專利名稱：單片式纖維增強材料及其制備方法和纖維增強復合制品的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及由多個以層狀形式布置的同延的、分開且不同的增強纖維結構制造單片式纖維增強材料的方法。該方法包括使來自不同層的纖維交絡使得來自各層的纖維中的至少一些插入相鄰層中并橋接初始的層界面從而與至少一個其它層中的至少一些纖維形成接合和干涉以聯(lián)結所述層。本發(fā)明施加到各增強材料的基本上整個橫向范圍(lateralextent)上，并且可用于制造具有提高的抗分層性的增強材料并簡化了纖維增強聚合物復合材料的制造。
背景技術：
越來越關注用高性能輕質(zhì)增強復合材料部件和結構代替車輛中的沖壓金屬片部件，該復合材料部件和結構包括具有適合的增強材料的聚合物基質(zhì)。適合的聚合物通常是熱固性的，例如環(huán)氧樹脂、乙烯基酯或聚酯；或熱塑性的，例如聚丙烯或聚酰胺，且適合的增強材料包括結構纖維，例如碳纖維、玻璃纖維或芳族聚酰胺纖維。這些纖維可以是無規(guī)取向和布置的或者是沿一個或多個優(yōu)選方向定向的。各碳纖維的直徑可以在約5-10微米的范圍內(nèi)，特別常見的是7微米直徑的纖維。各玻璃纖維可以在約7-30微米的范圍內(nèi)，這部分取決于玻璃等級。在很多應用中，特別是使用定向纖維的那些應用中，使用共同取向的纖維的組合體，該組合體可以稱作纖維束或粗紗。這類碳纖維組合體可以包含少至1000或多達50，000或更多的纖維，而玻璃纖維組合體可以包括多達200，000或更多的纖維。對于織物應用，為便于應用可以將定向纖維組合為兩種織物結構中的一種:機織布或無紡物，無紡物通常稱作無屈曲(non-crimp)織物或縫編織物。機織布采用第一取向的纖維束，其交替地處于第二取向的纖維束的上方和下方，第二取向通常與第一取向呈90°。所述機織可以是緊密的，相鄰纖維束間隔約I毫米或更?。换蛘咚缮⒌?，相鄰纖維束間隔高達約10毫米。在可供選擇的結構中，可以將由相應線軸分別供給的多個間隔設置的纖維粗紗簡單地彼此并排放置在片層(Ply)中，并通過使用例如聚酯紗線縫合臨時固定和鎖定不動。這種縫合通常在該增強片層的長度和寬度上延伸，并且通常使用縫合織軸來完成，其結合有多根針并具有適當?shù)倪\動使得能夠?qū)崿F(xiàn)簡單的鏈式縫合和其它更復雜的縫合，如經(jīng)編縫合。在很多情形中，將多個同延的片層疊置，并在單個縫合操作中固定所有片層的粗紗。通常以相鄰片層的纖維取向彼此旋轉(zhuǎn)的方式放置所述片層使得相比單獨的各片層所得多片層增強材料的面內(nèi)性質(zhì)的方向性更小或更加各向同性。各片層的重量由粗紗的體積(bulk)和相鄰粗紗束之間的間距決定。這些無紡增強材料稱作縫編織物或無屈曲織物，通常簡稱作NCF。多片層NCF的一種常見實例是分別以0°、+45°、-45°和90°布置的纖維的4層組合體，在每個取向上都有基本相同數(shù)量的纖維。具有以+45°和-45°布置的纖維的兩層NCF也有廣泛的應用。當然對這類多片層NCF的這一描述是示例性的而非限定性的?？梢岳斫獗菊f明書中所用的術語無屈曲織物、縫編織物、NCF、NCF織物或定向纖維層包含了在片層數(shù)量、取向數(shù)量、任意片層中纖維的角度設置和各取向上的纖維密度方面的各種情況。
可以將這種纖維增強材料，機織的或無紡的，用適合的聚合物樹脂浸潰、放置在模具中、成型然后固化，通常在適當升高的溫度一般約150°C下，以形成所需的聚合物復合材料?？梢岳斫馍厦嫠械牟僮黜樞蚩梢愿淖円杂糜诓煌哪Ｖ七^程。例如，可以將預制體放置在已經(jīng)充滿樹脂的模具中，或者可以在預制體置入模具中之后通過樹脂注入、樹脂傳遞模塑、或結構樹脂注塑來添加樹脂。也可以使用熱塑性或熱固性片材或具有混絡的熱塑性絞線(strands)和增強纖維的材料。通常，可能需要多于一個織物增強材料來在復合材料中形成所需的性質(zhì)。這些增強材料可以層層堆疊，同時可以使一層相對于另一層旋轉(zhuǎn)或偏置，目的是至少在該增強材料的平面內(nèi)形成更大的各向同性，或降低性質(zhì)的方向性。還應用了增強纖維為無規(guī)取向的增強層，例如通過直接纖維預成型或Programmable Powered Preform Process (P4 預成型)得到，或者一層或多層的連續(xù)原絲租如Owens Corning 8610或短切租。由于纖維在所有可能的方向上取向，因此這種增強材料甚至可能提供比多層NCF織物增強材料更加各向同性的性質(zhì)。多層纖維基聚合物復合增強材料的一種適合的構造是無規(guī)取向的纖維層夾在兩層定向纖維之間，該定向纖維可以組合為NCF (無屈曲織物)層或機織層。但這種多層增強材料也是多片式的(mult1-piece)，需要分別安放和定位各增強層，使得制造復雜。因此需要便于制造纖維增強聚合物復合制品且至少滿足多層多片式增強材料的性能目標的單片式(one-piece )增強材料。

發(fā)明內(nèi)容
