具有改善的耐火性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及由其制成的結(jié)構(gòu)組件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（10），包含本體部分（12）和表面部分（14），所述本體部分（12）包含具有嵌入其中的增強(qiáng)纖維的本體基體，所述表面部分（14）包含多個(gè)充當(dāng)“膨脹層”的層壓的第一層（20），其在火焰影響過(guò)程中膨脹和/或分層。優(yōu)選地，該表面部分（14）進(jìn)一步包含多個(gè)不同于第一層（20）并充當(dāng)“阻隔層”的層壓的第二層（22），其中膨脹層（20）和阻隔層（22）可以以交替順序排列（20-1、22-1、20-2、22-2）。本發(fā)明的材料（10）與傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料相比表現(xiàn)出改善的耐火性。
【專利說(shuō)明】具有改善的耐火性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及由其制成的結(jié)構(gòu) 組件
[0001] 本發(fā)明涉及可用于其中需要高強(qiáng)度-密度比的應(yīng)用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。例如， 這適用于飛行器如飛機(jī)和直升機(jī)的結(jié)構(gòu)組件。
[0002] 傳統(tǒng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包含基體和嵌在其中的增強(qiáng)纖維。該基體通常是可能含有 特定添加劑的熱固化樹脂("樹脂體系")。該增強(qiáng)纖維通常以分別在灌注過(guò)程或預(yù)浸料坯過(guò) 程中處理的干燥或預(yù)浸漬的纖維氈形式提供。此類處理可以在成型工具(模具）中發(fā)生，在 所述模具中多個(gè)纖維氈例如機(jī)織織物或無(wú)折皺織物堆疊并固化以制造該纖維增強(qiáng)復(fù)合材 料。
[0003] 取決于用于生成該基體的材料，許多纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有防火性能，所述防火 性能對(duì)它們的應(yīng)用而言不足。傳統(tǒng)材料如碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP)可能著火和燃燒，釋放熱 量、煙和有毒氣體。此外，在火焰造成的提高的溫度下，該結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)完整性降低。因此，負(fù) 載型復(fù)合結(jié)構(gòu)在遇到火時(shí)通常在短期內(nèi)坍塌。當(dāng)存在的應(yīng)力是壓縮力時(shí)這是特別值得注意 的，因?yàn)楫?dāng)該基體達(dá)到其軟化點(diǎn)時(shí)壓縮應(yīng)力會(huì)降至非常低的值。
[0004] 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種具有改善的耐火性的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0005] 根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)權(quán)利要求1所述的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料實(shí)現(xiàn)該目的。從屬權(quán)利要 求涉及本發(fā)明的有利的實(shí)施方案和發(fā)展。
