预成形件制作方法、预成形件和用其模制的复合材料结构技术

一种制作纤维预成形件（１８）的方法，包括把纤维和粘结剂（１４）这样地分散到一成形支承表面上，即先对这些材料进行调理而后将其涂覆到复合材料固化的表面。纤维之类的增强材料与热塑性或热固性材料的粘结剂混合而粘附成有粘着力的混合物。然后以可控制的预定重量比把有粘着力的混合物分散到支承表面上，混合物粘结于支承表面并冷却而固化。也可以在完全固化之前将沉积的混合物进一步整形成所需要的最终形状。这一工艺过程不需要用真空或封闭气室系统来使增强材料保持在位。预成形件可制作成任一形状，包括型材形状和不对称的形状。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于，尤其是关于用在复合的模制制品中的预成形件的制造方法。该方法特别是关于与聚合物材料一起使用的结构预成形件的制作。
技术介绍
现今，高强度聚合物材料在许多应用场合中被越来越多地用于替代诸如金属之类的传统的结构材料。较之金属材料，聚合物材料有重量轻、价格低和耐久性好等优点。但是，聚合物材料的强度一般比金属材料的低得多。聚合物材料若不用某种方式增强，其往往不能满足所替代的金属的强度要求。因此，聚合物复合材料现已发展到能满足这样的强度要求。这些复合材料的特征是有连续的聚合物基质，其中内埋藏着增强材料，而增强材料通常是具有一定刚性的长径比很高的材料，例如玻璃纤维。这些复合材料典型地是被模制成预定的形状，且在许多情况中形状是不对称的。为把增强材料放入复合材料内，通常是在一个第一步骤中把增强材料放入模子内，随后将模子合拢，然后注入流体模制树脂。模制树脂注入模子内，包括充满纤维之间的空隙，然后通过冷却或固化而变硬，从而形成所需要的复合材料。或者，可以在模制之前将模制树脂涂覆于增强纤维，而后将涂有树脂的增强纤维放入模子内，进行加热和加压，使树脂固化而制成所需的复合材料。当然希望增强材料在复合材料中的分布是均匀的。否则，在缺少增强材料的地方，复合材料就会有局部强度不足。因此，正确准备增强材料，使各根纤维在整个复合材料内均匀分布是很重要的。此外，在模制树脂进入模子的过程中应能使各根纤维保持在位而不被模制树脂冲走或冲歪以保持纤维的均匀分布。鉴于这些原因，通常的作法是先在模子外面把增强纤维成形为一个席子，然后将预成形的席子放入模子内，并且或者用树脂灌注而制成最终的复合材料制品，或者简单地加热和加压而制成底密度的复合材料制品。席子一般是通过增强纤维成形为与模子的内部相匹配的形状并在纤维上涂以粘结剂来制备的。在某些情况中，预涂热固型的粘结剂，然后在将纤维成形为席子之后进行固化。在其他方法中，有的是涂覆热塑型的粘结剂，以便在随后的工序中可将粘结剂加热软化而使席子成形。这种粘结剂把各根纤维相互“胶粘”起来，使形成的席子在被放入模子时保持其形状，以便进一步加工。在流体模制树脂注入模子时粘结剂还帮助各根纤维保持其位置。在某些情况中，也可以将模制树脂在模制之前涂于增强纤维，把带有粘结剂和树脂的纤维放入模子内，随后在其中加温加压，使树脂固化而制成所需的复合材料制品。通常用的粘结剂主要有三种类型，各有各的缺点。应用最多的粘结剂一直是溶剂调和的聚合物，也就是液体，例如环氧树脂和聚脂树脂。通常是用“空气引导”的方法把用溶剂调和的粘结剂喷涂到席子上，然后加热席子使溶剂挥发，以及如果必要，使粘结剂固化。这意味着粘结剂的应用至少是一个两步骤的过程，从节省观点来考虑，它是不合理的。还有，使用溶剂也是个麻烦，它会引起环境、暴露和回收问题。处理这些问题可能明显地增加生产过程的费用。这样的生产过程也是能源密集型的，因为整个席子必须被加热而仅仅是为了使溶剂挥发出去和使粘结剂固化。固化步骤也使得生产过程耗时较长。溶剂调和的聚合物粘结剂的使用是极端脏乱的。为了保持工作区域和用以在其上成形席子的网屏清洁还需要很高的维护费用。在这种情况中，其中粘结剂可能是低粘度的流体，其倾向于到处流而涂盖纤维的大部分表面。在随后从用这种方式制作的预成形件制成复合材料制品时，粘结剂往往与纤维和连续的聚合物相之间的粘结作用发生冲突而伤害最终复合材料制品的物理性能。粘结剂的第二种形式是粉状的粘结剂，它们可以先与纤维混合，随后一起成形为预成形件形状，一起被现场加热而使粘结剂固化。或者可以将粉状粘结剂喷涂到纤维上。但是，在空气引导法中简单地替代粉状的粘结剂会引起一些问题。