專利名稱：薄層層壓材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及纖維復(fù)合材料，特別是涉及使用薄層(ply)以便獲得改進(jìn)的物理特性的復(fù)合材料以及制造該材料的方法。
背景技術(shù)：
普通的復(fù)合材料層(由樹脂浸漬或并不由樹脂浸漬)為至少0.12mm厚。復(fù)合材料層的層壓材料通過(guò)將單向?qū)佣讯庠谝黄鹎译S后進(jìn)行某些凝固和固化處理而形成。需要有不同方向的層，以便提供沿多個(gè)方向的機(jī)械特性。這樣，當(dāng)需要最少兩個(gè)層方向時(shí)，例如一個(gè)層定向?yàn)閰⒖?°角，另一個(gè)為90°。在下文中，將使用標(biāo)記
或[+45/-45]來(lái)描述層的層方向，例如，一層在0°且另一層以90°層壓在第一層上，或者一層處于45°且層壓在-45°的另一層上，表示相對(duì)于軸線的方向(單位為度)。另外，層壓材料必須對(duì)稱地堆垛，以避免翹曲。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中，最少三層(類似
)或四層(類似
)的最小(規(guī)格)總厚度為0.36或0.48mm，不管該厚度是否需要，因?yàn)楦鲗訛橹辽?.12mm。通常采用方向?yàn)?br> 的4層。當(dāng)形成得對(duì)稱時(shí)，需要8層，且最小總層壓材料厚度為大約8×0.12mm，或者為大約1mm(使用至少0.12mm的普通層)。
分層通常產(chǎn)生于層壓材料的自由邊緣處，或者在施加集中的支承負(fù)載的點(diǎn)處，或者在受到橫向沖擊或在層壓材料固化過(guò)程中形成應(yīng)力的點(diǎn)處。不管它的來(lái)源如何，分層都是故障模式，它通常限制了對(duì)多方向?qū)訅翰牧系年P(guān)鍵的平面內(nèi)承載能力的充分潛力的利用。當(dāng)復(fù)合材料用于越來(lái)越多的重要結(jié)構(gòu)(例如波音787以及空中客車350和380飛機(jī))時(shí)，復(fù)合材料部件可以有數(shù)百個(gè)層厚。對(duì)于接收復(fù)合材料的很多用途，分層是嚴(yán)重威脅。
一種常用方案是使層壓材料形成為3維織物。這種紡織技術(shù)有多種。它們有至少兩個(gè)缺點(diǎn)成本可能更高，且平面內(nèi)特性降低，從而形成用于平面外纖維的空間。作為該方案的一種可選代替方式使用橫向縫合。該方法并不昂貴，但是還不可靠?？p合引起對(duì)復(fù)合層壓材料的附加損壞。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)要地說(shuō)，本發(fā)明實(shí)施例包括一種層壓材料，該層壓材料利用0.08mm厚度或更小厚度的薄層來(lái)構(gòu)成?？蛇x實(shí)施例包括厚度小于0.08mm的薄層和至少0.12mm厚度的更厚普通層的組合。這些組合提供了改進(jìn)的抗微破裂和分層的性能，使層壓材料的最小規(guī)格更薄，提供了較厚和較薄層混合的機(jī)會(huì)，增強(qiáng)了粘接連接，使交織產(chǎn)品具有比普通織物更高的性能，提高了管和容器的直接強(qiáng)化，并提供了切碎的纖維以便形成更強(qiáng)的板模制混合物。多方向?qū)拥淖訉訅翰牧?下文中稱為“子層壓材料模塊”)能夠形成為用于復(fù)合層壓材料的基本構(gòu)造塊，從而降低了裝配成本，同時(shí)保持很高的抗分層性。不管是否進(jìn)行自動(dòng)化，由薄層子層壓材料和層壓材料形成的產(chǎn)品相對(duì)于由普通厚度層的層壓材料構(gòu)成的產(chǎn)品將在成本上有競(jìng)爭(zhēng)力。
利用已知的纖維束伸展處理，普通的12k碳、玻璃或Kevlar纖維的纖維束(大約0.12mm厚)可以伸展而形成0.02mm厚的纖維條。通過(guò)這樣的薄層，例如本發(fā)明的3層方向?qū)ΨQ子層壓材料可以有0.12mm厚度，與普通0.12mm層相同。最小規(guī)格減小至普通層的厚度的六分之一(1/6)。在對(duì)稱4層層壓材料中，最小規(guī)格將為0.16mm。該小規(guī)格模塊提供了通過(guò)普通厚層無(wú)法達(dá)到的設(shè)計(jì)選擇，并有更高的抗分層性。實(shí)際上，普通復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的許多設(shè)計(jì)受到該分層標(biāo)準(zhǔn)的支配。因此，利用薄層層壓材料可以有效設(shè)計(jì)更高性能或更輕重量的結(jié)構(gòu)。