[0006] 本發(fā)明的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料包括包含具有嵌入其中的增強(qiáng)纖維的本體基體的"本 體部分"和包含多個(gè)層壓的第一層的"表面部分"，所述表面部分在火焰影響過(guò)程中膨脹和 /或分層優(yōu)選高于100%且更優(yōu)選高于100%。在一個(gè)實(shí)施方案中，該表面部分與該本體部分 截然不同，即具有不同于本體的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)。
[0007] 在這種材料中，該本體部分可以具有現(xiàn)有技術(shù)中已知的任何類型的結(jié)構(gòu)。在一個(gè) 優(yōu)選的實(shí)施方案中，該本體部分是包含嵌在樹脂基體(本體基體）中的多個(gè)纖維材料層(例 如薄紗、無(wú)折皺織物、單向纖維等等）的多層結(jié)構(gòu)。該基體優(yōu)選是環(huán)氧體系，或任何其它樹 月旨，例如熱固化樹脂。此外，該基體可以是熱塑性塑料。在其它實(shí)施方案中，該本體基體是 基于苯并噁嗪或氰酸酯的體系。后一種基體材料在航空應(yīng)用中特別令人感興趣。嵌在本體 基體中的該增強(qiáng)纖維，優(yōu)選以纖維氈形式布置，可以是碳纖維、玻璃纖維或其它纖維。
[0008] 對(duì)本發(fā)明而言必不可少的是：此類本體部分("本體復(fù)合材料")通過(guò)附加的防火層 補(bǔ)充，所述防火層例如為包含多個(gè)層壓層的單獨(dú)的表面部分("表面層壓件"）形式，該防火 層在火焰影響過(guò)程中膨脹和/或分層。這些層在下文中稱為"第一層"或"膨脹層"。
[0009] 此類表面部分或"表面層壓件"可以在片狀本體復(fù)合材料的一個(gè)或兩個(gè)表面上提 供，產(chǎn)生對(duì)下方的本體復(fù)合材料的火焰保護(hù)。在另一實(shí)施方案中，該"表面層壓件"具有與 "本體部分"相同的結(jié)構(gòu)，即具有嵌入其中的增強(qiáng)纖維并包含多個(gè)層壓的第一層，其在火焰 影響過(guò)程中膨脹和/或分層。由此，特別地，該"表面層壓件"可以與該"本體部分"相同。 [0010] 當(dāng)暴露于火焰熱量時(shí)，該膨脹層將膨脹和/或分層。以這種方式，可以顯著降低導(dǎo) 熱性，由此延緩熱向下方本體部分的進(jìn)展。由此，本發(fā)明的材料可以在更大程度上承受火 焰，并在延長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)保持結(jié)構(gòu)完整性(在本體部分中）。 toon] 優(yōu)選地，該表面層壓件在箔(用于該表面層壓件）的情況下具有下方本體部分厚度 的至少1%、特別是至少2%的厚度，并且在纖維增強(qiáng)材料的情況下具有下方本體部分厚度的 最多20%的厚度。另一方面，該表面層壓件的厚度優(yōu)選小于下方本體部分厚度的100%、特別 是小于10%。但是，如上所述，"第一層"可以集成到該"本體部分"中，以使得該表面部分可 以與該本體部分相同。
[0012] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)膨脹層包含熱塑性膜。優(yōu)選地，該熱塑性塑料是選自 以下的聚合物：聚酰亞胺（PI)、聚醚酰亞胺（PEI)、聚醚砜（PES )、聚酰胺（PA)、聚酰胺-酰 亞胺（PAI)、聚砜（PSU)、聚苯砜（PPSU)、聚醚酮(例如PEEK、PEKK)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇 酯（PET)、聚乙烯（PE)、聚酯、聚醚酯（PEE)、聚酯酰胺、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA)、聚丙烯 (PP )、聚苯乙烯（PS )、聚氯乙烯（PVC)或其混合物。
[0013] 優(yōu)選地，選擇或改性該熱塑性塑料以使得其能夠在例如高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度或 熔融溫度的溫度下膨脹，所述溫度高于(例如200至240°C)制造過(guò)程中的加工溫度，并高于 隨后應(yīng)用中的使用溫度。
