專利名稱：復(fù)合材料的制作方法
復(fù)合材料
本發(fā)明涉及復(fù)合材料，并且特別地，然而并不唯一地涉及基于與塑性基體材料相 關(guān)的連續(xù)纖維增強(qiáng)體(continuous fibre reinforcement)或半連續(xù)纖維增強(qiáng)體的復(fù)合材 料，所述復(fù)合材料可包括熱塑性樹脂或熱固性樹脂。優(yōu)選的實(shí)施方案利用包括諸如聚醚醚 酮的聚芳醚酮聚合物的基體材料。在航空航天工業(yè)中使用，例如，包括諸如Victrex PEEK(從Victrex Pic, UK獲得 的聚醚醚酮聚合物)的高性能聚合物的復(fù)合材料被視為減少航空器的重量、提高效率并由 此減少該工業(yè)的環(huán)境影響的一個(gè)主要途徑。增加復(fù)合材料的使用的關(guān)鍵之一是通過改善制造技術(shù)，所述制造技術(shù)旨在降低制 造成本、加工(tooling)成本、使復(fù)雜的組件能夠更容易地制造并且在有限的資本投資下 促進(jìn)制造規(guī)模的快速擴(kuò)張。通常，復(fù)合材料的處理包括第一階段，在該第一階段中，纖維增強(qiáng)體與基體材料混 合以形成預(yù)浸料或用基體材料浸漬織物以形成預(yù)浸料。在第二階段中，通常通過施加熱和 壓力來固結(jié)一層或多層預(yù)浸料以定義復(fù)合材料。一種固結(jié)方法使用袋系統(tǒng)(bag system)來對預(yù)浸料施加壓力，如附圖的

圖1所說 明，圖1是具有置于其中的預(yù)浸料的模具的橫截面。參考該圖，示出了模具2，在該模具2上 設(shè)置了復(fù)合材料4的包括一層或多層預(yù)浸料的前體。泄放層(bleeder layer)6設(shè)置在前 體4上并且釋放板層(release ply) 8設(shè)置在所述層6上。壓板10與泄放層6接觸并將透 氣層12設(shè)置在壓板10上。裝袋膜或片14被設(shè)置在透氣層12上以定義真空袋，所述真空 袋通過密封件16被密封至模具2，例如使用硅氧烷密封劑，以便在真空袋與預(yù)浸料之間定 義封閉的空間。在模制過程的開始，經(jīng)真空端口 18從密封的空間抽出氣體，從而對其內(nèi)的預(yù)浸料 施加約1巴的均勻壓力。所述模具例如通過被置于烘箱中或高壓釜中而被加熱至包括在預(yù) 浸料的層中的基體材料的模制溫度，因此，預(yù)浸料通過施加經(jīng)真空袋施加的熱和壓力一段 時(shí)間而被固結(jié)。固結(jié)后，允許模具冷卻并隨后從模具中移除所述袋，且然后移除固結(jié)的復(fù)合材料 4。在某些情況下，所述袋可再利用；或在其他情況下被棄去。通常，袋由硅橡膠制成。當(dāng)預(yù)浸料包括熱固性樹脂時(shí)，考慮到固結(jié)過程中涉及相對 低的溫度，這樣的袋通?？杀辉倮?。然而，如果硅橡膠袋在包括諸如Victrex PEEK的高 性能熱塑性塑料的預(yù)浸料的固結(jié)中使用，當(dāng)可能使用400°C數(shù)量級的操作溫度時(shí)，該袋的壽 命將相對較短并可能限制為單次使用。這可能使所述的裝袋技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上不可接受多次應(yīng)用。一種目前的進(jìn)展是制造使用針織工藝生產(chǎn)的復(fù)合結(jié)構(gòu)。為了改善機(jī)械性能并降低 原料成本，制造中空的制品通常是有益的。例如，使用浸漬了針織樹脂(knitted resin)的 預(yù)浸料可制成復(fù)合材料管。沿復(fù)合鋪層(composite lay-up)的中心向下對囊狀物充氣以 推動鋪層向外緊貼柱面以定義復(fù)合材料管的形狀。不利地，必須設(shè)置進(jìn)入開口以便放入和 取出囊狀物。在沒有進(jìn)入途徑的情況下，必須在隨后連接在一起的至少兩個(gè)段中完成制造。然而，接合點(diǎn)處代表結(jié)構(gòu)中可能的弱點(diǎn)。 本發(fā)明的一個(gè)目的是解決前述問題中的至少一些問題。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了固結(jié)預(yù)浸料的方法，所述方法包括(i)將膜設(shè)置成鄰近待固結(jié)的預(yù)浸料；和(ii)施加力以固結(jié)所述預(yù)浸料，其中所述膜成為連接至所述預(yù)浸料。