專利名稱：提供層壓材料的全厚度增強(qiáng)的方法及增強(qiáng)的層壓材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提供復(fù)合材料的全厚度(through-thickness)增強(qiáng)的方法,并且特別地但不限定于提供層壓復(fù)合材料的全厚度增強(qiáng)的方法。
背景技術(shù)：
在聚合物基質(zhì)內(nèi)保持有增強(qiáng)纖維的層壓復(fù)合材料廣泛地應(yīng)用在許多工程應(yīng)用中。這類材料相對(duì)于常規(guī)的金屬材料來說，通常每單位重量可以提供更高的強(qiáng)度和硬度。這使得這類復(fù)合材料對(duì)于重量敏感的應(yīng)用來說具有優(yōu)勢(shì)，例如在航空領(lǐng)域中的那些應(yīng)用。層壓復(fù)合材料的一個(gè)已知的問題在于，與相應(yīng)的面內(nèi)性能相比它們的層間或全厚度機(jī)械性能較差。這類低層間強(qiáng)度和斷裂韌性會(huì)限制復(fù)合部件的設(shè)計(jì)，甚至可能限制這類材料在某些應(yīng)用中的使用。一種解決這一問題的方式是使用增韌的基質(zhì)材料。這類基質(zhì)材料比常規(guī)的基質(zhì)材料通常要昂貴得多，常常具有較差的高溫性能并且可能仍不能提供足夠的斷裂韌性。一種用于改善層間強(qiáng)度性能的可供選擇的解決方式是將全厚度纖維插入層壓材料中。已經(jīng)開發(fā)了多種不同的技術(shù)來插入這類增強(qiáng)纖維。一種這類技術(shù)包括使用縫合(stitching)來插入所述全厚度增強(qiáng)纖維。這需要使用直徑超過5_的針。當(dāng)使用這一尺寸的針來穿透纖維層壓制品的時(shí)候，可能會(huì)造成所述層壓制品的纖維的顯著的切割和變形。這可能導(dǎo)致面內(nèi)材料性能降低超過20%。此外，使用連續(xù)纖維來進(jìn)行全厚度增強(qiáng)可能會(huì)導(dǎo)致在層壓制品頂部的少數(shù)幾個(gè)片層(Ply)內(nèi)形成紐結(jié)，這是由從一個(gè)針腳橫跨到下一針腳的纖維環(huán)路造成的結(jié)果。這也會(huì)導(dǎo)致所述材料的面內(nèi)性能降低。一種用于將全厚度增強(qiáng)纖維插入層壓材料中的可供選擇的方法為裝訂或者Z-釘扎(z-pinning)。這些增強(qiáng)纖維通常為纖維狀結(jié)構(gòu)并且在插入末端形成有45°斜面。常規(guī)Z-釘扎技術(shù)的一個(gè)問題在于由于末端斜面與層壓制品的緊密堆積的纖維的相互作用使得增強(qiáng)纖維相對(duì)于所需的插入軌跡產(chǎn)生偏斜。這會(huì)導(dǎo)致所插入的纖維相對(duì)于層壓制品的平面不適當(dāng)?shù)禺a(chǎn)生角度或者彎曲，這顯著地降低了它們的全厚度增強(qiáng)性能。常規(guī)Z-釘扎工藝的另一個(gè)問題在于由于需要迫使纖維增強(qiáng)銷釘穿過層壓制品的緊密壓實(shí)的纖維層因而該銷釘可能會(huì)在插入過程中分裂或者破裂。這會(huì)降低增強(qiáng)銷釘存在的效果。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，涉及提供層壓材料的全厚度增強(qiáng)的方法，所述層壓材料包含具有膠凝點(diǎn)的聚合物基質(zhì)材料，所述方法包括如下步驟(a)提供層壓材料；(b)加熱所述層壓材料至第一預(yù)設(shè)溫度，所述第一預(yù)設(shè)溫度定義為在該溫度下距離到達(dá)所述膠凝點(diǎn)還有第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔的溫度；
(c)在所述層壓材料中形成多個(gè)孔；和(d)在所述多個(gè)孔的每一個(gè)中插入增強(qiáng)元件。在本發(fā)明的一種實(shí)施方式中，所述增強(qiáng)元件形成為側(cè)面平行(parallel sided)的柱體或者纖維。在其他的實(shí)施方式中，所述元件可以具有其他的幾何構(gòu)型，例如漸尖的(tapered)或者其它形狀的柱體和/或可以是有凹槽的或者有棱紋的。將所述材料加熱至第一預(yù)設(shè)溫度的步驟導(dǎo)致所述基質(zhì)材料的動(dòng)態(tài)粘度從室溫下的數(shù)值顯著地降低。這使得孔形成步驟能夠更加容易而且更快地實(shí)施，因?yàn)樗龌|(zhì)材料更加流體化。一旦達(dá)到所述第一預(yù)設(shè)溫度，就必須在有限的第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔內(nèi)形成所述孔，并且相應(yīng)的增強(qiáng)纖維必須在所述基質(zhì)材料開始固化之前插入。