[0014] 優(yōu)選地，該熱塑性塑料在小于400°C、優(yōu)選小于250°C的溫度下開始膨脹。在這種 情況下，該膨脹在火災(zāi)的早期階段發(fā)生。
[0015] 該熱塑性塑料(或聚合物）膜可以是穿孔的(具有孔口，如小洞和/或狹縫）以允許 該基體材料在表面層壓件的制造過(guò)程中分布在整個(gè)表面層壓件中。例如，針或激光穿孔可 用于在該膜中生成合適的孔口，提高基體材料(例如環(huán)氧體系)的浸潤(rùn)流動(dòng)。為此，例如可以 提供六邊形或正方形的穿孔圖案(穿孔距離例如1至5厘米，穿孔直徑例如0. 5至2毫米)。 該膜的開縫或穿孔也可用于提高懸垂彎曲度，即提高懸垂性。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)膨脹層包含纖維(優(yōu)選碳或玻璃纖維)，例如分散在 塑料膜中的短纖維，或?yàn)榍对谒芰现械臒o(wú)紡織物(例如絨頭織物）形式。也可以使用連續(xù)纖 維(單向或編織)。
[0017] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)膨脹層包含膨脹改性劑，例如發(fā)泡劑、可膨脹石墨和 /或磷產(chǎn)品(例如聚磷酸銨)。此類改性劑可以有利地促進(jìn)各膨脹層的膨脹。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)膨脹層具有5至300 Mm、優(yōu)選10至200 Mm、更優(yōu)選 20至130 Mm、特別是125 Mm的厚度。具有厚度為125 Mm或125±25 Mm的膨脹層的實(shí)施 方案的復(fù)合材料與具有較薄或較厚的膨脹層的復(fù)合材料相比具有較低的放熱率和延遲的 點(diǎn)燃性（ignites)。
[0019] 該表面層壓件可以包含例如一個(gè)、兩個(gè)、三個(gè)、四個(gè)或甚至更多個(gè)膨脹層。
[0020] 在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方案中，該表面層壓件不僅由膨脹層(第一層）組成，還進(jìn)一步 包含多個(gè)不同于該第一層的層壓層(第二層）。
[0021] 該第二層可以設(shè)計(jì)為具有降低熱傳遞的功能、防止氧氣（空氣）擴(kuò)散至本體基體和 /或防止可燃產(chǎn)物從本體基體擴(kuò)散至外部（點(diǎn)火區(qū))。因此，第二層在下文中也稱為"阻隔 層"。
[0022] 采用上述膨脹層和阻隔層，該表面層壓件可以具有由這兩種不同類型層組成的多 材料設(shè)計(jì)。
[0023] 優(yōu)選地，該膨脹層與該阻隔層以交替順序堆疊以形成該表面層壓件。特別地，此類 順序可以包含至少一個(gè)膨脹層和一個(gè)阻隔層，或例如至少兩個(gè)膨脹層和兩個(gè)阻隔層。一個(gè) 實(shí)例是順序阻隔-膨脹-阻隔-膨脹，其中該表面層壓件的外側(cè)優(yōu)選由阻隔層構(gòu)成，內(nèi)側(cè) (鄰接本體復(fù)合材料)優(yōu)選由膨脹層構(gòu)成。其它布置如為了協(xié)同效應(yīng)的不同阻隔層的組合也 是可能的。另一種可能的布置是具有不同膨脹行為和/或不同膨脹溫度的膨脹層的組合以 優(yōu)化對(duì)下方本體材料的保護(hù)。另一種可能的布置是在阻隔層或/和膨脹層之間或在阻隔層 或/和膨脹層頂部的纖維增強(qiáng)熱塑性塑料或纖維增強(qiáng)樹脂層，其可被改性，以充當(dāng)附加的 阻隔、膨脹、穩(wěn)定或結(jié)構(gòu)層。
[0024] 上述交替層還可以在整個(gè)材料厚度中使用。