因此，可制造固結(jié)的預(yù)浸料，其包括至少部分由所述膜的材料定義的外(或內(nèi))表 面。所述方法因此可提供這樣的方式，在下文描述的其他優(yōu)勢以外，由此通過固結(jié)預(yù)浸料的 一層或多層而制成的復(fù)合材料的外(或內(nèi))表面可制得更光滑和/或流線型；具有改善的 抗破壞性(damage resistance)；和/或具有改善的耐化學(xué)性。所述方法適當(dāng)?shù)匕ㄟx擇相容的膜和預(yù)浸料以便所述膜能夠在所述方法中成為 連接(和保持連接)至所述預(yù)浸料。更具體地，優(yōu)選地，膜和預(yù)浸料是使得當(dāng)所述膜和/或 預(yù)浸料被加熱時(shí)和/或被施加力以促使所述膜與所述預(yù)浸料在一起時(shí)，所述膜能夠成為連 接至所述預(yù)浸料。膜連接至預(yù)浸料的強(qiáng)度可通過其剝離強(qiáng)度定義，例如基于90°剝離，使用ASTM D3330。如前述合適測量的，來自固結(jié)的預(yù)浸料的膜的剝離強(qiáng)度可以是至少lN/cm，優(yōu)選至少 1. 5N/cm，更優(yōu)選至少2N/cm，特別是至少2. 5N/cm。膜可包括一層或多層。例如一層可以被設(shè)置成連接至預(yù)浸料，而另一層可以被設(shè) 置成定義固結(jié)的預(yù)浸料的部分表面。當(dāng)膜包括多層時(shí)，所述膜的層在被選擇用于本方法中 時(shí)可最初是彼此分開的和/或不連接至彼此；或，可選擇地，可選擇包括相對于彼此固定的 多層的膜。這樣的膜可包括層壓材料或共擠塑薄膜。當(dāng)膜包括多層時(shí)，該膜的一個(gè)表面可與 該膜的相對的表面不同(例如化學(xué)上)。因此，一個(gè)表面可提供在所述方法中制備的、具有 期望表面性能的復(fù)合材料的表面，而該膜的另一表面可提供將該膜結(jié)合至預(yù)浸料的方式。 膜可包括聚丙烯共擠出模?？蛇x擇地，膜可包括聚醚酮的層和聚醚酰亞胺的層。在進(jìn)一步 的實(shí)施方案中，膜可在該膜的外層之間包括連接層(tie layer)，其中，設(shè)置所述連接層以 促進(jìn)將層固定在一起。然而，優(yōu)選地，膜不包括超過一層。膜可具有5μπι至750μπι范圍內(nèi)的厚度。該厚度可小于500 μ m，優(yōu)選地小于 250 μ m，更優(yōu)選地小于100 μ m，特別是小于50 μ m。該厚度可以是至少10 μ m。適當(dāng)?shù)?，該?度在10 μ m至50 μ m的范圍內(nèi)。當(dāng)根據(jù)Def Stan 81_75測試時(shí)，膜的抗刺穿力可以是至少10KJ/m2，優(yōu)選地至少 20KJ/m2。膜可包括添加劑以調(diào)節(jié)其性能。例如，它可并入諸如炭黑的導(dǎo)電材料以調(diào)整該膜 的電性能。然而，優(yōu)選地，膜包括小于5wt%、小于2wt%、小于的添加劑。優(yōu)選地，膜 不包括任何添加劑而基本上由樹脂組成。雖然膜可包括樹脂的混合物，但其適當(dāng)?shù)匕ㄖ辽?5wt%、優(yōu)選地至少97wt%、 更優(yōu)選地至少99wt%的單一樹脂。優(yōu)選地，膜基本上由單一樹脂組成。所述膜優(yōu)選地包括 熱塑性樹脂(且更優(yōu)選地基本上由熱塑性樹脂組成)。所述膜可包括選自以下的材料如本文所述的第一聚合物、聚芳醚酮、聚芳醚砜、 聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚酰胺和聚烯烴。優(yōu)選的聚芳醚酮如本文中關(guān)于所述第一聚合物描述的。
優(yōu)選的聚芳醚砜包括聚醚砜、聚醚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚-醚-二苯基_醚-苯 基-砜-苯基-、聚-醚-二苯基-醚-苯基-砜-二苯基-砜-苯基-、聚-醚-苯 基-砜-苯基-醚-苯基-砜-二苯基-砜-苯基-、和聚-醚-苯基-醚-苯基-砜-二 苯基-諷-苯基"ο優(yōu)選的聚醚酰亞胺包括可包括下式的重復(fù)單元的芳族聚醚酰亞胺。