由多個面對面接觸的層狀、同延的獨立的增強材料形成了適用于增強聚合物復合材料的層狀單片式纖維增強材料。各增強材料可以至少包括具有定向纖維的機織增強織物或無紡增強織物的定向?qū)雍蜔o規(guī)取向的纖維層。使用針刺或類似技術來拉動或推動一層纖維的預選部分并將它們至少插入相鄰層，在其中它們可與該相鄰層的纖維接合(engage)。優(yōu)選所述纖維在所述層的基本整個范圍上基本均勻地與所述層接合。不同層的纖維之間的摩擦性相互作用和機械干涉(interfere)會使至少相鄰的增強層彼此固定、結合和聯(lián)結，得到具有增強的層間強度的單片式增強材料。在具有多于兩層的增強材料中，可能優(yōu)選使纖維穿過(thread)該增強材料的所有層使得所有層都互相聯(lián)結。由此，由多個增強層實現(xiàn)了單片式增強材料。該單片式增強材料簡化了纖維增強聚合物復合制品的制造并提供了比相同布置的非聯(lián)結增強層更好的性質(zhì)。例如，在實施方案中，三層增強材料包括兩個定向(aligned)纖維層和位于其間的無規(guī)纖維層，其中所述定向纖維層可以是例如NCF層。所述無規(guī)纖維層可以包含連續(xù)纖維或短切纖維。將預選數(shù)量的纖維從第一定向纖維層拉動或推動穿過無規(guī)纖維層并插入或穿過第二定向纖維層以借助摩擦和機械方式將所有層穩(wěn)固地結合在一起。任選地，也可以將纖維從第二定向纖維層拉動或推動穿過無規(guī)纖維層到達第一定向纖維層以進一步固定所述層并實現(xiàn)單片式增強材料。這種全面的纖維重新布置不是必需的，可以僅將纖維從無規(guī)層拉動或推動插入到定向?qū)又?，反之亦然。由于延伸到增強層平面以外并引導穿過增強材料的厚度的那些纖維，這種增強材料賦予了增強聚合物制品增強的層界面處的界面間強度。這種增強的界面間強度可以抑制分層并提高重負載下該制品提供的能量吸收能力。這種優(yōu)點也可以用層狀短切氈或連續(xù)原絲氈增強材料得到。因為這種負載的施加位置可能是不確定的，因此所述層應當借助大體上均勻分布在所述層的整個面積上的接合纖維在它們的基本整個范圍上結合在一起。但是如果負載施加位點是可以例如通過模擬或建模預測的，或者是根據(jù)經(jīng)驗或?qū)嶒炓阎?，那么可以?yōu)選將接合纖維集中在負載施加位點處。針刺采用細長的具有桿的工具，該桿具有至少一個適于在該工具沿第一方向移動時接合并捕獲纖維且在該工具沿相反方向移動時釋放所捕獲的纖維的器件。該工具可以是直徑為約0.5-1毫米的針狀，它以往復運動操作使得它反復插入和退出含纖維層。在具有多個纖維捕獲器件的工具中，這些器件通常沿工具桿的長度和/或圍繞其橫截面分布。通常，所述纖維捕獲器件，例如倒鉤、掛鉤或錨爪，設置為用于單向纖維捕獲。亦即，與工具桿滑動接觸的纖維僅在該工具的往復運動中的一種運動下被所述纖維捕獲器件捕獲并保持。通常，纖維捕獲器件取向為隨著該針或工具插入纖維層時捕獲纖維，使得借助該工具的每次插入，在該行程的早期部分期間被倒鉤等捕獲的纖維隨著該工具繼續(xù)前進被推入纖維層更深處。在該工具的行程結束時，隨著工具反轉(zhuǎn)方向并退出，該纖維與單向纖維捕獲器件脫開但仍通過與其它纖維的摩擦接合或通過與其它纖維的機械干涉而固定不動。因為纖維捕獲器件是單向的，因此該工具是定向較差的(ill-oriented)且不適于在回撤過程中進一步捕獲任何纖維，因此可以很容易地退出。通常伴隨該工具橫向移動到之前未加工的區(qū)域，反復插入和退出會促使增加來自該層的上部和下部的纖維之間的接合、纏結和干涉。該過程可以繼續(xù)到在所述層的基本整個范圍上通過適當數(shù)量的插入纖維使所述層彼此固定在一起。通常，單位面積上插入纖維的數(shù)量在所述增強材料的整個范圍上是基本均勻的，但如果需要，在較高應力的區(qū)域中可以采用較大的插入纖維的面密度?？梢酝ㄟ^使用獨立操作或一同組合在共同的固定裝置中的多個工具來實現(xiàn)更高的生產(chǎn)能力。在使用多個工具時，所述工具可以由板來支撐，該板具有多個適當定位以接收所述工具的緊配合的孔。并且，織物層可以支撐在類似的含孔工具接收板上或取向為平行于所述工具的纖維陣列上或者可以被所述工具刺穿但不會損壞該工具的支撐體上，該支撐體例如實心或泡沫狀的軟橡膠體。盡管常用的實施方案采用了取向為僅能在往復工具的上-下行程之一期間捕獲纖維的纖維捕獲器件，但是適于在上行程和下行程都捕獲纖維的工具變體也可使用。在層狀單片式增強材料的各層之間形成的接合強度主要取決于各層中與相鄰層的纖維干涉接合的纖維數(shù)量，因此通常取決于工具行程的數(shù)量。如果纖維捕獲器件沿該工具的長度分布，那么纖維接合和干涉的程度還可能取決于工具行程的長度。通常這種針刺或類似過程可以僅從一側實施，從而所述工具總是在特定層的特定表面進入疊層。但為了得到更穩(wěn)固的纖維交絡，該過程也可以從疊層的兩側實施。在優(yōu)選這種雙偵彳針刺的情況下，它可以通過使用兩組相對的工具或者使用一組工具從一個方向然后將該疊層的上下表面互換再進行第二針刺操作來進行。