[0025] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)阻隔層包含具有嵌入其中的增強(qiáng)纖維.的基體("表 面基體")。以這種方式，各阻隔層可以有利地提供該材料的機(jī)械強(qiáng)度?？梢允褂枚汤w維(例 如分散在表面基體中）或纖維毯（mat)形式的連續(xù)纖維（continuous fibers)。該表面基體 可以是與本體基體具有相同的材料(例如環(huán)氧樹脂)，或是另一種材料。在一個(gè)實(shí)施方案中， 該阻隔層包含具有連續(xù)纖維(例如碳纖維)、單向纖維或編織纖維的熱塑性膜，例如嵌在PEI 預(yù)浸料坯中。作為樹脂，可以使用例如氰酸酯或具有高無(wú)機(jī)物含量(例如硅）的樹脂。
[0026] 在一個(gè)實(shí)施方案中，至少一個(gè)阻隔層包含聚合物。例如，上述用于膨脹層的熱塑性 聚合物，特別是聚酰亞胺（PI)、聚酰胺-酰亞胺（PAI)、聚醚酮(例如PEEK、PEKK)或聚苯砜 (PPSU)可以用作生成阻隔層的材料。在暴露于熱的時(shí)候，后面的材料生成顯著量的煙灰(分 解產(chǎn)物)，這可以有利地提供上述阻隔效果。
[0027] 當(dāng)熱塑性聚合物或熱固性聚合物用于阻隔層時(shí)，該聚合物也可以通過(guò)纖維材料 (短纖維或連續(xù)纖維）增強(qiáng)。
[0028] 替代此類纖維材料或與此類纖維材料一起，至少一個(gè)阻隔層可以包含分散在基體 中的無(wú)機(jī)或有機(jī)粒子。該基體還可以是樹脂基體。優(yōu)選使用具有小于1〇〇 Mm的平均粒度 的微粒，或具有至少一個(gè)小于1〇〇 nm的尺寸的納米粒子。在一個(gè)實(shí)施方案中，該阻隔層包 含無(wú)機(jī)物填充的環(huán)氧基體。優(yōu)選地，使用諸如頁(yè)硅酸鹽(層狀硅酸鹽）的無(wú)機(jī)粒子。但是各 阻隔層也可能用其它添加劑或填料改性。優(yōu)選地，使用有機(jī)粒子如有機(jī)磷化合物、鹵化化合 物、石蠟、起泡化合物和/或泡沸化合物、聚合物或軟木。在W0 2010/020237中，描述了粒 子(在熱塑性塑料中），其也可在本發(fā)明中用作阻隔層中的粒子。
[0029] 在另一實(shí)施方案中，至少一個(gè)阻隔層是金屬層。
[0030] 各阻隔層可以是穿孔的。為此，例如可以提供六邊形或正方形穿孔圖案（穿孔距離 例如1至5厘米，穿孔直徑0. 5至2毫米)。
[0031] 作為制造該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的方法，可以使用在纖維復(fù)合材料技術(shù)中公知的方 法與工具。實(shí)例是傳遞模塑法（RTM，"樹脂傳遞模塑")、真空灌注(如VAP、VARI等）和它們 的進(jìn)一步發(fā)展(如SLI、LRI、BP-RTM)，以及"預(yù)浸料"。
[0032] 為了制造本發(fā)明的材料，隨后生成表面復(fù)合材料的層可以與隨后生成本體復(fù)合材 料的干燥的預(yù)成形坯或預(yù)浸料坯(一個(gè)或多個(gè)纖維材料層）在成型工具中堆疊在一起。隨 后，在干燥預(yù)成形坯的情況下，可以提供灌注法以灌注該干燥預(yù)成形坯，并且作為還可能是 表面部分層的情況，使用液體或半液體基體材料(例如樹脂，如環(huán)氧樹脂體系）灌注。最后， 固化過(guò)程(例如熱固化）可用于將所有層粘接在一起(分別為共固化或共粘接)。
[0033] 熱塑性膜還可以部分溶解以提高與樹脂的相互作用。
[0034] 在備選加工中，在將它們堆疊在成型工具中（預(yù)浸料過(guò)程）之前，至少一個(gè)(或全 部）生成該本體部分和表面部分的層可以用各基體材料"預(yù)浸料"（浸漬)。在這種情況下， 該膨脹層、阻隔層和本體層可以以所需次序放置在該工具中，并隨后固化(在壓力下)。
[0035] 優(yōu)選地，膨脹層與阻隔層在多層本體部分的一側(cè)或兩側(cè)上以交替順序堆疊。典型 布局是例如：阻隔-膨脹-阻隔-膨脹-本體。代替該實(shí)例中的兩個(gè)膨脹層和兩個(gè)阻隔層， 還可以使用更多(例如三個(gè)或四個(gè)）膨脹層和/或阻隔層，高至該層壓材料的100% (復(fù)合材 料)。