權(quán)利要求
一種固結(jié)預(yù)浸料的方法，所述方法包括(i)將膜設(shè)置成鄰近待固結(jié)的預(yù)浸料；和(ii)施加力以固結(jié)所述預(yù)浸料，其中所述膜成為連接至所述預(yù)浸料。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中固結(jié)的預(yù)浸料在包括至少部分由所述膜的材料定 義的外表面或內(nèi)表面的方法中制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或權(quán)利要求2所述的方法，其中所述膜具有在5μ m至750 μ m范圍 內(nèi)的厚度；并且所述膜的抗刺穿力為至少10kJ/m2。
4.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述膜包括至少95wt%的單一樹脂。
5.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述膜包括選自以下物質(zhì)的材料聚芳醚 酮、聚芳醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚酰胺、聚烯烴和第一聚合物，所述第一聚合物具有 下式的部分和/或具有下式的部分和/或具有下式的部分III其中，m、r、S、t、V、W和Z獨(dú)立地表示零或正整數(shù)，E和E’獨(dú)立地表示氧或硫原子或直 連鍵，G表示氧或硫原子、直連鍵或-O-Ph-O-部分，其中Ph表示苯基并且Ar選自以下部分 之一(i)至(iv)，經(jīng)由其苯基部分中的一個(gè)或多個(gè)鍵合至相鄰的部分
6.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述膜包括選自聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚酮 醚酮酮和聚醚酮酮的第一聚合物。
7.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述膜的熔點(diǎn)高于或等于在如下區(qū)域中的 所述預(yù)浸料中的樹脂的熔點(diǎn)所述區(qū)域?yàn)樗瞿ぴ谒龇椒ㄖ谐蔀檫B接至所述預(yù)浸料的區(qū) 域。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或權(quán)利要求6所述的方法，其中所述膜基本上由所述第一聚合物組成。
9.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述預(yù)浸料包括熱塑性樹脂或熱固性樹脂 和纖維增強(qiáng)體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其中所述預(yù)浸料的所述熱塑性樹脂選自聚烯烴、聚酰 胺、聚芳醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亞胺、聚芳醚砜、聚酰胺、液晶聚合物和權(quán)利要求5所述的 第一聚合物。
11.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述膜被設(shè)置成對所述預(yù)浸料施加力以將其固結(jié)。
12.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述預(yù)浸料的溫度在所述固結(jié)過程中被 升高至超過300°C。
13.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中所述膜被選擇用作裝袋膜并且被設(shè)置成 鄰近待固結(jié)的預(yù)浸料；且所述膜隨后被促使緊貼所述預(yù)浸料以促進(jìn)其固結(jié)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述膜被設(shè)置以定義氣體貯器，所 述氣體貯器被設(shè)置在由預(yù)浸料定義的封閉結(jié)構(gòu)內(nèi)。
