專利名稱：纖維補強的塑性材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料，特別涉及纖維補強的塑料以及纖維補強的塑性材料的制造。
背景技術(shù)：
纖維補強的塑料可被描述為多成分材料，其包含包埋于剛性基質(zhì)中的補強纖維。 大多數(shù)用于工程應(yīng)用的復(fù)合材料含有由玻璃、碳或芳族聚酰胺制成的纖維。纖維還能由玄 武巖或其它天然材料制成。不同范圍的聚合物能用作纖維補強的塑性復(fù)合材料的基質(zhì)，這些一般被分類為熱 固性樹脂如環(huán)氧樹脂、聚酯或熱塑性樹脂如聚酰胺。由纖維補強的塑料制成的產(chǎn)品用于輕型結(jié)構(gòu)。該產(chǎn)品的實例是風(fēng)輪機葉片。纖維材料的比剛度和比強度比基質(zhì)材料的比剛度和比強度高得多。因此，要求最 高可能的補強纖維百分數(shù)，以獲得所得復(fù)合材料的最高可能的比剛度和最高可能的比強度。目前，能生產(chǎn)具有超過70體積％纖維材料的纖維補強的塑料。然而，應(yīng)考慮到復(fù) 合材料的疲勞性能可能會由于纖維含量增加而變化。在玻璃纖維補強的塑料的情況下，實踐表明超過約56體積％(其相應(yīng)于75重量％) 的纖維百分數(shù)導(dǎo)致層壓體的疲勞性能降低。對于真空加固的樹脂注射情況尤其如此。因此，需要用于制造具有高的比剛度和高的比強度同時保持或甚至提高材料疲勞 性能的纖維補強的塑性材料的技術(shù)。本領(lǐng)域已知在復(fù)合材料制造過程期間添加另外的層壓材料以達到更好的耐疲勞 性。不利地，這增加產(chǎn)品重量。如上所述，纖維補強的復(fù)合材料的耐疲勞性能會在更高的纖維百分數(shù)情況下劣 化。在纖維間缺乏基質(zhì)材料導(dǎo)致未被基質(zhì)材料負載的相鄰纖維在它們?nèi)勘砻嫔系囊苿雍?磨損。結(jié)果，局部裂紋可能穿過復(fù)合材料而擴展。因此，基質(zhì)材料必須完全包封纖維并附著于所有纖維上，從而在基質(zhì)與纖維材料 間傳遞力并將力分配在纖維間。然而，在纖維補強的塑性材料中，特別是在纖維彼此相切的情況下，經(jīng)常存在基質(zhì) 未附著于纖維的區(qū)域。力的傳遞在這些區(qū)域中受到阻礙。這可能導(dǎo)致復(fù)合材料的局部應(yīng)力 梯度和更低的耐疲勞性。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于改進纖維補強的材料的耐疲勞性。本發(fā)明的目的通過權(quán)利要求1的特征得以實現(xiàn)。本發(fā)明的其它方面是從屬權(quán)利要 求的主題。本發(fā)明涉及纖維補強的塑性材料，其包含基質(zhì)材料和第一纖維(first fibres) 0第一纖維包埋于基質(zhì)材料中。根據(jù)本發(fā)明，填充件包埋于基質(zhì)材料3中。填充件設(shè)置于第一纖維之間，以防止纖 維補強的塑性材料中的裂紋擴展。此外，填充件使纖維間的流路成為可能，并使得纖維補強的塑性材料制造過程期 間的樹脂傳遞增強。此外，減小了纖維對纖維的直接接觸的接觸面。結(jié)果，總體復(fù)合材料的耐疲勞性得 以提尚。以下將通過實施例結(jié)合附圖更詳細地描述本發(fā)明。附圖顯示優(yōu)選的構(gòu)造，且并不限制本發(fā)明的范圍。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖， 圖2示出根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖， 圖3示出根據(jù)本發(fā)明再一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖， 圖4示出根據(jù)本發(fā)明再一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖，和 圖5示出根據(jù)本發(fā)明再一實施方案的纖維補強的塑性材料的一部分的橫截面圖。