[0036] 在一個(gè)實(shí)施方案中，阻隔層與膨脹層在進(jìn)行堆疊過(guò)程前預(yù)先結(jié)合。此類結(jié)合的膨 脹-阻隔-層可以提供"形成煙灰的膨脹層"。通常形成此類形成煙灰的膨脹層的技術(shù)是壓 延(在兩個(gè)熱塑性層的情況下)或"刮刀涂布"（在熱固性塑料與熱塑性塑料組合的情況下)。 [0037] 采用固化過(guò)程，完成該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。
[0038] 本發(fā)明的材料可以有利地用于形成用于飛行器，特別是用于飛機(jī)或直升機(jī)的結(jié)構(gòu) 組件。在一個(gè)實(shí)施方案中，該結(jié)構(gòu)組件是各飛行器的機(jī)身外殼或艙體部分。
[0039] 本發(fā)明的一個(gè)重要特征在于當(dāng)并未處于膨脹狀態(tài)時(shí)，添加的材料(表面部分）可以 設(shè)計(jì)為能夠共享由例如下方(本體)結(jié)構(gòu)所攜帶的的負(fù)載。本發(fā)明的保護(hù)性層不會(huì)因此增加 該結(jié)構(gòu)的重量而不提高強(qiáng)度。
[0040] 本發(fā)明的另一重要特征在于當(dāng)至少一個(gè)膨脹層包含以交替方式與阻隔層排列的 熱塑性膜時(shí)，盡管復(fù)合材料的引燃與現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)相比提早開始，但釋放的熱明顯更低，例 如取決于膨脹和/或阻隔層的厚度為大約30%至50%。換句話說(shuō)，即使引燃開始更早，本發(fā) 明所述的復(fù)合材料的熱釋放和分解明顯低于現(xiàn)有技術(shù)的復(fù)合材料；此外，至該復(fù)合材料的 本體材料分解時(shí)的時(shí)間比現(xiàn)有技術(shù)中的時(shí)間長(zhǎng)大約1. 5至2倍。因此，來(lái)自燃燒過(guò)程的熱 量釋放較晚，使得火焰蔓延更慢，發(fā)熱量更低，剩余機(jī)械性質(zhì)得以維持，因?yàn)椴牧系钠茐妮^ 少并較晚?yè)p壞。
[0041] 下面將參照附圖參考示例性實(shí)施方案描述本發(fā)明。在這些圖中： 圖1顯示了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的多層設(shè)計(jì)， 圖2顯示了在暴露于火焰過(guò)程中圖1的材料， 圖3顯示了暴露于火焰之前和過(guò)程中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料以及參照物的多層設(shè)計(jì)的放 熱率vs.時(shí)間，和 圖4顯示了用于膨脹層的穿孔熱塑性膜。
[0042] 圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案的纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料塑料（FRCP) 10的示意性 橫截面圖。
[0043] 該材料10是二維伸展片狀材料，并由本體部分12和表面部分14組成。
[0044] 該本體部分12包含具有嵌入其中的增強(qiáng)纖維的本體基體。優(yōu)選地，該本體部分12 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)(其未詳細(xì)顯示在圖1中)是常規(guī)結(jié)構(gòu)。特別地，該本體部分12可以作為具有嵌 入其中的碳或玻璃纖維的常規(guī)環(huán)氧基體體系提供。該纖維可以例如以一個(gè)或優(yōu)選多個(gè)纖維 氈(機(jī)織或無(wú)紡織物）的形式提供，其用各環(huán)氧樹脂預(yù)先浸漬或在制造過(guò)程中灌注。在固化 步驟中，完成該制造過(guò)程，該本體部分12與該表面部分14已經(jīng)固化并粘接在一起。
[0045] 該表面部分14用于提高的火焰保護(hù)并至少由"膨脹層"（第一層）20-1、20_2并且 在所示實(shí)施例中還由"阻隔層"（第二層）22-U22-2組成。