15.根據(jù)任一前述權(quán)利要求所述的方法，其中在預(yù)浸料被固結(jié)時(shí)，將其設(shè)置成定義中空 結(jié)構(gòu)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述膜被設(shè)置在模具上或其他制 造工具上并且預(yù)浸料被置于所述膜上。
17.—種制造復(fù)合材料的方法，所述方法包括按照任一前述權(quán)利要求所述的方法固結(jié) 預(yù)浸料。
18.一種保護(hù)固結(jié)的預(yù)浸料的表面的方法，所述方法包括 (i)將膜設(shè)置成鄰近待固結(jié)的預(yù)浸料；和( )施加力以固結(jié)所述預(yù)浸料，其中所述膜成為連接至所述預(yù)浸料。
19.一種組件，其包括權(quán)利要求17所述的復(fù)合材料。
20.一種固結(jié)的預(yù)浸料，其包括在所述預(yù)浸料的表面上的膜層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的預(yù)浸料，其中所述膜包括聚醚醚酮。
22.根據(jù)權(quán)利要求20或權(quán)利要求21所述的預(yù)浸料，其中所述預(yù)浸料包括與纖維增強(qiáng)體 結(jié)合的聚醚醚酮；和也包括聚醚醚酮的膜層。
23.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的預(yù)浸料，所述預(yù)浸料包括具有低于300°C的 降解溫度的預(yù)浸料樹脂，所述固結(jié)的預(yù)浸料包括膜層，其中所述膜包括具有至少高于使用 的所述樹脂的降解溫度50°C的熔點(diǎn)的樹脂。
24.根據(jù)權(quán)利要求20至23中任一項(xiàng)所述的預(yù)浸料，其中所述膜層設(shè)置在朝內(nèi)的表面上。
25.根據(jù)權(quán)利要求20至24中任一項(xiàng)所述的預(yù)浸料，其中所述固結(jié)的預(yù)浸料包括熱塑性 樹脂。
26.—種中空結(jié)構(gòu)，所述中空結(jié)構(gòu)不包括提供進(jìn)入所述中空結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域的開口并 且在所述結(jié)構(gòu)中不包括已被填充或否則被阻塞的開口并且在定義所述中空結(jié)構(gòu)的任意兩 部分之間不包括接合點(diǎn)，其中所述結(jié)構(gòu)包括膜層和包含樹脂與纖維增強(qiáng)體兩者的層。
27.一種制造中空結(jié)構(gòu)的方法，所述中空結(jié)構(gòu)包括在其內(nèi)表面上的膜層，所述方法包括選擇根據(jù)權(quán)利要求26所述的中空結(jié)構(gòu)；和在所述中空結(jié)構(gòu)中形成開口以提供從所述 結(jié)構(gòu)的外部進(jìn)入內(nèi)部的方式。
28.—種中空結(jié)構(gòu)，所述中空結(jié)構(gòu)包括提供進(jìn)入所述中空結(jié)構(gòu)的內(nèi)部區(qū)域的一個(gè)或多 個(gè)開口，其中所述結(jié)構(gòu)在其內(nèi)表面上包括膜層。全文摘要
在預(yù)浸料的固結(jié)中使用聚醚醚酮膜以便該膜被結(jié)合到固結(jié)的預(yù)浸料中，定義了固結(jié)的預(yù)浸料的外層并因此提供具有有利性能的固結(jié)的預(yù)浸料。在一個(gè)實(shí)施方案中，膜可用作裝袋材料。在該實(shí)施方案中，預(yù)浸料被定位在模具中以定義復(fù)合材料(20)的前體。裝袋膜(22)被設(shè)置靠近所述預(yù)浸料，并經(jīng)端口18施加真空以抽空預(yù)浸料與膜(22)之間的空間并使用感應(yīng)加熱以使預(yù)浸料中的樹脂熔化。此外，膜(22)屈服并拉長然后該拉伸的膜將覆蓋預(yù)浸料且作為裝袋材料。另一實(shí)施方案解決了在制造中空制品中可膨脹的囊狀物的放入和/或取出問題并利用了充氣的熱塑性的袋。
文檔編號B29C70/44GK101965259SQ200980106761
公開日2011年2月2日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者艾倫·伍德 申請人:英國威克斯制造有限公司