這種單片式增強材料能有效地賦予增強聚合物制品提高的強度和抗斷裂性。大多數(shù)增強的聚合物組件在性質(zhì)上都是基本上二維的，厚度顯著小于其橫向尺寸。平面增強材料通常經(jīng)過定向以增強橫向性質(zhì)且堆疊組裝在一起而不加互連。在用聚合物樹脂浸潰各層并固化該復合材料之后，各層僅通過其間截留的聚合物的任何厚度彼此固定。在高沖擊負載下，如果聚合物斷裂或從任一層脫落，那么所述增強材料各層就可能發(fā)生分層或分離。一旦分層，就使得各層不能提供相互支持而單獨起作用，降低了它們的有效性。借助本發(fā)明的單片式增強材料，來自一層的纖維可以至少插入相鄰層，使得這些纖維充當了在層之間和跨層延伸的增強體。這些插入纖維取向為朝增強層的平面以外，通常但并非限制性地在垂直于層界面的±10°之內(nèi)，而且在固化之后通過纖維與聚合物之間的粘結而固定。此外，這些纖維與增強材料各層內(nèi)的纖維不同，它們沿著曲折的路徑，而這能夠有效抵抗從聚合物基質(zhì)中拉出纖維。這些跨層纖維提供的層間增強體使得該增強材料在重負載下也不易分層，因此與沒有這種跨層聯(lián)結纖維的增強層的組裝體相比可以提供增強的性能。這類單片式增強材料的纖維成分可以包括所有常用的增強纖維，包括但不限于:碳纖維或玻璃纖維以及芳族聚酸胺纖維。可以通過以下步驟制造包含這類單片式增強材料的纖維增強聚合物制品(盡管取決于所用的具體模制工藝，不必以此順序進行):以面對面的方式將多個大體上平面的、大體上同延的含纖維增強材料層層疊置來組裝層狀增強材料；將預選部分的纖維從該層狀增強材料的至少一層運送到該增強材料的平面之外并將它們拉入或推入增強材料的至少第二層以將所述增強材料層固定在一起并重復操作直至將所有層彼此結合；用足以潤濕所有纖維并填充模具型腔的量的適合聚合物前體浸潰該增強材料；將經(jīng)聚合物前體浸潰的增強材料成型為預選的適于制造所述制品的幾何形狀從而形成預浸料坯(pre-preg);將該預浸料坯放入具有限定所需制品形狀的內(nèi)部型腔的模具中；封閉該模具以使預浸料坯符合模腔的形狀、壓緊該預浸料坯并將聚合物前體轉(zhuǎn)移和分布到整個模具型腔；和固化經(jīng)成型的預浸料坯中的聚合物前體以形成纖維增強的聚合物制品。也可以采用單側真空袋模制法或蒸壓罐模制法。具體地，本發(fā)明涉及以下方面的技術方案:
方面1:用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料，其包括:
大體上平面的第一纖維層，其具有橫向范圍且包含定向纖維，該定向纖維層與包含無規(guī)取向纖維的大體上平面的第二纖維層大體上同延且以面對面的方式接觸；
定向纖維層中預選數(shù)量的定向纖維延伸到該定向纖維層之外并插入無規(guī)纖維層中以與該無規(guī)纖維層的至少一些無規(guī)纖維形成接合和干涉以將該無規(guī)纖維層穩(wěn)固地結合到定向纖維層上；
延伸到定向?qū)又獾睦w維大體上均勻地分布在該定向纖維層的橫向范圍上。方面2:方面I的層狀單片式纖維增強材料，其中該增強材料進一步包括具有定向纖維的第二纖維層，其與第一定向纖維層大體上同延，無規(guī)纖維層位于兩者之間并與第一和第二定向纖維層以面對面的方式接觸；且進一步包括第一定向纖維層的纖維穿過無規(guī)纖維層并插入第二定向纖維層的至少一些定向纖維中以與第二定向纖維層的纖維形成接合和干涉。方面3:方面2的層狀單片式纖維增強材料，其中第二定向纖維層中預選數(shù)量的定向纖維與第一定向纖維層的至少一些定向纖維形成接合和干涉。方面4:前述方面任一項的層狀單片式纖維增強材料，其中所述定向纖維層是機織的。方面5:方面2的層狀單片式纖維增強材料，其中至少一個定向纖維層是機織的。
方面6:前述方面任一項的層狀單片式纖維增強材料，其中定向纖維增強材料是無紡的。方面7:前述方面任一項的層狀單片式纖維增強材料，其中定向無紡纖維層是多層無屈曲織物。方面8:前述方面任一項的層狀單片式纖維增強材料，其中定向多層無紡纖維增強材料包括其中的纖維取向為+45°和-45°的兩層。方面9:前述方面任一項的層狀單片式纖維增強材料，其中所述纖維是由碳纖維、玻璃纖維和芳族聚酰胺纖維構成的組中的一種或多種。方面10:用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，該方法包括:
將至少一具有面積并包含定向纖維的纖維層放置為與同延的包含無規(guī)取向纖維的無規(guī)纖維層面對面接觸；
將預選數(shù)量的定向纖維由定向纖維層運送到無規(guī)纖維層使得該預選數(shù)量的纖維形成延伸到所述增強材料的平面以外的環(huán)，使該環(huán)插入無規(guī)層中以與該無規(guī)層中的至少一些無規(guī)纖維形成接合和干涉，以將定向纖維層穩(wěn)固地結合到無規(guī)纖維層上；