[0046] 該膨脹層20與該阻隔層22以交替順序(膨脹-阻隔-膨脹-阻隔)布置在該本體 復(fù)合材料12頂部，由此形成在本體復(fù)合材料12被該表面層壓件14覆蓋的一側(cè)暴露于火焰 的情況下保護(hù)下方的本體復(fù)合材料12的"表面層壓件"。在這方面，不同于其中該本體復(fù)合 材料12僅在一側(cè)被覆蓋的所示實(shí)施例，該本體復(fù)合材料12還可以在兩側(cè)上被本文中描述 的類型的表面層壓件覆蓋。
[0047] 該表面層壓件14的火焰保護(hù)作用基本上依賴于該膨脹層20的特殊行為。也就是 說(shuō)，當(dāng)這些膨脹層20因暴露于火焰而被加熱(參照例如圖2中象征的火焰24)時(shí)，該膨脹層 20提高了它們的厚度(膨脹，例如通過(guò)某些類型的發(fā)泡）和/或失去其與相鄰層的粘結(jié)(分 層)。這種行為導(dǎo)致該表面層壓件14的導(dǎo)熱性降低，延遲了本體復(fù)合材料12中的溫度上升。
[0048] 圖2描述了在火焰（由火焰24象征）影響過(guò)程中的材料10。
[0049] 如可以從圖1與圖2的比較中看出的那樣，火焰造成該表面層壓件14嚴(yán)重(或至 少實(shí)質(zhì)上）膨脹，由此阻止了來(lái)自火焰的熱量朝向該本體部分12的進(jìn)一步進(jìn)展。
[0050] 在材料10的原始(完好)狀態(tài)中，該外膨脹層20-2與該外阻隔層22-2分別具有圖 1中顯示的厚度dl和d2。該本體復(fù)合材料的厚度指定為d0。
[0051] 在如圖2中所示的暴露(加熱)狀態(tài)中，該層20-2與22-2分別具有厚度dl'和d2' (該本體復(fù)合材料12的厚度指定為d0'）。在這種情況下，厚度dl'與原始厚度dl相比嚴(yán)重 提高。在實(shí)踐中，取決于膨脹層20-2的設(shè)計(jì)，厚度的提高導(dǎo)致了厚度dl'，其超過(guò)dl的厚 度10倍、優(yōu)選超過(guò)20倍。圖1和2并非按比例繪制。它們僅說(shuō)明了火焰影響過(guò)程中該表 面層壓件14的定性改變。
[0052] 優(yōu)選地，該膨脹層20設(shè)計(jì)為在火災(zāi)的早期階段過(guò)程中顯示出膨脹和/或分層效 果。有利地，這些層20在低于40(TC、優(yōu)選低于250°C的溫度下開始顯著膨脹和/或分層。
[0053] 由于在加熱過(guò)程中在材料10中將存在溫度梯度，熱引發(fā)的效果在外部區(qū)域(接近 該材料的表面）比在內(nèi)部區(qū)域中更強(qiáng)。這也顯示在圖2中，其中該內(nèi)膨脹層20-1也相對(duì)于 圖1中顯示的原始狀態(tài)膨脹，但是遠(yuǎn)不及外膨脹層20-2。
[0054] 在顯示的實(shí)施例中，阻隔層22-1和22-2的厚度沒(méi)有顯著變化。該阻隔層22 (第 二層）不同于膨脹層20 (第一層）并用于阻止熱和/或氣體傳輸穿過(guò)這些層。在顯示的實(shí) 施例中，該阻隔層22特別防止氧氣由外部空氣擴(kuò)散到該本體復(fù)合材料12的可燃基體，并防 止氣態(tài)可燃產(chǎn)物從本體復(fù)合材料12向外部擴(kuò)散("點(diǎn)火區(qū)域")。
[0055] 在顯示的實(shí)施方案中，該膨脹層20各自由熱塑性膜構(gòu)成，該熱塑性膜例如由PEI 或PES制成，并含有發(fā)泡改性劑。在該實(shí)施例中，這些膜含有發(fā)泡劑以利于熱引發(fā)的厚度增 力口。此外或替代地，該膜還含有纖維材料，例如嵌在該熱塑性材料中的松散纖維或在熱塑性 膜中延伸的纖維氈。
[0056] 優(yōu)選地，各膨脹層20 (在該實(shí)施例中：20-1和20-2)具有5至100 Mm的厚度，當(dāng) 加熱至其膨脹溫度(例如大約300°C或更低）時(shí)厚度提高至少10倍。
[0057] 在顯示的實(shí)施例中，該阻隔層22 (22-1和22-2)各自包含具有嵌入其中的增強(qiáng)纖 維的表面基體(例如樹脂)。在顯示的實(shí)施例中，使用分散在聚酰胺酰亞胺或聚酰亞胺基體 中的短纖維。在另一實(shí)施方案中，該表面基體的材料與該本體基體的材料相同(例如環(huán)氧樹 脂體系）。這可以便于復(fù)合材料10的制造，只要可以提供輸注過(guò)程以同時(shí)輸注該本體部分 12與該表面部分14。原則上，還可以使用在這些層中延伸的連續(xù)纖維而不是阻隔層22中 的短纖維。
