高性能熱塑性復(fù)合材料層壓制件及其制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及復(fù)合材料層壓制件和由其制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其涉及高性能 熱塑性復(fù)合材料層壓制件，由其制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料的應(yīng)用往往僅限于作為承受低到中等結(jié)構(gòu)性負載的部件。然而，為了滿 足航空航天和普通運輸需求中諸如對耐腐蝕性、阻燃性、抗煙性和/或耐毒性的要求，需要 輕量、低成本及高性能的復(fù)合材料。此外，上述需求，尤其是與阻燃性要求相關(guān)的需求，也存 在于與發(fā)電、建筑、海陸運相關(guān)的領(lǐng)域，以及與諸如用于車輛或人員的護甲或防彈材料相關(guān) 的領(lǐng)域。
[0003] 本發(fā)明實施方式可克服上述問題并解決上述領(lǐng)域的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本文所述的各個方面，提供一種耐火復(fù)合材料層壓制件，包括由內(nèi)嵌于該復(fù) 合材料層壓制件基質(zhì)內(nèi)的纖維所加強的熱塑性基質(zhì)材料。所述耐火復(fù)合材料層壓制件的熱 塑性基質(zhì)材料包括聚偏二氟乙烯（PVDF)。
[0005] 根據(jù)本文所述的其他方面，還提供一種耐火復(fù)合材料層壓制件，包括由內(nèi)嵌于該 復(fù)合材料層壓制件基質(zhì)內(nèi)的纖維加強的聚合物基質(zhì)材料。所述耐火復(fù)合材料層壓制件的聚 合物基質(zhì)材料包括聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚醚醚酮（PEEK)、聚苯硫醚（PPS)以及聚醚酰亞 胺（PEI)中的至少一種。
[0006] 根據(jù)本文所述的其他方面，還提供一種包括耐火復(fù)合材料層壓制件的阻燃防彈板 體。所述復(fù)合材料層壓制件包括由內(nèi)嵌于該復(fù)合材料層壓制件基質(zhì)內(nèi)的纖維所加強的耐火 聚合物基質(zhì)材料，其中，所述阻燃防彈板體在投射物打擊至該板體時，可針對該投射物達到 NIJ標(biāo)準(zhǔn)護甲等級II-A、II、III-A、III及IV所規(guī)定的防護等級中的至少一種。
[0007] 根據(jù)本文所述的其他方面，還提供一種具有第一面和第二面的阻燃防彈板體，該 板體包括擊打面部分，該擊打面部分包括多個第一層片，每個所述第一層片均包括置于第 一聚合物基質(zhì)材料內(nèi)的纖維，所述第一聚合物基質(zhì)材料包括第一阻燃樹脂。所述阻燃防彈 板體還包括與所述擊打面部分相鄰的支撐部分，該支撐部分包括多個第二層片，每個所述 第二層片均包括位于第二聚合物基質(zhì)材料內(nèi)的纖維，所述第二聚合物基質(zhì)材料包括第二阻 燃樹脂，其中，每一層片均與相鄰層片相粘合。
【附圖說明】
[0008] 圖1為包括芯體的根據(jù)實施方式的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0009] 圖1A為圖1所示高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的放大示意圖。
[0010] 圖2為圖1所示根據(jù)實施方式的芯體的立體示意圖。
[0011] 圖3為可作為根據(jù)實施方式的所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層壓制件的層體/層片的非限制 性實施例示意圖。
[0012] 圖4為用于制造諸如根據(jù)實施方式的所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料層壓制件的 裝置的總體示意圖。
[0013] 圖5為包括根據(jù)實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍睦洳赝宪嚭笠晥D。
[0014] 圖6為包括根據(jù)實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍暮娇肇涍\集裝箱立體 圖。
[0015] 圖7為包括根據(jù)實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍蔫F路貨運集裝箱立體 圖。
[0016] 圖8為包括根據(jù)實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍穆?lián)運集裝箱立體圖。