一旦固化過程開始，就不可能在不損壞所述材料的情況下形成孔或者插入纖維。在本發(fā)明的方法中，所述層壓材料整體被加熱至所述第一預(yù)設(shè)溫度，例如通過使用加熱爐(oven)。在本發(fā)明的其他實(shí)施方式中，所述層壓材料可以使用聚焦的微波能量來選擇性地加熱。如果所述層壓材料較大和/或需要插入大量的增強(qiáng)纖維，那么這可能是有用的。通過將增強(qiáng)纖維插入層壓材料內(nèi)的預(yù)形成的孔中，纖維分裂或者被周圍的層壓制品的纖維偏斜的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)顯著地降低。任選地，所述多個(gè)孔中的每一個(gè)均通過將針插入層壓材料中來形成，所述針具有圓錐形尖端。具有尖銳的、圓錐形尖端的針的使用與如上所述降低的粘度相結(jié)合，使得層壓制品的纖維能夠在所述針穿過該材料的過程中被所述針偏斜，這使得所述針損壞層壓制品纖維的可能性最小化。此外，所述針的圓錐形尖端的對(duì)稱特性使得在所述針穿過層壓材料時(shí)發(fā)生側(cè)向偏斜的可能性最小化。這有助于使待接收所述增強(qiáng)纖維的孔更加精確地與其預(yù)期的路徑對(duì)正。任選地，所述針延伸穿過層壓材料。常規(guī)的增強(qiáng)纖維通常形成有斜切的尖端(約45° )，它用于幫助所述纖維插入層壓材料。如果增強(qiáng)纖維的插入深度等于層壓材料的厚度，那么該斜面會(huì)降低纖維的有效長(zhǎng)度。有效長(zhǎng)度的降低量取決于斜切角度，舉例來說，對(duì)于45°的斜面，有效長(zhǎng)度降低了約等于纖維直徑的長(zhǎng)度。這一有效長(zhǎng)度的降低會(huì)削弱纖維對(duì)于層壓材料的增強(qiáng)效果。通過形成完全穿過層壓材料的孔，增強(qiáng)纖維可以插入層壓材料中使得斜切的末端部分完全地穿過所述材料。由此，增強(qiáng)纖維的有效長(zhǎng)度等于其插入深度(即層壓材料的厚度)。任選地，所述針的直徑優(yōu)選小于約1. OOmm,更優(yōu)選小于約O. 80mm并且最優(yōu)選小于約 O. 55mm。用于常規(guī)的全厚度增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)纖維可具有一系列的直徑。典型的常用增強(qiáng)纖維的直徑為O. 28mm至O. 51mm。優(yōu)選使用直徑約等于或者稍大于相應(yīng)增強(qiáng)纖維的直徑的針。這是因?yàn)橥ㄟ^將層壓材料的基質(zhì)加熱至第一預(yù)設(shè)溫度而造成的該基質(zhì)的粘度特性，導(dǎo)致當(dāng)針從材料中抽出時(shí)圍繞所述孔的材料會(huì)恢復(fù)，由此降低了孔的直徑。 任選地，在將針插入層壓材料中時(shí)，使針繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)。在將針插入層壓材料中時(shí)，使針繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)能夠通過使針更加容易地從所述材料的纖維之間穿過而降低將針插入層壓材料中所需的力。任選地，所述針包括表面涂層，使得涂覆的針的摩擦系數(shù)小于相應(yīng)的未涂覆的針的摩擦系數(shù)。所述針的表面摩擦系數(shù)的降低減小了將針插入層壓材料中所需的力并且還降低了基質(zhì)材料粘附到所述針上的趨勢(shì)。任選地，所述多個(gè)孔通過多個(gè)針同時(shí)形成。典型的待形成為具有全厚度增強(qiáng)的復(fù)合部件可以具有高達(dá)約25，000的全厚度增強(qiáng)纖維。如果所述增強(qiáng)纖維中的每一個(gè)均單獨(dú)地插入，那么很可能加工時(shí)間會(huì)過長(zhǎng)，這將使得該過程耗費(fèi)時(shí)間、成本昂貴并且因而是不切實(shí)際的。通過在單一操作中形成多個(gè)孔，所述過程可以顯著地提高速度并降低成本。這使得所述方法更有成本效益并且由此更具有商業(yè)價(jià)值。任選地,在將針插入層壓材料中時(shí),對(duì)所述針或者每個(gè)針施加超聲能量。在將針插入材料中時(shí)對(duì)其施加超聲能量造成對(duì)與該針接觸的層壓制品的局部加熱，這產(chǎn)生了局部軟化并進(jìn)而有助于插入。任選地,所述增強(qiáng)元件包括具有斜角(angled)的尖端。任選地，所述增強(qiáng)元件由選自硼、碳、玻璃、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁、剛性酚醛樹月旨、剛性聚酰亞胺、剛性環(huán)氧樹脂及這類材料的復(fù)合物的材料形成。