該環(huán)大體上均勻地分布在定向纖維層的面積上。方面11:方面10的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，進一步包括以下步驟:將預選數(shù)量的無規(guī)纖維由無規(guī)纖維層運送到該無規(guī)層之外并使該預選數(shù)量的無規(guī)纖維插入定向纖維層中，使得所述無規(guī)纖維與定向?qū)又械闹辽僖恍┒ㄏ蚶w維形成接合和干涉以將無規(guī)纖維層穩(wěn)固地結合到定向纖維層上，所述插入的無規(guī)纖維大體上均勻地分布在定向纖維層的面積上。方面12:方面10或11的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，其中所述增強材料進一步包括與第一定向纖維層大體上同延的第二定向纖維層，無規(guī)纖維層位于兩者之間并與第一和第二定向纖維層以面對面的方式接觸；且其中預選數(shù)量的定向纖維由第一定向纖維層運送到第一定向?qū)拥钠矫嬷獠⒉宕o規(guī)纖維層并至少進入第二定向纖維層中。方面13:方面12的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，其中通過以下步驟將定向纖維由第一定向纖維層運送到第二定向纖維層:
將工具插入第一定向纖維層的一位置，該工具在一位置具有至少一單向纖維捕獲器件，該單向纖維捕獲器件定向為在退出時接合至少一纖維；然后
使該工具前進直至至少所述纖維捕獲器件穿透第二定向纖維層；然后使該工具的運動方向反轉(zhuǎn)以使該工具從第二定向纖維層中退出，使得所述單向纖維捕獲器件從第二定向纖維層中捕獲至少一個定向纖維；
使該工具繼續(xù)退出，直至它離開第一定向纖維層從而將捕獲的定向纖維由第二定向纖維層拉入第一定向纖維層中以使該捕獲的定向纖維插入第一定向纖維層中；和
任選地，將該工具重新安置在另一位置并重復以上步驟直至將預設數(shù)量的纖維由第二定向纖維層運出并插入第一定向纖維層中。方面14:方面12或13的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，其中所述單向纖維捕獲器件是倒鉤和掛鉤中的一種或多種。
方面15:方面10-14中任一項的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，其中所述單向纖維捕獲器件是可重構的。方面16:方面12-14中任一項的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，進一步包括通過使用雙向工具將預選數(shù)量的定向纖維由第一定向纖維層運出用以插入第二定向纖維層中。方面17:纖維增強復合制品，包括由單片式纖維增強材料增強的聚合物基質(zhì)，該單片式纖維增強材料包括至少兩個在界面處面對面的大體上平面的、同延的增強層，各增強層包含增強纖維；
通過將預選數(shù)量的纖維從至少一個增強材料中運送到該增強材料的平面外并越過層界面以將它們至少插入所有其它層中，使得所有其它增強層的纖維與第一層增強材料的纖維形成接合和干涉以聯(lián)結所述層，來將所述單片式增強材料的各層彼此穩(wěn)固地結合。方面18:方面17的纖維增強復合制品，其中所述層狀單片式纖維增強材料包括第一定向纖維層、第二定向纖維層和位于第一和第二定向纖維層之間的無規(guī)纖維層。方面19:方面17或18的纖維增強復合制品，其中所述層狀單片式纖維增強材料包括其中的纖維取向為+45°和-45°的兩層。方面20:方面17-19中任一項的纖維增強復合制品，其中所述層狀單片式纖維增強材料的纖維是由碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酰胺纖維構成的組中的一種或多種。下文描述了本發(fā)明的這些和其它方面，而基于本說明書提供的描述，其它方面對本領域技術人員而言是顯而易見的。


圖1顯示了適用于增強增強聚合物制品的多種定向增強材料和無規(guī)增強材料的示意圖。圖1A顯示了機織增強材料的平面圖；圖1B顯示了無紡增強材料的立體圖；圖1C顯示了連續(xù)氈增強材料的平面圖；圖1D顯示了短切氈增強材料的平面圖。圖2A-G顯示了針刺工具進入和退出三層增強材料的一系列橫截面示意圖，該三層增強材料具有兩個定向纖維外層和無規(guī)纖維內(nèi)層。該工具適于在從增強材料中取出時捕獲纖維。圖3A-F顯示了針刺工具進入和退出三層增強材料的一系列橫截面示意圖，該三層增強材料具有兩個定向纖維外層和無規(guī)纖維內(nèi)層。該工具適于在進入增強材料時捕獲纖維。圖4A-B顯示了兩種適于在進入和退出纖維體時都捕獲纖維的雙向針刺工具的示意圖。圖5A-C顯示了可重構的針刺工具的操作的橫截面圖，其中纖維捕獲器件可以:縮回-圖5A ;定向為捕獲纖維-圖5B ;和定向為與纖維脫開-圖5C。圖顯示了可供選擇的纖維捕獲器件設計的橫截面片段。圖6顯示了三層增強材料疊層的準立體圖，該三層增強材料疊層具有延伸穿過各層以將各層聯(lián)結和結合在一起的纖維環(huán)(fiber loop)。