圖1表示了本發(fā)明的薄層層壓材料；圖2表示了現(xiàn)有技術(shù)的更厚層；圖3是作為層厚的函數(shù)的法向應(yīng)力的曲線圖；圖4是作為層厚的函數(shù)的剪切應(yīng)力的曲線圖；圖5是作為層厚的函數(shù)的分層開始應(yīng)力的曲線圖；圖6A表示了厚層和薄層的使用；圖6B表示了子層壓材料；圖7A是使用子層壓材料的復(fù)合材料的透視圖；圖7B是使用子層壓材料的復(fù)合材料的側(cè)視圖，以便表示接頭；圖8A是作為層厚的函數(shù)的硬度的曲線圖；圖8B是作為層厚的函數(shù)的最大應(yīng)力的曲線圖；圖9表示了干的薄層；圖10表示了樹脂浸漬的薄層板；圖11表示了三層層壓材料；圖12表示了層編織和在卷曲交換區(qū)域中的角度；圖13A是對(duì)于脆性粘接劑的各個(gè)溫度，負(fù)載變形相對(duì)于層厚的曲線圖；圖13B是對(duì)于韌性粘接劑的各個(gè)溫度，負(fù)載變形相對(duì)于層厚的曲線圖；圖14表示了使用薄層來(lái)連接兩層；圖15是表示圖14的接頭的效果的表；圖16表示了金屬箔用于層壓材料的一個(gè)側(cè)面上；圖17表示了金屬箔用于層壓材料的兩側(cè)面上；圖18A表示了金屬箔用于層壓材料的兩側(cè)面上和中心處；圖18B是圖18A中的一部分的放大剖視圖；以及圖19表示了在層壓材料的中心沒有箔時(shí)的層結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
圖1中表示了本發(fā)明的復(fù)合材料10的截面。復(fù)合材料10有多層，包括第一層12，該第一層12以點(diǎn)表示，并沿第一方向定向。第一層12由第二層14分開，該第二層14定向成沿與第一方向不同的第二方向。第二層14沒有用任何標(biāo)記來(lái)表示，以便在圖1中使它們與第一層12區(qū)分開。根據(jù)本發(fā)明，層12、14的厚度“t”小于0.08mm，優(yōu)選是從0.02mm至0.06mm。圖2只是用于表示普通/現(xiàn)有技術(shù)的層壓材料由交替的層(例如16、18)構(gòu)成，這些層的厚度大于本發(fā)明的層的厚度，各層的厚度“T”為大致0.12mm或更大。
根據(jù)本發(fā)明，薄層層壓材料具有改進(jìn)的抗分層性。它們不需要平面外的纖維，因此保持優(yōu)良的平面內(nèi)特性。例如，在層壓材料的自由邊緣處的計(jì)算的法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力如圖3和4中所示，作為層厚的函數(shù)。層厚為至少0.12mm的普通/現(xiàn)有技術(shù)如各圖右側(cè)所示，其中，層厚向左側(cè)減小至0.02mm。這些測(cè)量值顯示當(dāng)層厚減小至0.12mm的現(xiàn)有技術(shù)厚層層壓材料的1/3和1/6時(shí)，法向應(yīng)力和剪切應(yīng)力明顯降低。這是現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法預(yù)料的結(jié)果。因此，薄層層壓材料提供了改進(jìn)的抗分層性的方案。
圖5表示了薄層在分層開始時(shí)的效果的另一實(shí)例，該圖5表示了作為有效層厚的函數(shù)的、分層所需的應(yīng)力。當(dāng)層厚減小時(shí)，分層應(yīng)力再次明顯增加。
作為可選實(shí)施例，厚層和薄層的混合組合能夠提供在性能和成本之間的平衡，且該組合包含于本發(fā)明中。薄層不僅增加了剛性，而且還增加了在層下落時(shí)的柔性。這通過(guò)使用子層壓材料模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中，具有不同方向的薄層或者不同方向的薄層和厚層組合的模塊預(yù)先形成為用于層壓材料的構(gòu)造塊。子層壓材料模塊的下落代替了各層的下落。
實(shí)例1本發(fā)明的實(shí)例包括厚度為0.12mm的厚層和厚度為0.02mm的薄層的組合。這在圖6A中表示為具有薄層21和厚層23。而且，圖6B中的子層壓材料25可以是厚薄混合體，有一個(gè)厚層
27和一個(gè)薄層[90]29。該子層壓材料模塊的總厚度可以為0.12mm+0.02mm＝0.14mm，這時(shí)，