[0017] 圖9所示為包括根據(jù)實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍碾姵赝鈿ぁ?br>[0018] 圖10所示為包括根據(jù)實施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍碾姵睾小?br>[0019] 圖11為根據(jù)實施方式的阻燃防彈板體的部分剖面立體示意圖。
【具體實施方式】
[0020] 本文中，發(fā)明人根據(jù)實施方式描述了高性能熱塑性復(fù)合材料層壓制件、由其制成 的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及制造此類層壓制件及結(jié)構(gòu)的方法。此類高強度層壓制件及結(jié)構(gòu) 可提供一需求度極高的解決方案。其原因在于，發(fā)明人已進一步確定，可滿足例如航天航空 應(yīng)用中的某些需要的某些樹脂非常昂貴且難于加工，該樹脂生產(chǎn)中通常需要特殊工藝，而 且還需后處理工藝才能制得成品。例如，市售烯烴樹脂中摻雜阻燃添加劑后通常會導(dǎo)致性 能損失，該損失的程度通常使得所制得最終結(jié)構(gòu)的機械性能顯著降低。此外，此類材料通常 無法滿足航空航天及其他運輸行業(yè)的阻燃要求。因此，根據(jù)本發(fā)明實施方式，發(fā)明人已確定 如何諸如通過在熱塑性基質(zhì)中將高性能阻燃樹脂的性能與高強度纖維相結(jié)合，從而生成在 機械特性方面具有高性能的復(fù)合材料，而且同時實現(xiàn)耐腐蝕性以及不產(chǎn)生火、煙以及毒性 的能力（例如，對火、煙及有毒物質(zhì)的強抵抗性/阻滯性），從而滿足工業(yè)需求。
[0021] 如下文中進一步詳述的，根據(jù)實施方式，公開一種由連續(xù)纖維加強的熱塑性材料 所構(gòu)成的復(fù)合材料，該材料易于制造，而且提供尚強度重量比、尚耐沖擊性、尚耐疲勞性、尚 耐化學(xué)腐蝕性、高耐溫性、高阻燃性和/或低毒或無毒性，以及提供諸如商業(yè)用途所需的其 它特性。此外，還如下文中進一步詳述的，本發(fā)明實施方式中優(yōu)選納入了對諸如E玻璃纖維 及S玻璃纖維等高強度纖維以及聚偏二氟乙烯（PVDF)樹脂的使用，以滿足對諸如高性能單 條帶型層壓制件、層片型層壓制件和/或夾芯板等形式的要求，從而例如提供可滿足諸如 航空航天領(lǐng)域要求的不致火、不生煙、無毒性的復(fù)合材料產(chǎn)品。此外，已經(jīng)確定的是，例如 碳、酰胺、玄武巖和硼等材料也適合且優(yōu)選應(yīng)用于本文所公開的復(fù)合物材料。
[0022] 發(fā)明人已進一步確定，在本文所公開的層壓制件的構(gòu)造中使用單向條帶可提高所 述復(fù)合材料的機械性能，使其優(yōu)于例如傳統(tǒng)編織型層壓制件的機械性能。此外，使用諸如玻 璃纖維等纖維可實現(xiàn)以低成本材料取代（如50%至85%質(zhì)量百分比）旨在滿足抗煙、耐火 及耐毒性要求而使用的部分高成本樹脂（如PVDF)，并且可實現(xiàn)所需的機械性能。然而，需 進一步注意的是，如下文所述，本文所公開的所述層壓制件在采用條帶型層壓制件以及層 片型層壓制件等形式時，可實現(xiàn)提供強度及降低致火性的能力。一般而言，根據(jù)實施方式， 本文所公開的所述高強度加強型熱塑性材料及結(jié)構(gòu)包括熱塑性基質(zhì)材料、高強度加強纖維 以及必要時可采用的其它加強材料的組合。
[0023] 現(xiàn)在參照附圖，本文所公開的一個方面涉及一種如圖1和圖1A所示的復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)10,包括：第一外層體/皮層12 ;第二外層體/皮層14 ;以及夾置于第一外層體12和第 二外層體14之間的芯體16。需要注意的是，芯體16并不一定需直接抵靠第一外層體12和 /或第二外層體14。舉例而言，如圖1和圖1A所示，還可在第一外層體12和第二外層體14 之間設(shè)置至少一個中間層體/皮層17。因此，根據(jù)實施方式，芯體16可例如夾置于兩個中 間層體17之間。此外，根據(jù)需求，還可使用更多或更少的中間層體17。作為另一可替代方 案，還可不使用中間層體17。
[0024] 需首先注意的是，雖然結(jié)構(gòu)10在圖1和圖1A中示為大致呈正方形的復(fù)合材料"夾 芯板"，然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)并不限于此。根據(jù)最終用途制品，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)10可 制成任何合適的形狀、大小、厚度等。因此，包括所述層體/諸如其內(nèi)的層壓制件12、14和 17,以及芯體16的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)10可制成任何合適的形狀、大小、厚度、尺寸等，而且可制 成任何合適的制品/產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。根據(jù)實施方式，下文在組分信息之后給出此類制品的更多 細節(jié)及示例。