[0058] 混入膨脹層20的任何類型的纖維將有利地提高該表面層壓件14的機(jī)械強(qiáng)度。這 使得所述實(shí)施例有別于發(fā)泡性與阻隔性火焰防護(hù)的常規(guī)的、確定的形式。
[0059] 圖3顯示了暴露于火焰之前和過(guò)程中纖維增強(qiáng)復(fù)合材料10以及參照物的多層設(shè) 計(jì)的放熱率vs.時(shí)間。
[0060] 在圖3的所示實(shí)施例中，使用厚度為4毫米的復(fù)合材料10的試樣或樣品。在該實(shí) 施例中使用兩個(gè)膨脹層20 (20-1、20-2)。該膨脹層20 (20-U20-2)的厚度為125 Mm。該 膨脹層20由熱塑性膜制成。在該實(shí)施例中使用聚醚酰亞胺。
[0061] 兩個(gè)阻隔層22(22-1、22-2)以交替順序與該膨脹層一起布置。該阻隔層22(22-1、 22-2)的厚度為250 Mm。該阻隔層22 (22-2、22-2)具有與本體部分12相同的材料，使得 阻隔層22 (22-U22-2)的厚度可以提高而不損失機(jī)械性質(zhì)。該本體部分12包含碳增強(qiáng)的 環(huán)氧樹脂。應(yīng)注意的是，對(duì)具有不同于本體部分12的材料的阻隔層22 (22-U22-2)可以 實(shí)現(xiàn)類似結(jié)果。
[0062] 該膨脹層20 (20-U20-2)用具有矩形穿孔圖案的針頭穿孔。該穿孔距離為1厘 米，孔口 25直徑為1毫米。
[0063] 圖3顯示了前面提到的復(fù)合材料10的放熱率和參照物26的放熱率。參照物26 是本領(lǐng)域已知的常規(guī)本體材料，其不具有多層設(shè)計(jì)。該參照物的厚度為4毫米。
[0064] 如上所述的具有膨脹層20 (20-U20-2)和阻隔層22 (22-U22-2)的復(fù)合材料10 以及參照物26均加載25 kW/m2的熱通量。更高的熱通量是可能的；在那種情況下引燃時(shí) 間將更低，峰值熱釋放更高。
[0065] 在圖3中，放熱率顯示在縱軸上，時(shí)間顯示在平軸。參照物26在200至300秒引 燃并在500秒后在可燃材料耗盡后媳滅。
[0066] 對(duì)于復(fù)合材料10而言，如圖3中所示，最接近熱源的外膨脹層20-2在引燃前，即 在60秒前開始膨脹和/或分層。與參照物26相比，至引燃的時(shí)間減少。在引燃并用熱通量 加載該復(fù)合材料10之后200秒后，該外阻隔層22-2的可燃部分已經(jīng)耗盡和/或炭化。這 可以看做是熱釋放的第一峰P1，其顯著低于參照物26的熱釋放。
[0067] 在外阻隔層22-2的可燃部分已經(jīng)耗盡和/或炭化后，熱釋放降低，直到來(lái)自外膨 脹層20-2的保護(hù)降低，并且在膨脹層20-1和20-2之間的內(nèi)阻隔層22-1開始燃燒，使得熱 釋放再次提高至與第一峰P1尺寸大致相同的第二峰P2。
[0068] 在兩個(gè)阻隔層--外阻隔層22-2和內(nèi)阻隔層22-1均耗盡和/或炭化時(shí)，熱釋放 降低至最小值Min。在使用上述復(fù)合材料10并在相同條件下進(jìn)行的某些測(cè)試中，在最小值 Min處觀察到火焰的熄滅。
[0069] 在膨脹層20-U20-2瓦解后，該材料的剩余部分(本體部分12)開始分解，并且熱 釋放再次提高至最大值Max。
[0070] 復(fù)合材料10的熱釋放的最大值Max低于參照物26的峰值放熱率，并降低直到在 大約800秒處本體部分12的可燃材料耗盡。
[0071] 在圖4中顯示了用于膨脹層20的穿孔熱塑性箔。
[0072] 針穿孔已經(jīng)用于在膜中生成孔口 25。提供六邊形穿孔圖案。穿孔距離為20毫米。 孔口 25是直徑為1毫米的孔。
[0073] 該纖維增強(qiáng)復(fù)合材料10的優(yōu)選用途是形成飛行器，特別是飛機(jī)或直升機(jī)的殼狀 結(jié)構(gòu)組件。可膨脹熱塑性塑料的交錯(cuò)(膨脹層20)導(dǎo)致各結(jié)構(gòu)組件的顯著提高的防火性能。