的百分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)為0.12/0.14＝86％。使用這樣的子層壓材料建造桅桿或吊桿將提供較高的各向異性結(jié)構(gòu)，它具有只使用厚層的普通層壓材料所不能達(dá)到的剛性。對(duì)于普通層壓材料，厚層的重復(fù)模塊必須有9層
和1層[90]?？偟淖訉訅翰牧夏K的厚度將為1.20mm，其中
的百分?jǐn)?shù)等于90％。該設(shè)計(jì)將9層
堆垛在一起，這從剛性的觀點(diǎn)來(lái)看是很差的設(shè)計(jì)。這實(shí)際上使得桅桿不穩(wěn)定，并容易由于折斷而失效。
實(shí)例2當(dāng)希望有更高的
百分?jǐn)?shù)時(shí)，可以有兩個(gè)厚層
，隨后有一個(gè)薄層[90]。這時(shí)，
的百分?jǐn)?shù)應(yīng)當(dāng)是0.24/0.26＝92％。在具有兩個(gè)
和一個(gè)[+/-45]的三方向子層壓材料模塊中，
百分?jǐn)?shù)為0.24/0.28＝86％。這兩個(gè)實(shí)例將使得桅桿或吊桿有更剛性的層壓材料。這種混合結(jié)構(gòu)也用于驅(qū)動(dòng)軸、簧片和體育用品(例如撐桿跳高桿、曲棍球棒、高爾夫球棒等)。
實(shí)例3厚薄層層壓材料的另一實(shí)例是三方向子層壓材料，其具有一個(gè)0.12mm厚層
和兩個(gè)0.02mm角度薄層[+/-30]或[+/-45]，例如[+30/0/-30]或[+45/0/-45]模塊?？偟淖訉訅翰牧系暮穸葹?.16mm，它可以在層的下降中作為一個(gè)步驟來(lái)完成?？梢灾圃烊魏魏駥雍捅咏M合的三方向模塊。該設(shè)計(jì)靈活性使得產(chǎn)品具有明顯改進(jìn)的層壓材料性能，且在制造時(shí)明顯節(jié)約成本。
實(shí)例4相同思想的多方向子層壓材料可以設(shè)計(jì)成用于梁和肋，作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的子結(jié)構(gòu)。這時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中的剪切模塊最重要。厚薄混合體可以有厚[+/-45]與薄
的組合。在所有這些用途中，子層壓材料的層合處理可以沿一個(gè)方向，例如沿梁的軸向。在用于機(jī)翼的蒙皮時(shí)，層合可以沿機(jī)翼軸線。當(dāng)用于機(jī)身時(shí)，層合可以沿兩個(gè)方向，一個(gè)沿箍環(huán)方向，另一個(gè)沿軸向方向，或者沿兩個(gè)螺旋角。這能夠非常明顯地節(jié)省層合機(jī)器能力以及層合時(shí)間和勞動(dòng)。
本發(fā)明的復(fù)合材料能夠由多個(gè)子層壓材料模塊構(gòu)成。圖7A表示了包括子層壓材料模塊33的復(fù)合材料31。圖7B是具有子層壓材料37的復(fù)合材料35的平面?zhèn)纫晥D，它與圖7A類似，用于表示子層壓材料接頭39。子層壓材料板沿寬度方向連接，且對(duì)板進(jìn)行堆垛，且接頭部分不會(huì)沿厚度方向重復(fù)。圖7A、7B的子層壓材料可以都相同，或者它們可以不同。子層壓材料可以全部為薄層，或者有薄層和厚層的組合，和/或子層壓材料可有交織織物層，如圖12所示。使用薄層使得子層壓材料厚度與普通層厚近似相同。使用該方法，可以獲得具有優(yōu)良機(jī)械特性的大尺寸復(fù)合材料模制產(chǎn)品。
形成薄層纖維束的一種方法是通過(guò)使普通纖維束伸展。伸展的纖維束的截面為矩形，厚度為0.04mm或更小，寬度為大約20mm。這些伸展的纖維束能夠很容易交織，以便形成織物。交織纖維束的截面如圖12中所示。交織織物提供了高性能的層壓材料，它很容易加工成復(fù)雜幾何形狀。該交織織物的總厚度將為薄層厚度的兩倍，即當(dāng)使用0.02mm的薄層時(shí)為0.04mm。具有厚層和薄層的交織織物的結(jié)構(gòu)性能如圖8A和8B中所示，其中，增加的機(jī)械特性表示為層厚從右至左減小。當(dāng)使用0.02mm的層代替0.12mm的層時(shí)，硬度增加35％，而最大應(yīng)力減小20％。
薄層24可以為(a)干纖維26(即沒有樹脂浸漬)，如圖9所示，厚度小于0.08mm，優(yōu)選是小于0.06mm，或者(b)在樹脂浸漬(預(yù)浸漬)的板28中的纖維26小于0.08mm，優(yōu)選是小于0.06mm(圖10)。