[0025] 圖1和圖1A所示芯體16包括合適材料，通常為泡沫。根據(jù)一種實施方式，所述泡 沫包括聚偏二氟乙烯（PVDF)泡沫，例如Zotek品牌的PVDF泡沫。然而，需要注意的是，根 據(jù)實施方式，芯體16可包括任何合適材料，包括本文中所描述的例如用于層體12、14和17 的材料及其任意組合。
[0026] 就用于第一外層體12、第二外層體14、所述至少一個中間層體17以及其組合體和 構(gòu)造體的材料而言，需提及的是以下非限制性材料和工藝。雖然以下提及了具體熱塑性材 料，然而需要注意的是，包括第一和第二外層體12,14以及中間層體17的所述復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)10的實施方式可由任何帶有或不帶有額外加強物的合適纖維加強型熱塑性樹脂制成， 而且可包括任何合適的熱塑性表層/層體。
[0027] 根據(jù)一種實施方式，圖1和圖1A所示"夾芯板"10可包括通過合適粘合劑施加（例 如粘合）至膨脹熱塑性泡沫片（如芯體16)的相對面的多個層體或多層層壓制件（如層體 12和/或14和/或17)。在一種實施方式中，施加至所述相對面的層體或?qū)訅褐萍械?各層可由纖維加強的熱塑性條帶構(gòu)成，該條帶例如具有根據(jù)成品所需特性所設(shè)定的單向和 /或多軸纖維排列。根據(jù)本發(fā)明一極其適用的實施方式，公開一種板體，所述板體包括高強 度層體/皮層12,14以及芯體16,所述層體/皮層例如包括由高強度連續(xù)纖維（如玻璃纖 維）加強的PVDF樹脂基質(zhì)，所述芯體包括PVDF泡沫。在本文所公開的各結(jié)構(gòu)中加入PVDF 材料可使最終結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品具有所需的耐火/阻火特性。
[0028] 根據(jù)實施方式，第一外層體12、第二外層體14和中間層體17中的至少一個包括 多個復(fù)合材料層片，所述多個復(fù)合材料層片至少包括第一復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層 片，所述第一復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層片中的每一個均包括位于熱塑性基質(zhì)內(nèi)的多 條纖維，所述多個層片相互貼合，從而形成復(fù)合材料層壓制件。根據(jù)某些實施方式，所述第 一外層體12、第二外層體14和中間層體17均包括上述構(gòu)件。根據(jù)實施方式，所述層體12、 14、17以及芯體16中的至少一個包括PVDF。
[0029] 根據(jù)實施方式，第一外層體12、第二外層體14和中間層體17中的至少一個的復(fù)合 材料層壓制件可包括相互粘合的一個或多個復(fù)合材料層片，而且通常至少為兩個復(fù)合材料 層片，例如第一復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層片。每個層片均包括多條纖維。所述第一 復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層片中的每一個的所述多條纖維均浸漬有熱塑性基質(zhì)材料。
[0030] 根據(jù)實施方式，所述熱塑性基質(zhì)材料可包括任何具有適用于所述應(yīng)用的熱塑性質(zhì) 的材料或材料組合，包括但不限于，可使最終復(fù)合材料具有所需耐火特性的聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚酰胺（尼龍）、聚乙烯、聚丙烯、聚對苯二甲酸乙酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮（PEEK)、 聚苯硫醚（PSS)、聚醚酰亞胺（PEI)、通用含氟聚合物以及其他工程樹脂，其它熱塑性聚合 物和/或其組合，例如具有所需特性的組合。
[0031] 在一種實施方式中，所述第一復(fù)合材料層片中的所述多條纖維大致相互平行，而 且所述第二復(fù)合材料層片中的所述多條纖維也大致相互平行。因此，根據(jù)一種實施方式，每 個層片的所述纖維均縱向排列（即彼此相互對齊）且在層片中整體連續(xù)延伸。根據(jù)實施方 式，本文中有時將復(fù)合材料層片稱為層片或片材，而且依據(jù)所述纖維的縱向取向?qū)⑵浔硎?為具有"單向"特征。
[0032] 根據(jù)本文所公開的其他實施方式，所述第一復(fù)合材料層片內(nèi)的多條纖維與所述第 二復(fù)合材料層片內(nèi)的多條纖維交叉排列（橫切排列）。舉例而言，第一復(fù)合材料層片內(nèi)的 多條纖維與所述第二復(fù)合材料層片內(nèi)的多條纖維交叉排列的角度為大于約〇°至約90°， 具體而言為約15°至約75°。還需注意的是，根據(jù)實施方式，上述角度還可以為0°至約 90。。
[0033] 此外，根據(jù)