所述增強(qiáng)元件可以由與所述層壓材料的基質(zhì)相容的材料形成。任選地，在將增強(qiáng)元件插入層壓材料內(nèi)的各孔時(shí)，使增強(qiáng)元件繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)。如上所述，常規(guī)的增強(qiáng)纖維通常在它們的插入尖端形成有45°的斜面。在層壓材料中形成供增強(qiáng)纖維插入的孔可以顯著地降低由于增強(qiáng)纖維與層壓制品的緊密堆積的纖維之間的相互作用導(dǎo)致的增強(qiáng)纖維相對(duì)于其預(yù)定的插入路徑產(chǎn)生偏斜的趨勢(shì)。當(dāng)將增強(qiáng)纖維插入預(yù)形成的孔中時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)所述增強(qiáng)纖維，末端斜面在插入操作期間并沒有保持在相同的位置，而是圍繞所述纖維的長(zhǎng)軸連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這進(jìn)一步地降低了所述纖維在層壓制品的纖維的作用下相對(duì)于其預(yù)定路徑產(chǎn)生偏斜的趨勢(shì)。增強(qiáng)纖維沿著其長(zhǎng)軸的旋轉(zhuǎn)可以朝任一方向和/或可以是振蕩的。舉例來說，所述振蕩的運(yùn)動(dòng)可以采用一系列的連續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)和更小的逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的形式。任選地，所述針被冷卻至第二預(yù)設(shè)溫度，所述第二預(yù)設(shè)溫度小于所述第一預(yù)設(shè)溫度，并且定義為在該溫度下距離達(dá)到膠凝點(diǎn)還有第二預(yù)設(shè)時(shí)間間隔的溫度。如上所述，通過加熱所述層壓材料至第一預(yù)設(shè)溫度，層壓制品基質(zhì)的粘度顯著地降低。這可能會(huì)導(dǎo)致在所述針移除時(shí)圍繞新形成的孔的基質(zhì)材料恢復(fù)至部分閉合或者填塞所述孔。在將所述針插入加熱的層壓材料之前，將所述針冷卻至小于所述第一預(yù)設(shè)溫度的第二預(yù)設(shè)溫度，致使當(dāng)所述針插入層壓制品中時(shí)它局部地冷卻緊密圍繞所述孔的基質(zhì)材料。這增加了緊密圍繞所述孔的區(qū)域內(nèi)的基質(zhì)材料的粘度，并且降低了所述材料恢復(fù)進(jìn)入該新形成的孔內(nèi)的趨勢(shì)。在一種設(shè)置形式中，在將所述針插入加熱的層壓材料之前，將它冷卻至約-20°C。在另一種設(shè)置形式中，所述針可以冷卻至更高的溫度，該溫度在任何情況下可能均小于室溫。


下文將參照附圖以非限制性實(shí)施例的方式來描述本發(fā)明的實(shí)施方式，其中圖1示出了常規(guī)復(fù)合層壓材料的示意性的、局部剖視圖；圖2示出了層壓復(fù)合材料使用的典型的環(huán)氧樹脂的膠凝時(shí)間-溫度圖。圖3示出了圖2的環(huán)氧樹脂的動(dòng)態(tài)粘度-溫度圖。圖4示出了圖2的環(huán)氧樹脂的熱流-溫度圖。圖5a和5b示出了將針插入層壓復(fù)合材料中以形成孔的示意圖；并且圖6示出了將增強(qiáng)纖維插入層壓復(fù)合材料內(nèi)的孔的示意圖。
具體實(shí)施例方式圖1示出了層壓復(fù)合材料100的實(shí)例，其包括多個(gè)纖維層110。在圖1的實(shí)施方式中，每個(gè)纖維層Iio均包括保持在基質(zhì)材料130中的多個(gè)單向定向的纖維120。在可供選擇的設(shè)置形式中，所述纖維層可以包括具有其它取向的纖維。每個(gè)層110的相對(duì)的纖維取向以及纖維層110的數(shù)量均由成品部件待經(jīng)受的設(shè)計(jì)負(fù)載所決定。本發(fā)明的方法包括加熱未固化的復(fù)合層壓材料100至第一預(yù)設(shè)溫度。所述第一預(yù)設(shè)溫度對(duì)于每種基質(zhì)材料130都是唯一的，并且在該基質(zhì)材料的固化參數(shù)、流變學(xué)和膠凝時(shí)間以及第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔的基礎(chǔ)上確定。