[發(fā)明專利]單向增強(qiáng)材料和制備單向增強(qiáng)材料的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380038640.5
• 申請(qǐng)日: 2013-07-15
• 公開（公告）號(hào): CN104487233B
• 公開（公告）日: 2017-02-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: R.伯格斯特雷姆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 阿斯特羅姆公司
• 主分類號(hào): B29C70/54
• 分類號(hào): B29C70/54;B29C70/22
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司72001
• 代理人: 馬蔚鈞,楊思捷

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及單向增強(qiáng)材料和制備單向增強(qiáng)材料的方法。本發(fā)明的單向增強(qiáng)材料可用于通常需要增強(qiáng)材料的所有此類應(yīng)用，尤其是其中使用真空灌注技術(shù)或樹脂傳遞模塑(RTM)技術(shù)以將樹脂分布在模具中以及尤其是最終產(chǎn)品需要高質(zhì)量和強(qiáng)度的此類應(yīng)用。本發(fā)明的單向增強(qiáng)材料尤其適用于制造用于風(fēng)力機(jī)葉片的翼梁帽層合物、汽車部件、船、各種強(qiáng)度構(gòu)件等，即，需要縱向形式的所有此類結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)

當(dāng)使用各種纖維例如玻璃、碳和芳綸纖維以及亞麻、大麻、黃麻、洋麻、玄武巖和其他天然纖維等制造復(fù)合材料產(chǎn)品和層合產(chǎn)品以用于制造例如船、汽車和風(fēng)力機(jī)部件時(shí)，例如，該制造過程從制備合適的纖維增強(qiáng)材料如織造結(jié)構(gòu)或針織結(jié)構(gòu)開始，這些纖維增強(qiáng)材料可具有單向或多軸向取向。然后，將所述結(jié)構(gòu)放置在用于制造中間產(chǎn)品或最終產(chǎn)品的模具中。模具自然地具有最終產(chǎn)品的形狀，這意味著形狀有時(shí)可能非常復(fù)雜，并且當(dāng)將增強(qiáng)材料放入模具中時(shí)需要對(duì)增強(qiáng)材料進(jìn)行大量適形調(diào)整。通常，將若干層(最多至數(shù)十層)增強(qiáng)材料彼此層疊地堆疊于模具中，并且將與硬化劑或不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯混合的熱固性樹脂(如環(huán)氧樹脂)引入模具中以形成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品。樹脂也可以是熱塑性的，如PA(聚酰胺)或CBT(環(huán)聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯)等。實(shí)踐表明，當(dāng)最終產(chǎn)品必須抵抗高機(jī)械負(fù)載時(shí)，可通過縫合而在橫向方向上保持在一起的單向增強(qiáng)材料是最終產(chǎn)品制造中的優(yōu)先選擇，因?yàn)樗鼈兛梢愿鶕?jù)負(fù)載而有效地取向。此類單向增強(qiáng)材料由通常稱為增強(qiáng)纖維的粗紗或絲束制成。

單向增強(qiáng)材料通常由單層增強(qiáng)粗紗形成。增強(qiáng)材料的構(gòu)造取決于目標(biāo)面積重量和粗紗的特克斯數(shù)。例如，如果需要高面積重量，則在其制造中使用厚粗紗(例如，采用無(wú)堿玻璃纖維，2400特克斯)，而如果需要具有低面積重量的增強(qiáng)材料，則使用薄粗紗(例如，采用無(wú)堿玻璃纖維，600特克斯)。

最終產(chǎn)品，即固化的層合結(jié)構(gòu)可由多個(gè)此類單向增強(qiáng)材料制成，制造方法為根據(jù)層合構(gòu)造承受的負(fù)載將各增強(qiáng)材料層布置為使得在最終產(chǎn)品中每層粗紗是平行的或一些層以其他方向取向，或者首先制造若干層單向增強(qiáng)材料的織物，使得相鄰層的粗紗形成一定角度，然后將如此形成的織物用于最終產(chǎn)品的制備。根據(jù)其中不同纖維取向的數(shù)量，此類織物被稱為雙軸向、三軸向、四軸向等的織物。

因?yàn)榧喼谎匾粋€(gè)方向延伸，所以單向增強(qiáng)材料在性質(zhì)上固有地不穩(wěn)定。為了能夠處理單向增強(qiáng)材料，必須用合適的方式將其粗紗彼此錨定或結(jié)合。一般而言，現(xiàn)有技術(shù)已知兩種用于此目的的不同機(jī)械方法。

一種方法是通過縫合(例如經(jīng)編)固定粗紗。縫合紗形成針織圈，即線跡，其將實(shí)際的增強(qiáng)粗紗在增強(qiáng)材料中固定到位。根據(jù)已知的經(jīng)編技術(shù)，線跡通過刺穿一層或多層增強(qiáng)纖維的各種針織元件(例如針)形成。縫合紗在增強(qiáng)材料中縱向延伸，并且線跡可形成若干熟知的圖案，例如鏈或經(jīng)向斜紋等。縫合紗通常但并不一定為厚度為約34分特至約167分特并包含幾十條長(zhǎng)絲(通常為例如24條或48條長(zhǎng)絲)的卷曲變形的或未卷曲變形的聚酯(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)長(zhǎng)絲紗。

縫合增強(qiáng)材料是熟知的，并且它們具有一些良好的特性。首先，如果在縱向延伸的縫合紗將與相鄰的紗連接的情況下使用此類圖案，則它們的橫向穩(wěn)定性良好，因?yàn)楸M管縫合紗主要縱向延伸，但其形成為單向粗紗賦予增強(qiáng)材料所需的完整性的此類圖案(例如經(jīng)向斜紋)。其次，所述增強(qiáng)材料易于定位在模具中(即，使增強(qiáng)材料沿循模具的輪廓)，因?yàn)槿绻m當(dāng)選擇縫合參數(shù)，如線跡長(zhǎng)度、針間距和紗張力(僅舉幾個(gè)為例)，則縫合增強(qiáng)材料通常非常柔軟。

然而，線跡的使用也會(huì)導(dǎo)致一些問題。例如，線跡會(huì)導(dǎo)致粗紗規(guī)則的彎曲/扭結(jié)，該彎曲/扭結(jié)使承受負(fù)載的纖維偏離其初始直線取向。線跡還會(huì)局部壓縮粗紗，從而造成不規(guī)則的樹脂分布和內(nèi)部應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。

另一種機(jī)械方法是使用編織技術(shù)以將縱向經(jīng)紗采用輕質(zhì)緯紗錨定在其相應(yīng)位置。就緯紗而言，已使用無(wú)涂層的紗和帶熱熔涂層的紗兩者。加熱和冷卻之后，熱熔粘合劑已賦予增強(qiáng)材料相當(dāng)大的穩(wěn)定性。然而，編織替代形式不再被視為是有利的，因?yàn)樵鰪?qiáng)紗在與緯紗交叉時(shí)形成扭結(jié)，從而導(dǎo)致應(yīng)力集中以及比針織形式低的機(jī)械性能。已發(fā)現(xiàn)，熱熔粘合劑紗在使用時(shí)會(huì)在基體固化中產(chǎn)生局部干擾，從而在業(yè)界不再受青睞。通常，緯紗為復(fù)絲紗，無(wú)論它們是不是熱熔紗，在受壓時(shí)都會(huì)變平。