[发明专利]用于3D打印的复合增强丝、预浸材料、带以及其制备装置

说明书

本发明涉及复合材料领域，可用于制备用于航空和火箭/空间技术、医药、汽车制造等的部件和结构。复合增强丝包含粗纱，由用热反应性的粘合剂浸透的增强纤维制成，具有直径为0.1‑0.7mm的圆形横截面或偏心距为1‑2且较大直径为0.1‑0.7mm的椭圆形横截面。浸透的粗纱经温度处理，直到热反应性的粘合剂完全固化。通过添加热塑性粘合剂由丝制备预浸材料。通过借助于由热塑性材料制成的连接元件连接丝或预浸材料来生产带。该线在包含筒子架的装置中生产，其上安装有绕线筒，该绕线筒具有由增强纤维或增强纤维和功能纤维制成的粗纱、浸透装置、两个热处理室、用于接收成品丝的单元和接收绕线筒。第一室中的温度为70‑130℃，且第二室中的温度为160‑400℃。为了制备预浸材料，该装置另外设置有用于将热塑性涂层施加到粗纱上的装置，该粗纱用热反应性粘合剂浸透并完全固化。本发明可以降低用热塑性基质制备部件的难度，并减少产品制备时间；用于增加初始预浸材料的储存寿命，以及用于提高由复合材料制备产品的有效性。

发明领域

本发明涉及复合材料领域，可用于制造由复合材料制成的零件和结构，例如用于航空、火箭和空间技术、医药、汽车工业等的支架、配件、基础部件、耐磨产品、格子和蜂窝结构。

发明背景

目前，粘合剂浸渍的增强纤维制成的织物、带或束形式由预浸材料制成的复合材料在本领域中被广泛使用。为了制造零件，将预浸材料切割并放置在工艺工具上，形成产品。

作为粘合剂，热固性粘合剂(例如环氧树脂类)是最常用的。在这种情况下，预浸材料制造过程是用热固性粘合剂浸渍增强材料，然后干燥，在此期间发生粘合剂的部分固化。

已知含有热固性粘合剂的各种预浸材料和这些预浸材料的制造方法(例如[1]RF专利号2321606，IPC C08J5/24，B32B27/04，2008年4月10日公布；[2]美国申请号20120251823A1，IPC B29C41/30，2012年10月4日公布)，包括将碳纱从绕线筒架输送到分配梳，然后输送到第一浴，用5％浓度的环氧粘合剂溶液进行第一次浸渍。浸渍的增强材料进入用红外辐射干燥的装置以除去醇-丙酮混合物的溶剂。然后将干燥的纱送入旋转拉布机，然后用49％浓度的相同环氧粘合剂溶液在第二浴中进行第二次浸渍。此外，将浸渍的增强材料置于抗粘附基底上并输送到水平干燥室。在这种情况下，浸渍的增强材料的干燥温度相对于粘合剂的凝胶化温度降低。

基于热固性粘合剂的预浸材料的主要缺点包括其有限的保质期和对储存条件的特殊要求。这种预浸材料通常在低于-18℃的温度下储存在冰箱中。

此外，这种预浸材料具有使用热固性粘合剂制造的复合材料的共同缺点。基于热固性粘合剂的复合材料在其转变成产品期间需要长的聚合过程。此外，聚合的热固性粘合剂的特征是低的可变形性，导致复合材料的基质的脆性破坏。当这种复合材料经受纤维的拉伸载荷时，在其中形成平行于纤维的微裂纹。这些微裂纹的形成导致许多不利影响，包括泄漏故障、复合结构动态载荷下残余变形的出现和累积。此外，基质的脆性导致复合材料的分层，即使在轻微的冲击下，也会导致材料强度在压缩过程中的不可预测的降低。这些情况限制了结构中允许应力的水平，这导致其质量的显著增加。

此外，热固性粘合剂上的预浸料在加工成产品期间需要长的聚合过程。

为了消除这些缺点，目前正在积极努力制造热塑性预浸材料，其具有许多优点。技术优点包括在正常条件下储存期间预浸材料的无限活力、由于没有热固性基质的长期聚合过程而缩短的生产时间、在加热状态下形成和加工材料的可能性。具有热塑性基质的复合材料的主要结构优点与热塑性塑料的高(高达约100％)可变形性和它们的破坏的粘性性质相关。至于断裂韧性系数，其表征复合材料在冲击时抗分层性，具有热塑性基质的复合材料超过具有环氧基质的复合材料6倍，并且关于冲击后的抗压强度-超过2倍(参见[3]《复合材料手册(Handbook of Composites》，第二版，由S.T.Peters编辑，伦敦，查普曼和霍尔出版(Chapman and Hall)，1998年)。