具體實施例方式 纖維增強聚合物復合制品在需要低質(zhì)量和高強度的情形中具有越來越多的應用。通常復合增強材料本身就是幾個不同的大體上同延的增強纖維層彼此堆疊或?qū)盈B的復合材料。增強材料可以是定向的機織或無紡纖維，或者無規(guī)布置和定位的纖維，其可以是連續(xù)纖維或短切纖維。這類增強材料的示例性實例示于圖1A-D中，且可以包括但不限于:碳纖維、玻璃纖維和芳族聚酸胺纖維。圖1A顯示了機織增強材料10的一部分，其包括布置成纖維束14的經(jīng)線纖維12，其交替地處于布置成纖維束18的緯線纖維16的上面和下面。圖1B顯示了四層無屈曲織物(NCF) 20，其中包含間隔設置的定向粗紗24、26、28、30的粗紗層25、27、29、31以層狀方式鋪設并通過經(jīng)編縫合32固定，且各粗紗均包含纖維22 (為清楚起見僅顯示一次)。圖1C顯示了無規(guī)連續(xù)纖維氈34，其中多個連續(xù)纖維36以大體上無規(guī)的方式以大體上平面但分層的構造鋪設。圖1D顯示了無規(guī)短切纖維氈38，其中短切纖維段如纖維段40 (為清楚起見以加粗線顯示)無規(guī)布置以形成大體上平面但分層的陣列?？梢岳斫獗M管為了便于查看圖1C和ID兩者顯示的纖維密度都較低，但是典型的纖維氈可以具有多得多的疊置纖維且可以具有明顯的厚度。圖2A-G顯示了如何通過具有纖維捕獲器件58的工具56的作用將一組三個獨立的且最初未連接的纖維增強層50、52、54固定成單片式增強材料。增強層50、54是定向的纖維增強材料層，此處以非限制或限定的方式顯示為類似于圖1B所示NCF的定向增強纖維粗紗的四層疊置體。非限制性地，增強層50和52可以同樣是具有更少層或更多層機織織物的NCF織物。非限制性地，增強層52顯示為類似于圖1C和ID所示的連續(xù)纖維氈或短切纖維氈中任一者的無規(guī)纖維層。在圖2A中，工具56的尖端59按箭頭57所示移動并由頂板60中的開口 64引導正好穿透定向纖維增強材料50的上纖維層51。圖2B-D中所示，工具56的繼續(xù)移動逐漸驅(qū)使工具56連續(xù)穿過增強層50、52和54，直至如圖2D所示，工具尖端59從定向增強材料54的下纖維層55中冒出并剛好接合下支撐體62的開口 63。在工具前進的整個過程中，沒有發(fā)生纖維捕獲，因為共同限定纖維捕獲器件58的捕獲表面68和引導表面66并未設置成在工具56沿箭頭57的方向前進時接合和捕獲任何工具56遇到的纖維。在圖2E時，在尖端59穿透下層定向纖維增強材料70之后，將工具56的運動方向反轉(zhuǎn)且現(xiàn)在如箭頭57’所示，使得捕獲表面68能夠與來自下層定向增強材料70的粗紗層53的纖維或如圖所示的整個粗紗層53接合，以形成粗紗環(huán)53’并將其攜帶向上穿過增強層52和50，如圖2F和2G中所示。工具56沿箭頭57’方向的繼續(xù)移動會使工具56從頂板60中的開口 64中完全脫出，從而通過放松環(huán)53’上的張力使工具的捕獲表面68與環(huán)53’脫開，工具56可以橫向移動以使環(huán)53’與捕獲器件58完全脫開從而該過程可以重復。環(huán)53’保留在圖2G中所示的位置，插入并接合增強材料層52和50。工具56的運動方向顯示為大體上與纖維增強材料的平面垂直。這并不意于限制本發(fā)明，本發(fā)明還包括使用傾斜的或偏斜的工具。可以理解所述工具的任何傾斜也會表現(xiàn)在纖維環(huán)的取向中。圖3A-F顯示了，在可供選擇的實施方案中，如何通過具有纖維捕獲器件158的工具156的作用將類似的一組三個獨立的且最初未連接的纖維增強層150、152、154固定成單片式增強材料。與圖2A-G類似，增強層150、154是定向的纖維增強材料層，具有類似于圖1B所示NCF的定向增強纖維粗紗的四層疊置體。增強層152顯示為類似于圖1C和ID中的連續(xù)纖維氈或短切纖維氈中任一者的無規(guī)纖維層。
圖3A-F中顯示的所述層的具體數(shù)量、布置和特征(定向或無規(guī)纖維、機織或無紡、每層的纖維或片層數(shù)量)僅是示例性的，并且不意于或者也不應當由所示的特定增強層設置推斷出對本發(fā)明范圍的任何限制。在圖3A中，沿方向157移動的工具156的尖端159顯示為刺穿增強層150的幾個片層，而纖維捕獲器件158尚未接合層150的上片層151。類似于圖2A-G中所示的工具56，工具156可以由與圖2A-G中顯示為(頂)板60中的開口 64和(下)支撐件62中的開口63類似的頂板開口和下支撐件開口支撐。為清楚起見，這些特征在圖3A-F中省略了。在圖3B中，工具156沿箭頭157的方向繼續(xù)前進，使得纖維捕獲器件158的捕獲表面168接合來自增強材料150的增強層151的纖維環(huán)153。引導表面166引導纖維環(huán)153與捕獲表面168接觸。沿箭頭157方向繼續(xù)前進，如圖3C所示，工具156更深地穿入由增強材料層150、152和154限定的增強材料疊層，接合原處于層150的片層151’內(nèi)的第二線環(huán)153’。