具體實施例方式根據(jù)圖1所示的本發(fā)明實施方案，纖維補強的塑性材料包含根據(jù)第一種纖維的第 一纖維1、根據(jù)第二種纖維的第二纖維2和基質(zhì)材料3。纖維1、2包埋于基質(zhì)材料3中。第一纖維1是主要的補強纖維。第二纖維2是具有比第一纖維1小的直徑的附加 纖維。第一和第二纖維1、2是圓柱狀的伸長纖維，優(yōu)選玻璃纖維?；|(zhì)材料3優(yōu)選為熱 固性樹脂如環(huán)氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。如圖1所示，在第一纖維1之間在纖維1彼此相切的區(qū)域中具有小的空隙。根據(jù)本發(fā)明的該實施方案，所述空隙填充有第二纖維2。引入具有不同直徑的補強 纖維的混合物。優(yōu)選地，第二纖維2具有約等于第一纖維1的直徑的八分之一至六分之一的直徑。 例如，具有3 μ m-4 μ m直徑的第二纖維2能填充具有約Mym直徑的第一纖維1之間的空 隙。此外，第二纖維2能包括直徑不同的纖維。在本發(fā)明的再一實施方案中，第二纖維由與第一纖維1不同的材料制成。第二纖 維2能例如由具有與第一纖維的撓性不同的撓性的材料制成。如圖1所示，第一纖維1和第二纖維2以允許最高可能裝填密度同時避免纖維磨 損的方式設(shè)置。通過用第二纖維2填充第一纖維1之間的空隙，裂紋擴展的趨勢降低。此外，第二纖維2起到第一纖維1的纖維隔離物的作用。由此，纖維對纖維接觸的 接觸表面減小。結(jié)果，最終復(fù)合材料的耐疲勞性增加。根據(jù)圖2所示的本發(fā)明另一實施方案，纖維補強的塑性材料包括纖維1和基質(zhì)材 料3。纖維1包埋于基質(zhì)材料3中。此外，顆粒6包埋于基質(zhì)材料3中。
纖維1是圓柱狀的伸長纖維，優(yōu)選玻璃纖維?；|(zhì)材料3優(yōu)選為熱固性樹脂如環(huán) 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。與纖維直徑相比為小顆粒的顆粒6起到纖維1的纖維隔離物的作用。顆粒6能為圓的、伸長的或其它形狀。優(yōu)選地，該顆粒具有最高達纖維直徑十分之 一的長度或直徑。顆粒6還可包括具有一個或多個IOOnm級或更低的尺寸的納米顆粒。根據(jù)本發(fā)明的該實施方案，顆粒6能被攪拌并分散于然后用于制造補強的塑性材 料的液化基質(zhì)材料3中。顆粒6填充纖維1之間的空隙。因此，所得復(fù)合材料的裂紋擴展的趨勢降低。此外，顆粒6使纖維1之間的流路成為可能，并使得纖維補強的塑性材料制造過程 期間的樹脂傳遞增強。此外，纖維對纖維直接接觸的接觸表面減小。結(jié)果，整體復(fù)合材料的 耐疲勞性提高。在圖3所示的本發(fā)明的再一實施方案中，纖維補強的塑性材料包括纖維1和基質(zhì) 材料3。纖維1包埋于該基質(zhì)材料3中，此外，它們裝備有保護套4。纖維1是圓柱狀的伸長纖維，優(yōu)選玻璃纖維。基質(zhì)材料3優(yōu)選是熱固性樹脂如環(huán) 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至是植物類樹脂。保護套4包封各纖維1并起到纖維隔離物的作用。保護套4的厚度優(yōu)選在纖維直 徑的1%至10%范圍內(nèi)。套4由高孔隙材料制成，以便對于基質(zhì)材料3是可滲透的。這使得基質(zhì)材料3可 透過套4并浸漬纖維表面。因此，確保了套4內(nèi)部基質(zhì)材料3至纖維1的完全附著。粘合 基質(zhì)的層間剪切強度要求保持不受損。一般而言，纖維制造方法，例如玻璃纖維制造方法，包括擠出液體材料和之后用化 學(xué)溶液將細絲上漿。上漿工藝期間，一種涂料或底漆被施涂至細絲，用于保護細絲并確保與基質(zhì)材料 的適當(dāng)結(jié)合。在該初始上漿工藝之后，套4優(yōu)選被施用于纖維1。因此，套4可例如作為溶液或 作為分散體施涂?；蛘撸?能在纖維1的拉絲工藝期間被共擠出并適配。因此，所用套材料確保了 基質(zhì)材料3的適當(dāng)結(jié)合。通過提供具有保護套4的纖維，更大量的纖維1能被填充至所得復(fù)合材料的容積 中，同時確保所有纖維1都在其全部表面上被基質(zhì)材料3負載。纖維對纖維的接觸得以避免。結(jié)果，復(fù)合材料的耐疲勞性提高。在圖4所示的本發(fā)明再一實施方案中，纖維補強的塑性材料包括纖維1和基質(zhì)材 料3。因此，顆粒7附著至纖維1的表面。具有與其附著的顆粒的纖維1包埋于基質(zhì)材料3 中。纖維1是圓柱狀的伸長纖維，優(yōu)選玻璃纖維?；|(zhì)材料3優(yōu)選是熱固性樹脂如環(huán) 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。顆粒7起到纖維隔離物的作用。它們可為圓的、伸長的或其它形狀。優(yōu)選地，該顆 粒具有最高達至纖維直徑十分之一的長度或直徑。顆粒7還可包括具有一個或多個IOOnm 級或更低的尺寸的納米顆粒或納米纖維。