所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔是可用于完成全厚度增強(qiáng)纖維到材料100的插入的時(shí)間，并且取決于成品部件的幾何構(gòu)型和增強(qiáng)纖維的數(shù)量。圖2示出了可用于層壓復(fù)合材料的典型環(huán)氧樹脂材料的膠凝時(shí)間圖(膠凝時(shí)間對(duì)溫度)。這一數(shù)據(jù)容易從基質(zhì)材料供應(yīng)商處獲得。膠凝時(shí)間圖顯示了在任何特定溫度下達(dá)到所述材料的膠凝點(diǎn)之前可用的時(shí)間。所述膠凝點(diǎn)定義為基質(zhì)材料的固化反應(yīng)的開始，即在該點(diǎn)處基質(zhì)材料的分子開始鏈接在一起(或者膠凝)并且所述材料開始硬化。參考圖2，如果需要100分鐘的第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔來完成增強(qiáng)纖維的插入過程，那么可以看出所述第一預(yù)設(shè)溫度為100°c。圖3示出了圖2的環(huán)氧樹脂材料的流變圖(動(dòng)態(tài)粘度對(duì)溫度)。從圖3可以看出，通過加熱所述層壓材料至第一預(yù)設(shè)溫度(在這種情況中，100°C )，所述環(huán)氧樹脂基質(zhì)材料的粘度將會(huì)大大低于室溫下的粘度。這一粘度上的降低極大地幫助了增強(qiáng)纖維的插入過程。膠凝點(diǎn)在圖3中顯示為流變圖的拐點(diǎn)，即在該點(diǎn)處由于加熱導(dǎo)致的粘度降低停止而進(jìn)一步加熱致使粘度快速增加因?yàn)樗霾牧祥_始固化或硬化。如在圖4中所示，可以根據(jù)環(huán)氧樹脂的固化圖(熱流對(duì)溫度)來對(duì)第一預(yù)設(shè)溫度的適用性作進(jìn)一步檢查。從圖4中可以看出，對(duì)于當(dāng)前的實(shí)例，所述第一預(yù)設(shè)溫度(100°C)低于該樹脂開始固化或硬化的溫度，該溫度由該曲線上的峰指示。因此，所述基質(zhì)材料處于粘性狀態(tài)，這極大地便利了增強(qiáng)纖維的插入。如上所述,所述膠凝點(diǎn)對(duì)應(yīng)于樹脂中固化反應(yīng)的開始。該點(diǎn)在圖4中示出為熱流隨著溫度的升高開始增加的起始點(diǎn)。一旦整個(gè)層壓材料達(dá)到所述第一預(yù)設(shè)溫度，就將具有尖銳的、圓錐形插入尖端170的針160首先插入所述材料中然后移除以形成孔180，為后續(xù)的增強(qiáng)纖維190的插入做好準(zhǔn)備。這在圖5a和5b中以示意性的方式顯示。針160具有實(shí)心的、圓柱形形式和O. 30mm的直徑。在另一種設(shè)置形式中，可以使用直徑不同的針。然而，針160的直徑應(yīng)當(dāng)大于所使用的增強(qiáng)纖維190的直徑，它在本發(fā)明中為 O. 28mm。雖然孔180可以逐個(gè)形成，但是在本發(fā)明中使用自動(dòng)控制器(未示出)來同時(shí)將多個(gè)針160插入層壓材料100中，由此在單一操作中形成多個(gè)孔180。如上所述，通過加熱復(fù)合材料100至第一預(yù)設(shè)溫度，基質(zhì)材料130的粘度顯著地降低，這使得當(dāng)針160穿過所述材料時(shí)層壓纖維120能夠被針160偏斜。這進(jìn)而降低了孔形成步驟期間針160損壞層壓纖維120的可能性。每個(gè)針160都設(shè)有平滑的、拋光的表面，這使得當(dāng)針160插入和移除時(shí)針160和層壓材料之間的摩擦阻力最小化。這種平滑表面還使得孔形成步驟期間在針160上的樹脂材料的攜取(pick-up)或者纖維120的鉤掛(catching)最小化。在孔形成之后，增強(qiáng)纖維190與孔180對(duì)正并插入所述層壓材料中。在增強(qiáng)纖維190插入所述材料中時(shí)，它可以圍繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)。在不偏離本發(fā)明的必要特征的前提下，本發(fā)明可以其它具體形式來實(shí)施。所描述的實(shí)施方式在各個(gè)方面均應(yīng)理解為僅作為說明性的而不是限制性的。因此，本發(fā)明的范圍通過所附的權(quán)利要求來指出，而不是通過前述的說明。所有落入所述權(quán)利要求的含義和等同范圍內(nèi)的變形均涵蓋在它們的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.