在圖3D中，纖維環(huán)153和153’被拉出層150的平面并延伸穿過增強材料疊層至層154的片層155以下。這樣，纖維環(huán)153和153’橋接了層150與152之間以及層152與154之間的界面。纖維環(huán)153和153’的方向大體上垂直于層151的平面。隨著工具156沿箭頭157’方向退出(圖3D-F)，移位的纖維環(huán)153和153’現(xiàn)在插入增強層152，154，被通過摩擦和干涉方式與增強層154和152的纖維接合。施加在環(huán)153和153’上的摩擦阻止力使其與纖維捕獲器件158脫開并保持它的移位構造。工具156可以橫向移動并再次插入該增強材料疊層以重復該過程直至將適當?shù)念A設量的纖維插入相鄰的增強層。圖2A-G和3A-F中所示過程的重復進行使得多個纖維或纖維束或粗紗延伸穿過增強材料疊層的厚度。這些纖維，通過與疊層中其它纖維的摩擦接合和/或通過與疊層中其它纖維的機械干涉，在增強材料層之間產(chǎn)生足夠的結合力以提供單片式增強材料。圖2A-G和3A-F中所示的工藝意圖描述單個工具與各層之間的相互作用。為了得到延伸穿過所述層的纖維或纖維束的大體上均勻的面密度，可以使單個工具沿著基本上橫越所述增強材料的整個面積的路徑重復地插入和取出。第二種適用于更有限面積的增強材料的方法是使用適當?shù)匕仓迷诠餐闹渭蚬潭ㄑb置上的多個工具，從而所有工具可以一齊插入和抽出。對于更大的增強材料，可以采用組合方法?？梢灾貜褪褂枚喙ぞ吖潭ㄑb置并在該支撐件的基本整個面積上步進式操作，直至得到具有適合的和適當均勻的密度的延伸穿過所述層的纖維或纖維束。頂板60和下支撐件62已顯示為片狀體或板狀體，具有設置為接納往復工具56的開口。頂板60用于引導和支撐工具56,工具56如果橫截面是圓柱形那么可具有小于約0.5毫米左右的直徑，并且沒有支撐的話可能會斷裂或彎曲。而下板62用于支撐工件并確保工具56被驅(qū)入該工件而不是使它整體移動。可以采用下支撐件62的可選設計。例如，下支撐件可以是實心體或多孔體，它能夠被工具56刺穿而不會明顯使工具尖端59變鈍，例如橡膠或泡沫橡膠?？晒┻x擇地，可以使用(較)寬間隔的朝上漸尖的纖維或細柱的陣列。利用該設計時，所述纖維或柱可具有足夠大的數(shù)量和密度以支撐工件，但是又適當?shù)囟ㄎ缓透糸_以至少使向下移動的工具與支撐柱之間接觸的可能性最小化。在相關設計中，該支撐柱可制成撓性的，使得所述工具前進時的任何工具-支撐件接觸只會臨時性地使支撐件向旁邊偏轉(zhuǎn)或移動，隨著該工具退出能夠返回其未偏轉(zhuǎn)的構造。因為圖2A-G和3A-F中所示的工具的纖維捕獲行為發(fā)生在行程的不同階段，因此可以使用同時包括了纖維捕獲器件58和158的雙向工具。代表性的工具256顯示在圖4A中，并且同時包括纖維捕獲器件58和158。在操作中，更接近工具尖端259的纖維捕獲器件158首先接合增強材料疊層的上表面，并開始將纖維從該疊層的上表面運送到下表面。隨著工具256前進到該疊層中更深的位置，纖維捕獲器件58將陷入到該疊層中，但由于其取向而不能接合或捕獲任何纖維。當該工具到達其前進行程的界限并開始回退時，纖維捕獲器件158會釋放其運送的纖維，而纖維捕獲器件58會捕獲纖維并開始將它們朝上表面運送。該工具的行程和工具上的纖維捕獲器件的布置，連同該增強材料疊層的厚度，將決定纖維環(huán)的起源和范圍。然而，通常優(yōu)選該環(huán)延伸穿過所述疊層的整個厚度，以產(chǎn)生貫穿所有層的最大結合力。圖4B顯示了這類工具的第二種構造。可以理解，為了有效工作，所述工具應當造成盡可能小的纖維損傷和纖維破裂，因此優(yōu)選具有約0.5-1毫米的小橫截面的工具。但工具的幾何形狀也會影響工具造成的纖維損傷的可能性。圖4A中所示的工具尖端259和纖維捕獲器件58、158的尖角性質(zhì)可能會產(chǎn)生應力集中或者切割或損傷纖維。在圖4B中，工具356顯示為具有圓頭359，它可以有效地使纖維橫向移位使得工具356能夠插入和通過，而不像尖端259那樣可能會切割或者削弱纖維。類似地，纖維捕獲器件58’和158’雖然仍適于捕獲和保持纖維，但顯示為在兩個方向上都具有更圓滑或彎曲的外觀以使應力集中最小化并以最小的損傷促進纖維運送。顯示的工具設計表現(xiàn)出固定的幾何形狀并且在纖維運送終止時，通常在將來自一層的纖維拉動或推動穿過和插入至少第二層時，依賴纖維捕獲過程的方向性來使工具與纖維脫開。圖5A-D顯示了幾何形狀可變的工具的圖像，該工具也可以有效地將纖維運送穿過和跨越多層，但是可以更有效地使纖維損傷的可能性最小化。圖5A中顯示的具有適于穿透工件的構造的工具100由以下構成:大體上圓柱形的針(pin)78，其滑動地限制在中空圓筒形外殼80的內(nèi)表面79內(nèi)。多個纖維捕獲器件88在靠近端部92處以樞軸方式釘在圓柱形針78的樞軸94處，并接合外殼80中的多個同樣的開口 82之一。附連到針78的樞軸94與位于外殼80中的開口 82的相對位置決定了纖維捕獲器件88的取向。