作為實(shí)例，層壓材料28如圖11中所示，具有由多個(gè)層36形成的三層30、32、34。層可以在靠近端部38處并沿側(cè)部(例如在40處)以及層相遇處42進(jìn)行定位。在它們之間可以有間隙。這些間隙對(duì)層壓材料的機(jī)械性能影響很小，因?yàn)閷雍穹浅Ｐ　?br> 圖12是交織層41的剖視圖。薄層層壓材料具有改進(jìn)的性能，因?yàn)楫?dāng)層厚減小時(shí)，圖12中所示的卷曲交換區(qū)域42的尺寸和形成的角度A變得更小。當(dāng)伸展的纖維束因?yàn)橛龅酱怪狈较虻睦w維束而進(jìn)行上下編織時(shí)，卷曲的影響區(qū)域由于更細(xì)纖維束而更小。交換纖維束必須容納相互的厚度。纖維束越細(xì)，在纖維束交換處所需的容納越小。因此，交織纖維束的宏觀硬度和在交換處所形成的應(yīng)力都受到該厚度的影響。纖維束越細(xì)，硬度越高，且局部應(yīng)力越低。
粘接的接頭提供了連接兩個(gè)復(fù)合材料部件的最佳方法。粘接的接頭更容易制造，且在接頭處引起的應(yīng)力集中最小。廣義地說(shuō)，有兩種粘接接頭粘接劑脆性粘接劑和韌性粘接劑。圖13A和13B示出了分別在各種溫度下的脆性粘接劑和韌性粘接劑的負(fù)載-變形曲線。最硬的粘接劑的負(fù)載-變形曲線是室溫性能。當(dāng)溫度增高時(shí)，粘接劑的性能將越來(lái)越象韌性材料。圖13A中所示的脆性粘接劑是玻璃粉增強(qiáng)的環(huán)氧樹脂，韌性粘接劑是PMMA。
新的粘接接頭43可以利用薄層作為增強(qiáng)材料來(lái)制造，如圖14中所示。該接頭的效果在圖15的表中表示，它表示了由有限元分析得到的預(yù)測(cè)。應(yīng)當(dāng)知道，相對(duì)于未增強(qiáng)的粘接劑的應(yīng)力，應(yīng)力降低56％和30％。另外，該接頭設(shè)計(jì)獲得了在剝離和剪切應(yīng)力之間的平衡，并不是象未增強(qiáng)的粘接劑那樣一個(gè)支配另一個(gè)。對(duì)于薄層增強(qiáng)粘接劑，
方向與施加在粘接接頭上的軸向力對(duì)齊。
板模制復(fù)合物和墊可以利用切碎的薄層纖維來(lái)制造。這些產(chǎn)品具有很高性能，因?yàn)橛捕群蛷?qiáng)度由于減小卷曲交換而損失。另外，薄層通過(guò)立方關(guān)系而降低了彎曲硬度即厚層厚度的1/6將為原始硬度的1/216。因此，由切碎的薄層纖維束制成的板模制復(fù)合物將更容易適應(yīng)在模制部件中的曲率和形狀的突然變化。該處理的優(yōu)點(diǎn)是附加提供了硬度和強(qiáng)度。
薄層還有利于碳增強(qiáng)的熱塑性帶的在線凝固的質(zhì)量和處理速度。當(dāng)帶的厚度更小時(shí)，厚層帶通常的僵硬性(高硬度)能夠明顯降低成更柔軟或柔順的帶。與上述相同的立方關(guān)系也用于帶的彎曲剛性。在使用薄帶的在線處理中，并不需要只是為了使帶更柔軟的預(yù)熱。該處理能夠通過(guò)纖維纏繞成形和隨后固化而制成壓力容器。
圖16-18表示了包括金屬和薄層層壓材料的本發(fā)明層壓材料的另一實(shí)施例。圖16表示了金屬44施加在薄層層壓材料46的一側(cè)面上。圖17表示了金屬48、50施加在薄層層壓材料52的兩側(cè)面上。圖16和17表示了金屬基體復(fù)合物粘在薄層層壓材料的一側(cè)面或兩側(cè)面上時(shí)的產(chǎn)品。金屬層可以以本領(lǐng)域已知的多種方式產(chǎn)生，包括金屬箔、蒸氣沉積(CVD)、金屬嵌入聚合物中、電鍍等。金屬保護(hù)該層壓材料。在未涂覆的薄層層壓材料中，表面層非常薄。當(dāng)層壓材料中的外側(cè)纖維受損時(shí)(例如由于沖擊或刮擦)，在表面層中的纖維破壞能夠很容易發(fā)生，這能夠?qū)е聦訅翰牧鲜?。圖16和17中所示的產(chǎn)品有助于防止該纖維破壞和失效。圖18A表示了在薄層層壓材料60、62的兩側(cè)面54、56和中心58處有金屬。圖18B是圖18A的剖視圖，用于表示在圖18A中的層壓材料層中的纖維的方向(90°，-45°)。當(dāng)金屬基體組分插入薄層層壓材料中心時(shí)，如圖18A和18B所示，將防止在層壓材料中的雙倍厚度。這有助于對(duì)稱層壓，其中，在層壓材料中心的雙倍厚度可能導(dǎo)致基體破裂和分層。圖19表示了當(dāng)沒有金屬時(shí)中心層的雙倍厚度，它使得層壓材料易于產(chǎn)生裂紋和分層。
使用金屬和薄層復(fù)合材料的新類型金屬基體復(fù)合材料能夠以相當(dāng)?shù)偷某杀局圃?。例如，可以形成使用薄碳纖維增強(qiáng)的塑料(CFRP)并結(jié)合鈦(Tigr鈦-石墨)或銅(Cugr銅-石墨)的高溫復(fù)合材料。該金屬基體復(fù)合材料具有耐高溫性和獨(dú)特的抗腐蝕性，可用于多種用途，包括化學(xué)試劑管路和容器。