根據(jù)本發(fā)明的該實施方案，顆粒7能附著至纖維1的表面。它們能例如粘結(jié)于其 上。優(yōu)選地，這在前述纖維1的上漿工藝期間進行。因此，該顆粒包含于被施涂于纖維表面 的上漿溶液中。或者，顆粒7能以氣溶膠的形式施用于纖維表面1上。附著于纖維表面的顆粒7使得基質(zhì)材料3完全包圍并負載纖維1。纖維對纖維的 直接接觸得以避免。結(jié)果，復(fù)合材料的耐疲勞性提高。在圖5所示的本發(fā)明再一實施方案中，纖維補強的塑性材料包括纖維Ia和基質(zhì)材 料3。纖維Ia設(shè)計有縱向凹槽5，并包埋于基質(zhì)材料3中。纖維Ia是圓柱狀的伸長纖維，優(yōu)選玻璃纖維?；|(zhì)材料3優(yōu)選為熱固性樹脂如環(huán) 氧樹脂、聚酯、聚氨酯或甚至植物類樹脂。根據(jù)本發(fā)明的該實施方案，縱向凹槽5設(shè)置于纖維Ia的表面上。優(yōu)選地，該凹槽設(shè)置于纖維Ia周圍。它們能具有例如至多為纖維直徑十分之一的 深度和寬度。作為益處，開凹槽的纖維Ia使得基質(zhì)材料3附著于擴展表面上。纖維對纖維接觸 的接觸表面減小，復(fù)合材料的耐疲勞性提高。在本發(fā)明另一實施方案中，使用具有提高的滲透和/或毛細特性的樹脂材料來確 保樹脂材料容易地圍繞所有纖維流動并完全覆蓋所有纖維。當(dāng)然能組合圖1至5所示的前述實施方案。作為該組合的實例，纖維1可包含保護套4，此外，第二纖維2能被引入至第一纖維 1之間。此外，所有第一和第二纖維都能具有保護套，以避免纖維對纖維的接觸。實施方案組合的另一實例是具有纖維1、2混合物的纖維補強的塑性材料，其中所 述纖維1、2具有不同的直徑，其中隔離物顆粒7附著于纖維表面。作為實施方案可能組合的再一實例，開凹槽的纖維Ia能與包含顆粒6的基質(zhì)材料 3組合使用。開凹槽的纖維Ia也能具有不同直徑。由這些實施例變得顯而易見的是，前述實施方案的其它組合是可行的。
權(quán)利要求
1.纖維補強的塑性材料，其包含基質(zhì)材料(3)；包埋于基質(zhì)材料(3)中的第一纖維 ⑴；和同樣包埋于基質(zhì)材料⑶中的填充件0、6)；其中填充件(2、6)設(shè)置于第一纖維⑴ 之間，以防止纖維補強的塑性材料中的裂紋擴展。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的塑性材料，其中填充件包括第二纖維O)，該第二纖維( 具有比 第一纖維(1)的直徑小的直徑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的塑性材料，其中第二纖維O)的直徑在第一纖維(1)的直徑的八 分之一至六分之一之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求2— 3之一的塑性材料，其中第二纖維O)的直徑不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求2— 4之一的塑性材料，其中第一纖維(1)和第二纖維O)的直徑不同。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的塑性材料，其中第二纖維O)由具有與第一纖維(1)材料的撓性 不同的撓性的材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的塑性材料，其中填充件包括顆粒(6)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的塑性材料，其中顆粒(6)具有最高達第一纖維(1)直徑十分之一 的長度或直徑。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7的塑性材料，其中顆粒(6)包括納米顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求6— 9之一的塑性材料，其中顆粒(6)能被攪拌并分散于用于制造纖 維補強的塑性材料的液化基質(zhì)材料(3)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的塑性材料，其中基質(zhì)材料C3)包括環(huán)氧樹脂、聚酯、聚氨酯或植物 類樹脂。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的塑性材料，其中第一纖維(1)的材料和/或第二纖維( 的材料 包括玻璃、碳、芳族聚酰胺或玄武巖。
13.風(fēng)輪機葉片，其由根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項的纖維補強的塑性材料制成。
全文摘要
本發(fā)明涉及纖維補強的塑性材料，其包括基質(zhì)材料3和第一纖維1。第一纖維1包埋于基質(zhì)材料3中。根據(jù)本發(fā)明，填充件2、6包埋于基質(zhì)材料3中。填充件2、6設(shè)置于第一纖維1之間，以防止纖維補強的塑性材料中的裂紋擴展。
文檔編號C08K9/00GK102079843SQ201010567859
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者E·格羅夫-尼爾森, M·溫瑟-詹森 申請人:西門子公司