如圖5A和5B中所示，通過使針78相對于外殼80移動來改變樞軸與開口的相對位置，使得能夠大體上同時調(diào)節(jié)所有纖維捕獲器件86的取向。在圖5A中，針78和外殼80設置為使得纖維捕獲器件88 —端支撐在樞軸94上而接近其另一端部90則支撐在開口 82的下緣84上。因此，纖維捕獲器件88幾乎全部縮回到外殼80內(nèi)使得僅一部分延伸到外殼80之外。在這種構造中，可以將工具100沿箭頭96的方向?qū)牍ぜ校w維捕獲器件88對與外殼外表面81接觸的工件纖維98造成損傷的可能性很小。在圖5B中，工具100的運動方向反轉(zhuǎn)為如箭頭104所示。同樣，針78已經(jīng)沿箭頭91的方向相對于外殼80移位，因而同樣使纖維捕獲器件88沿箭頭91的方向移位。因為其與開口 82接合，器件88會被開口上緣86或開口下緣84所引導，從而使其外端旋轉(zhuǎn)并進入更適合的纖維捕獲取向和伸展，使得器件88的端部90伸出到外殼80的外表面81之外。如圖5B所示，在這種構造中，器件88非常適合于接合任何臨近外殼外表面81的纖維。如圖5C中所示，針78相對于外殼80的進一步相對運動可致使纖維捕獲器件88進一步伸展并進一步旋轉(zhuǎn)到不適于捕獲和保持纖維的傾斜取向。在這種構造中，一旦工具100沿箭頭104的方向繼續(xù)運動，則纖維98可能“滾落”并與器件88脫開。通過使針78沿與箭頭90相反的方向相對于外殼80移動將工具100重置為圖5A的構造，使得能夠重復該循環(huán)。取決于纖維捕獲器件88運動的角度范圍，使其雙向操作也是可行的。如果工具100的運動方向反轉(zhuǎn)，那么僅通過適度的進一步旋轉(zhuǎn)，纖維捕獲器件88即可取向為捕獲纖維。因此，工具100可以單向或雙向操作。通過使用曲線更平滑的纖維捕獲器件可以進一步最小化對纖維的損傷，例如圖
的片段視圖中所示的“逗號形”設計88’，其中同時顯示了縮回(實線)的構造和伸展(虛線)的構造。圖6顯示了單片式層狀增強材料的準透視圖。三層疊層300包括增強層250、252和254，其顯示為機織纖維層250、254和短切纖維氈層252。這些層通過多個(未示出)纖維環(huán)聯(lián)結和結合到一起，該纖維環(huán)可以包括獨立的代表性的環(huán)構造253、353、253’、353’、253”、353”中的一種或多種，為清楚起見全都以粗線顯示。環(huán)353從機織層254延伸，穿過并插入層252的纖維之間，并進一步插入層250的機織纖維中。環(huán)253從機織層250延伸，穿過并插入層252的纖維之間并進一步插入層254的機織纖維中。范圍較小的環(huán)253’和353’源自無規(guī)纖維層252，并分別插入機織纖維層250和254中，而環(huán)253”和353”分別源自機織纖維層250和254，并且僅延伸穿過該疊層的部分，并插入無規(guī)層252。圖6中所示的代表形式是示例性的而非限制性的。例如，也可以使用其它纖維層構造，且這類可供選擇的纖維層構造可采用與所示的那些不同的環(huán)構造。并且，并非所有可能的環(huán)構造都可以在具體的增強材料中找到?？梢酝ㄟ^以下步驟制造包含這類單片式增強材料的纖維增強聚合物制品，所述步驟不是必須以所列的順序?qū)嵤?，特別地，可優(yōu)選在將增強材料放入模具中之后再向增強材料中充入聚合物前體:以面對面的方式將多個大體上平面的、大體上同延的含纖維增強材料層層疊置來組裝層狀增強材料；將預選部分的纖維由該層狀增強材料的至少一層運送到該增強材料的平面之外并將它們拉動或推動到該層的平面之外跨越至少一個層邊界以將所述纖維插入增強材料的至少第二層以將所述增強材料層固定在一起；和重復操作直至通過從一層延伸并與至少相鄰層接合的纖維將所有層彼此結合；用足以潤濕所有纖維并填充模具型腔的量的聚合物前體浸潰該增強材料；使經(jīng)聚合物前體浸潰的增強材料成型為預選的適于制造所述制品的幾何形狀從而形成預浸料坯；將該預浸料坯放入具有限定所需制品形狀的內(nèi)部型腔的模具中；封閉該模具以使預浸料坯符合模腔的形狀、壓緊該預浸料坯并將聚合物前體轉(zhuǎn)移和分布到整個模具型腔；和固化經(jīng)成型的預浸料坯中的聚合物前體以形成纖維增強的聚合物制品。也可以采用單側真空袋模制法或蒸壓罐模制法。在這種情形中，可以將預浸料坯放置在模具型腔的一半中，并施加壓力以使預浸料坯符合模具的形狀。已經(jīng)通過參照某些優(yōu)選實施方案舉例說明了本發(fā)明的實施，這些優(yōu)選實施方案是示例性的而非限定性的。本發(fā)明的完整范圍僅由以下權利要求定義和限定。
權利要求
1.關于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料，其包括: 大體上平面的第一纖維層，其具有橫向范圍且包含定向纖維，該定向纖維層與包含無規(guī)取向纖維的大體上平面的第二纖維層大體上同延且以面對面的方式接觸； 定向纖維層中預選數(shù)量的定向纖維延伸到該定向纖維層之外并插入無規(guī)纖維層中以與該無規(guī)纖維層的至少一些無規(guī)纖維形成接合和干涉以將該無規(guī)纖維層穩(wěn)固地結合到定向纖維層上； 延伸到定向?qū)又獾睦w維大體上均勻地分布在該定向纖維層的橫向范圍上。
