ）双官能环氧树脂；　ｂ）官能度大于２的多官能芳族环氧树脂，所述多官能芳族环氧树脂具有至少一个间位取代的苯基；　ｃ）不溶性热塑性粒子； 　ｄ）热塑性增韧剂；和　ｅ）固化剂。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-4-17 11/787,7001.一种预浸渍的复合材料，其包含A)增强纤维；和B)包含以下物质的基质a)双官能环氧树脂；b)官能度大于2的多官能芳族环氧树脂，所述多官能芳族环氧树脂具有至少一个间位取代的苯基；c)不溶性热塑性粒子；d)热塑性增韧剂；和e)固化剂。2. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述预浸渍的复合材料 中所述基质的量为约25wt。/。至45wt%。3. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述增强纤维选自玻璃、 碳和芳族聚酰胺。4. 根据权利要求2的预浸渍的复合材料，其中所述增强纤维为织造织 物、单向纤维、无规取向的纤维或准各向同性短切的单向纤维带的形式。5. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述双官能环氧树脂选 自双酚F的二缩水甘油基醚、双酚A的二缩水甘油基醚、二缩水甘油基 二羟基萘，以及它们的組合。6. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述多官能芳族环氧树 脂选自三缩水甘油基间氨基苯酚和N,N，N，,N，-四缩水甘油基-间苯二曱胺。7. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述热塑性粒子基本上 由聚酰胺组成。8. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述增韧剂选自聚醚砜, 聚醚醚砜、聚苯砜、聚砜、聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、芳族聚酰胺、聚酯、 聚酮、聚醚醚酮、聚氨酯、聚脲、聚芳基醚、聚芳基硫醚、聚碳酸酯和聚笨醚。9. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述固化剂是芳族胺。10. 根据权利要求1的预浸渍的复合材料，其中所述基质包含 22 28wt。/o的所述双官能环氧树脂；25 30wt。/。的所述多官能芳族...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维蒂尔布鲁克，达纳布莱尔，莫林博伊尔，保罗麦肯齐，
申请(专利权)人：赫克赛尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]