對(duì)于墊和交織織物，包括樹脂傳遞模制(RTM)和真空輔助樹脂傳遞模制(VARTM)處理，使用薄層材料使得材料更容易流動(dòng)，并提供了對(duì)繁雜表面的適應(yīng)性，同時(shí)保持優(yōu)良的物理特性。
上述實(shí)施例是作為本發(fā)明的實(shí)例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知道這些實(shí)例的變化形式。這些變化形式包含在本發(fā)明的精神中。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料，包括薄層，該薄層的厚度小于0.08mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料，其中材料包括厚度為至少0.12mm的普通層和厚度小于0.08mm的薄層的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料，其中材料包括薄層的子層壓材料模塊的組合。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的材料，其中材料包括薄層的子層壓材料模塊和普通層的子層壓材料模塊。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的材料，其中材料包括具有薄層和普通層的子層壓材料模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料，其中薄層進(jìn)行交織或編織。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料，其中材料使用樹脂傳遞模制而形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料，其中薄層與粘接劑組合，以便提供增強(qiáng)的粘接材料，用于使復(fù)合材料和/或金屬組分通過(guò)粘接的接頭而連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料，其中薄層與粘接劑組合，以便提供增強(qiáng)的粘接材料，用于具有蜂窩或夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料組分。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料，其中對(duì)薄層進(jìn)行切碎，并重新構(gòu)成模制的復(fù)合物。
11.一種產(chǎn)品，包括如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料，其中薄層或子層壓材料模塊包含在熱固性或熱塑性帶中，產(chǎn)品通過(guò)帶布置方法或帶纏繞方法而形成，且對(duì)帶進(jìn)行固化。
12.一種纖維-金屬?gòu)?fù)合材料，包括如權(quán)利要求1、2、3、4或5所述的材料以及金屬板。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的復(fù)合材料，其中金屬板只布置為表面層。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的復(fù)合材料，其中金屬板布置在具有相同纖維方向的薄層之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求12、13或14所述的基體復(fù)合材料，其中薄層包括石墨層。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的基體復(fù)合材料，其中金屬?gòu)陌ㄢ伜豌~的組中選擇。
全文摘要
使用厚度小于0.08mm的薄層的纖維復(fù)合材料提供了改進(jìn)的抗分層性和層壓材料的更薄最小規(guī)格。薄層可以與普通層混合，進(jìn)行交織以便提高強(qiáng)度，并用粘接劑作為連接的增強(qiáng)物。
文檔編號(hào)B32B27/32GK101048276SQ200580032157
公開日2007年10月3日 申請(qǐng)日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月24日
發(fā)明者史蒂芬·W·柴, 川邊和正 申請(qǐng)人:伊藤忠商事株式會(huì)社, Ilt公司, 株式會(huì)社三矢, 福井縣政府