[发明专利]单片式纤维增强材料及其制备方法和纤维增强复合制品

说明书

技术领域

本发明涉及由多个以层状形式布置的同延的、分开且不同的增强纤维结构制造单片式纤维增强材料的方法。该方法包括使来自不同层的纤维交络使得来自各层的纤维中的至少一些插入相邻层中并桥接初始的层界面从而与至少一个其它层中的至少一些纤维形成接合和干涉以联结所述层。本发明施加到各增强材料的基本上整个横向范围（lateral extent）上，并且可用于制造具有提高的抗分层性的增强材料并简化了纤维增强聚合物复合材料的制造。

背景技术

越来越关注用高性能轻质增强复合材料部件和结构代替车辆中的冲压金属片部件，该复合材料部件和结构包括具有适合的增强材料的聚合物基质。适合的聚合物通常是热固性的，例如环氧树脂、乙烯基酯或聚酯；或热塑性的，例如聚丙烯或聚酰胺，且适合的增强材料包括结构纤维，例如碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维。这些纤维可以是无规取向和布置的或者是沿一个或多个优选方向定向的。

各碳纤维的直径可以在约5-10微米的范围内，特别常见的是7微米直径的纤维。各玻璃纤维可以在约7-30微米的范围内，这部分取决于玻璃等级。在很多应用中，特别是使用定向纤维的那些应用中，使用共同取向的纤维的组合体，该组合体可以称作纤维束或粗纱。这类碳纤维组合体可以包含少至1000或多达50,000或更多的纤维，而玻璃纤维组合体可以包括多达200,000或更多的纤维。

对于织物应用，为便于应用可以将定向纤维组合为两种织物结构中的一种：机织布或无纺物，无纺物通常称作无屈曲（non-crimp）织物或缝编织物。机织布采用第一取向的纤维束，其交替地处于第二取向的纤维束的上方和下方，第二取向通常与第一取向呈90°。所述机织可以是紧密的，相邻纤维束间隔约1毫米或更小；或者松散的，相邻纤维束间隔高达约10毫米。在可供选择的结构中，可以将由相应线轴分别供给的多个间隔设置的纤维粗纱简单地彼此并排放置在片层（ply）中，并通过使用例如聚酯纱线缝合临时固定和锁定不动。这种缝合通常在该增强片层的长度和宽度上延伸，并且通常使用缝合织轴来完成，其结合有多根针并具有适当的运动使得能够实现简单的链式缝合和其它更复杂的缝合，如经编缝合。在很多情形中，将多个同延的片层叠置，并在单个缝合操作中固定所有片层的粗纱。通常以相邻片层的纤维取向彼此旋转的方式放置所述片层使得相比单独的各片层所得多片层增强材料的面内性质的方向性更小或更加各向同性。各片层的重量由粗纱的体积（bulk）和相邻粗纱束之间的间距决定。这些无纺增强材料称作缝编织物或无屈曲织物，通常简称作NCF。

多片层NCF的一种常见实例是分别以0o、+45o、-45o和90o布置的纤维的4层组合体，在每个取向上都有基本相同数量的纤维。具有以+45o和-45o布置的纤维的两层NCF也有广泛的应用。当然对这类多片层NCF的这一描述是示例性的而非限定性的。可以理解本说明书中所用的术语无屈曲织物、缝编织物、NCF、NCF织物或定向纤维层包含了在片层数量、取向数量、任意片层中纤维的角度设置和各取向上的纤维密度方面的各种情况。

可以将这种纤维增强材料，机织的或无纺的，用适合的聚合物树脂浸渍、放置在模具中、成型然后固化，通常在适当升高的温度一般约150℃下，以形成所需的聚合物复合材料。可以理解上面所列的操作顺序可以改变以用于不同的模制过程。例如，可以将预制体放置在已经充满树脂的模具中，或者可以在预制体置入模具中之后通过树脂注入、树脂传递模塑、或结构树脂注塑来添加树脂。也可以使用热塑性或热固性片材或具有混络的热塑性绞线（strands）和增强纤维的材料。

通常，可能需要多于一个织物增强材料来在复合材料中形成所需的性质。这些增强材料可以层层堆叠，同时可以使一层相对于另一层旋转或偏置，目的是至少在该增强材料的平面内形成更大的各向同性，或降低性质的方向性。

还应用了增强纤维为无规取向的增强层，例如通过直接纤维预成型或Programmable Powered Preform Process（P4^TM预成型）得到，或者一层或多层的连续原丝毡如Owens Corning 8610或短切毡。由于纤维在所有可能的方向上取向，因此这种增强材料甚至可能提供比多层NCF织物增强材料更加各向同性的性质。

多层纤维基聚合物复合增强材料的一种适合的构造是无规取向的纤维层夹在两层定向纤维之间，该定向纤维可以组合为NCF（无屈曲织物）层或机织层。但这种多层增强材料也是多片式的（multi-piece），需要分别安放和定位各增强层，使得制造复杂。