提供層壓材料(100)的全厚度增強(qiáng)的方法，所述層壓材料(100)包含具有膠凝點(diǎn)的聚合物基質(zhì)材料(130)，所述方法包括如下的步驟(a)提供層壓材料；(b)加熱所述層壓材料(100)至第一預(yù)設(shè)溫度，所述第一預(yù)設(shè)溫度定義為在該溫度下距離達(dá)到所述膠凝點(diǎn)還有第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔的溫度；(c)在所述層壓材料(100)中形成多個(gè)孔(180);和(d)在所述多個(gè)孔(180)的每一個(gè)中插入增強(qiáng)元件(190)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法,其中所述多個(gè)孔(180)中的每一個(gè)均通過將針(160)插入所述層壓材料(100)中來形成，所述針(160)具有圓錐形尖端(170)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述針(160)延伸穿過所述層壓材料(100)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的方法，其中所述針(160)的直徑優(yōu)選小于約1.00mm，更優(yōu)選小于約O. 80mm并且最優(yōu)選小于約O. 55mm。
5.如權(quán)利要求2至4中任一項(xiàng)所述的方法，其中當(dāng)所述針(160)插入層壓材料(100)中時(shí)使所述針(160)繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)。
6.如權(quán)利要求2至5中任一項(xiàng)所述的方法，所述針(160)包括表面涂層，使得已涂覆的針的摩擦系數(shù)小于相應(yīng)的未涂覆的針的摩擦系數(shù)。
7.如權(quán)利要求2至6中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述多個(gè)孔(180)由多個(gè)針(160)同時(shí)形成。
8.如權(quán)利要求2至7中任一項(xiàng)所述的方法，其中當(dāng)所述針(160)插入所述層壓材料中時(shí)對(duì)所述針(160)或者每個(gè)針(160)施加超聲能量。
9.如權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增強(qiáng)元件(190)包括具有斜角的尖立而。
10.如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增強(qiáng)元件(190)由選自硼、碳、玻璃、碳化硅、氧化鋁、氮化鋁、剛性酚醛樹脂、剛性聚酰亞胺、剛性環(huán)氧樹脂及這類材料的復(fù)合物的材料形成。
11.如權(quán)利要求1至10中任一項(xiàng)所述的方法，其中當(dāng)所述增強(qiáng)元件(190)插入所述層壓材料內(nèi)的各個(gè)孔(180)中時(shí)使增強(qiáng)元件(190)繞其長(zhǎng)軸旋轉(zhuǎn)。
12.如權(quán)利要求2至11中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述針(160)冷卻至第二預(yù)設(shè)溫度，所述第二預(yù)設(shè)溫度小于所述第一預(yù)設(shè)溫度并且定義為在該溫度下距離達(dá)到所述膠凝點(diǎn)還有第二預(yù)設(shè)時(shí)間間隔的溫度。
13.增強(qiáng)的層壓材料，由權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及提供層壓復(fù)合材料的全厚度增強(qiáng)的方法，包括將包含聚合物基質(zhì)材料和多個(gè)纖維層的層壓復(fù)合材料加熱至第一預(yù)設(shè)溫度，該溫度定義為距離所述基質(zhì)材料達(dá)到其膠凝點(diǎn)還有第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔的溫度。所述第一預(yù)設(shè)時(shí)間間隔定義為將所需量的全厚度增強(qiáng)纖維插入所述層壓材料內(nèi)所需的時(shí)間。在所述層壓材料中形成多個(gè)孔；每個(gè)孔均通過將具有圓錐形尖端的針插入所述層壓材料中來形成。然后在所述多個(gè)孔的每一個(gè)中插入增強(qiáng)元件。本發(fā)明還涉及通過本發(fā)明方法得到的增強(qiáng)的層壓材料。
文檔編號(hào)B32B3/08GK103042732SQ201210459998
公開日2013年4月17日 申請(qǐng)日期2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月11日
發(fā)明者J·K·蘭德 申請(qǐng)人:勞斯萊斯有限公司