[0074] 盡管在所述實(shí)施例中，該"本體部分"與該"表面部分"彼此可以區(qū)分，該交替的膨 脹層和阻隔層可以占該層壓材料(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料）的高至1〇〇%。在這種情況下，該本體 部分與該表面部分具有相同的層結(jié)構(gòu)，或甚至可以是相同的。在此類材料中，特別是該阻隔 層可以由常規(guī)用于形成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的層形成。此外和替代地，也可以使用上述特定 阻隔層（也包括金屬等制成的阻隔層)。
[0075] 附圖標(biāo)記列表 10 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 12 本體部分 14 表面部分 20 膨脹層 20-1 內(nèi)膨脹層 20-2 外膨脹層 22 阻隔層 22-1 內(nèi)阻隔層 22-2 外阻隔層 24 火焰 25 孔 26 參照物 P1 第一峰 P2 第二峰 Min 最小值 Max 最大值。
【權(quán)利要求】
1. 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（10)，包含： 一包含具有嵌入其中的增強(qiáng)纖維的本體基體的本體部分（12)，和 一包含多個(gè)層壓的第一層的表面部分（14)，其在火焰影響過(guò)程中膨脹和/或分層， 其特征在于至少一個(gè)第一層（20)包含熱塑性膜，并且其特征在于該表面部分（14) 進(jìn)一步包含多個(gè)不同于該第一層（20)并與第一層（20)以交替順序排列的層壓的第二層 (22)。
2. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第一層（20)包含纖維。
3. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第一層（20)包含起泡改性劑。
4. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第一層（20)具有5至300 Mm、優(yōu) 選10至200 Mm、更優(yōu)選20至130 Mm、特別是大約125 Mm的厚度。
5. 如前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第二層（22)包含具有嵌入其中 的增強(qiáng)纖維的表面基體。
6. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第二層（22)包含聚合物。
7. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第二層（22)包含具有分散于其 中的無(wú)機(jī)粒子的樹脂基體。
8. 如權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的材料，其中至少一個(gè)第二層（22)包含具有分散于其 中的有機(jī)粒子的樹脂基體。
9. 用于飛行器，特別是用于飛機(jī)或直升機(jī)的結(jié)構(gòu)組件，由根據(jù)前述權(quán)利要求任一項(xiàng)所 述的材料（10)制成。
【文檔編號(hào)】B32B7/02GK104114357SQ201280060561
【公開日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2012年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月9日
【發(fā)明者】H.盧因格, M.許特, G.吉布森 申請(qǐng)人:伊德斯德國(guó)股份有限公司, 泰恩河畔紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)