2.權利要求1的層狀單片式纖維增強材料，其中所述定向纖維層是機織的。
3.權利要求1的層狀單片式纖維增強材料，其中定向纖維增強材料是無紡的。
4.權利要求1的層狀單片式纖維增強材料，其中定向無紡纖維層是多層無屈曲織物。
5.權利要求1的層狀單片式纖維增強材料，其中所述纖維是由碳纖維、玻璃纖維和芳族聚酰胺纖維構成的組中的一種或多種。
6.關于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，該方法包括: 將至少一具有面積并包含定向纖維的纖維層放置為與同延的包含無規(guī)取向纖維的無規(guī)纖維層面對面接觸； 將預選數(shù)量的定向纖維由定向纖維層運送到無規(guī)纖維層使得該預選數(shù)量的纖維形成延伸到所述增強材料的平面以外的環(huán)，使該環(huán)插入無規(guī)層中以與該無規(guī)層中的至少一些無規(guī)纖維形成接合和干涉，以將定向纖維層穩(wěn)固地結合到無規(guī)纖維層上； 該環(huán)大體上均勻地分布在定向纖維層的面積上。
7.權利要求6的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，進一步包括以下步驟:將預選數(shù)量的無規(guī)纖維由無規(guī)纖維層運送到該無規(guī)層之外并使該預選數(shù)量的無規(guī)纖維插入定向纖維層中，使得所述無規(guī)纖維與定向?qū)又械闹辽僖恍┒ㄏ蚶w維形成接合和干涉以將無規(guī)纖維層穩(wěn)固地結合到定向纖維層上，所述插入的無規(guī)纖維大體上均勻地分布在定向纖維層的面積上。
8.權利要求6的用于增強聚合物制品的層狀單片式纖維增強材料的制備方法，其中所述增強材料進一步包括與第一定向纖維層大體上同延的第二定向纖維層，無規(guī)纖維層位于兩者之間并與第一和第二定向纖維層以面對面的方式接觸；且其中預選數(shù)量的定向纖維由第一定向纖維層運送到第一定向?qū)拥钠矫嬷獠⒉宕o規(guī)纖維層并至少進入第二定向纖維層中，并且其中通過以下步驟將定向纖維由第一定向纖維層運送到第二定向纖維層: 將工具插入第一定向纖維層的一位置，該工具在一位置具有至少一單向纖維捕獲器件，該單向纖維捕獲器件定向為在退出時接合至少一纖維；然后 使該工具前進直至至少所述纖維捕獲器件穿透第二定向纖維層；然后使該工具的運動方向反轉(zhuǎn)以使該工具從第二定向纖維層中退出，使得所述單向纖維捕獲器件從第二定向纖維層中捕獲至少一個定向纖維； 使該工具繼續(xù)退出，直至它離開第一定向纖維層從而將捕獲的定向纖維由第二定向纖維層拉入第一定向纖維層中以使該捕獲的定向纖維插入第一定向纖維層中；和 任選地，將該工具重新安置在另一位置并重復以上步驟直至將預設數(shù)量的纖維由第二定向纖維層運出并插入第一定向纖維層中。
9.維增強復合制品，包括由單片式纖維增強材料增強的聚合物基質(zhì)，該單片式纖維增強材料包括至少兩個在界面處面對面的大體上平面的、同延的增強層，各增強層包含增強纖維； 通過將預選數(shù)量的纖維從至少一個增強材料中運送到該增強材料的平面外并越過層界面以將它們至少插入所有其它層中，使得所有其它增強層的纖維與第一層增強材料的纖維形成接合和干涉以聯(lián)結所述層，來將所述單片式增強材料的各層彼此穩(wěn)固地結合。
10.權利要求9的纖維增強復合制品，其中所述層狀單片式纖維增強材料包括第一定向纖維層、第二定向 纖維層和位于第一和第二定向纖維層之間的無規(guī)纖維層。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于增強聚合物的單片式纖維增強材料、其制備方法和包含它的纖維增強復合制品。在實施方案中，單片式增強材料是通過以下步驟制備的首先將內(nèi)部的無規(guī)取向纖維層組裝在兩個外部的定向纖維層之間。所有層面對面接觸，將預選數(shù)量的纖維由定向?qū)舆\送到該定向?qū)又獠⒋┤胫辽僭摕o規(guī)纖維層，使得運送的纖維與無規(guī)纖維形成接合和機械干涉及摩擦干涉。為了得到更大的干涉，可以將纖維由一個定向?qū)舆\送到另一個。形成干涉的纖維起到將所述層固定和聯(lián)結在一起的作用，制得單片式增強材料，它在用聚合物前體浸漬、成型并固化后可以結合到聚合物增強復合制品中。
文檔編號B29C70/16GK103085287SQ201210432489
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權日2011年11月2日
發(fā)明者E.J.伯格, J.N.歐文斯, C-S.王, H.G.基亞 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作有限責任公司