例如，除非先给网屏加一个面罩来防止粘结剂颗粒被吸入，否则，不可以喷涂粉状粘结剂。这又增加了总的成本和生产过程步骤。悬浮于空气中的粉末还可能引起健康问题和爆炸危险，这决定于使用条件。粉状粘结剂的使用还需要在其被喷涂到纤维上之后进行一加热步骤以熔化粘结剂颗粒。加热使这一生产过程成为能量密集型的。第三种粘结剂是加热的热塑性材料，其可以被熔化并作为粘结剂来喷涂。这类材料的使用可以不需要任何随后的加热步骤，因为粘结剂不需要用热来达到对纤维的某种不确定的粘结程度。这种方法的问题是可能出现“腾空”现象，或者说是预成形件的紧密度不足。腾空现象通常之所以会发生是因为一般是随意地将热塑性材料加热至其熔点以上一个任一温度，导致其冷却过程中缺乏均匀性以及在纤维表面上的过分流动。这会允许某些纤维在它们被起固化作用的热塑性材料固定在位之前“弹跳回来”，这可能导致形成的预成形件的密度比预期的低，整个预成形件的密度不一致，以及纤维和纤维之间的粘结力不足。鉴于上述问题，本文援引美国专利6,030,575中揭示的一种已有技术的方法，以供参考，它是把加热的粘结剂涂到已被支承在一支承表面上的纤维上，同时在该支承表面的另一侧施加真空度。用这种方法，纤维被真空的吸力保持在位，同时用喷射器以高压喷涂粘结剂。这种对纤维施压的方法可使得形成一种结实的增强结构。随着喷涂，并在由真空产生的空气流的协助下，粘结剂冷却并固化成所需要的预成形件形状。但是，应用真空需要封闭气室形式的附加设备，还需要附加的控制功能和附加的正确应用纤维和真空的劳动力。所以，物资和操作成本都增加了。鉴于这些已有技术方法存在的问题，需要提供一种比较简单的制作预成形件的方法，用这种方法，与溶剂调和的、粉状的和热塑性的粘结剂的使用有关的问题都可尽可能地减小或完全克服。也需要提供一种操作简单因而易于实现自动化的生产成本低的方法。在一个更简单的成形过程中，甚至可能取消把预成形件转移到模制工具的步骤和/或取消对成形表面施加真空的需要。
技术实现思路
本专利技术的一个方面是提供了一种可借以有效而低成本地制作高强度结构预成形件的方法。本专利技术的另一个方面是提供了一种不需要使用溶剂的制作预成形件的方法。本专利技术的再一个方面是提供了一种可制作各种形状的预成形件包括不对称的零件或零件的不对称局部的方法。本专利技术的又一个方面是提供了一种采用较少的部件因而可降低资本投入和运营生产成本的方法。本专利技术很容易适应于自动化生产和/或控制。本专利技术的一种方法包括供给增强材料、供给粘结剂材料、把增强材料和粘结剂材料混合起来以使粘结剂材料粘附于增强材料、将混合物流涂覆于支承表面进而使混合物粘附于支承表面、以及使混合物固化而形成预成形件的步骤。具体地说，该方法是关于用在成形一结构零件中的预成形件的制作，在这一方法中，供给纤维型的增强材料流，通过把加热的粘结剂材料流提供给纤维型增强材料流使微粒粘结剂材料粘附于增强材料而形成有粘着力的混合物，以及将增强材料和粘结剂材料的有粘着力的混合物喷涂到一支承表面上而使混合物粘附于该支承表面并固化成预成形件。按照这里所述的方法及其变动方法制作的预成形件也属于本专利技术的内容。应该理解，这里描述的本专利技术可以用多种方式来改变而不限于这里所描述的几个具体实施例。本专利技术意欲总地包括在制作过程中先将纤维材料和粘结剂材料混合起来随后将混合物涂覆于支承表面然后固化成所需要的形状的任何实施例。附图简述下面将结合各附图对本专利技术作更详细的描述。各附图中附图说明图1是按照本专利技术的一个方面用于将材料涂布在一用以制作预成形件的表面上的一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制作预成形件的方法，它包括：供给增强材料；供给粘结剂材料；将所述增强材料和所述粘结剂材料混合以使所述粘结剂材料粘附于所述增强材料；将所述混合物流涂覆于一支承表面以使所述混合物粘附于所述支承表面；以及使所述混合物固化而形成所述预成形件。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：M博伊德，D米勒，J科罗格曼，C尼阿内基奥，N戴尔，
申请(专利权)人：布伦斯维克公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]