柔性復(fù)合材料體系和方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本申請(qǐng)要求2013年3月13日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)No. 61/780, 821的優(yōu)先權(quán)， 該專(zhuān)利申請(qǐng)通過(guò)引用以其整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明廣泛涉及改善的柔性復(fù)合材料，并且更具體地涉及包含單方向的纖維增強(qiáng) 的層和網(wǎng)布增強(qiáng)材料的改善的柔性復(fù)合材料；以及涉及制造其的方法。
[0004] 發(fā)明背景
[0005] 柔性復(fù)合材料廣泛用于要求機(jī)械柔韌性和高的強(qiáng)度與重量比的應(yīng)用中。盡管柔性 復(fù)合材料可以被看作是較大的主體復(fù)合材料的一個(gè)專(zhuān)門(mén)的子集，但它們?cè)谠S多特定技術(shù)領(lǐng) 域的重要性是非常顯著的。
[0006] 顧名思義，復(fù)合材料組合了兩個(gè)或多個(gè)構(gòu)成材料，以形成聯(lián)合的材料組合物。柔性 復(fù)合材料的一個(gè)實(shí)例將是嵌入一排柔性纖維中的聚合物基質(zhì)。
[0007] 可設(shè)想運(yùn)用柔性復(fù)合材料于許多技術(shù)領(lǐng)域，從簡(jiǎn)單的消費(fèi)產(chǎn)品到先進(jìn)的航空航天 應(yīng)用。因此，用于快速且經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)高質(zhì)量柔性復(fù)合材料的體系將是非常有利的。
[0008] 發(fā)明概述
[0009] 本公開(kāi)的各種實(shí)施方式通常包含柔性復(fù)合材料，該柔性復(fù)合材料包含網(wǎng)布增強(qiáng)材 料。復(fù)合材料包含一個(gè)或多個(gè)單方向的纖維增強(qiáng)的層，每個(gè)層均具有涂布有粘合劑的薄薄 地展開(kāi)的平行纖維（這些層被稱(chēng)為"單向帶"（unitape))。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可以使 用纖維束制造薄單向帶層，該纖維束由多個(gè)單絲組成，所述單絲與聚合物樹(shù)脂組合并通過(guò) 旋轉(zhuǎn)模頭來(lái)被拉擠，使得單絲被展開(kāi)并彼此平行地取向。根據(jù)另一個(gè)方面，復(fù)合材料包含紡 織或無(wú)紡的增強(qiáng)輔置網(wǎng)布（laid scrim)。輔置網(wǎng)布是由連續(xù)的長(zhǎng)絲紗線以開(kāi)放的網(wǎng)孔構(gòu) 造制成的成本更低的增強(qiáng)織物。輔置網(wǎng)布的制造方法使無(wú)紡紗線化學(xué)地結(jié)合在一起，采用 獨(dú)特的特性使網(wǎng)布增強(qiáng)。輔置網(wǎng)布是向復(fù)合材料添加纖維增強(qiáng)材料的一種有成本效益的方 式，尤其是在偏斜的取向上（例如約+/-30°，+/-45°，+/-60° )，因?yàn)樘砑訂蜗驇苯粚?的添加處理步驟被略過(guò)并且用插入預(yù)制的網(wǎng)布替代。輔置網(wǎng)布可以被預(yù)先涂布粘合劑、預(yù) 先層壓成支撐薄膜，或者必要時(shí)可以將其夾在單向帶層之間并在適當(dāng)位置用膠粘。
[0010] 本公開(kāi)的另一個(gè)實(shí)施方式通常包含帶間隙的柔性復(fù)合材料，其由兩個(gè)或多個(gè)層的 單向帶制成，該單向帶具有無(wú)粘合劑和無(wú)纖維的間隔，以形成網(wǎng)布。使用纖維束制造薄單向 帶層，該纖維束由多個(gè)單絲組成，所述單絲與聚合物樹(shù)脂組合并通過(guò)旋轉(zhuǎn)模頭來(lái)被拉擠，使 得單絲被展開(kāi)并彼此平行地取向。該實(shí)施方式的關(guān)鍵特征是構(gòu)成單向帶的纖維被展開(kāi)，并 且要么，纖維之間的距離是帶間隙的，使得在每組單絲之間形成無(wú)粘合劑和無(wú)纖維的間隔， 要么，在單絲已經(jīng)被展開(kāi)后去除纖維絲束，得到類(lèi)似帶間隙的單向帶。通過(guò)將這些單向帶層 的兩個(gè)或多個(gè)結(jié)合在一起來(lái)形成網(wǎng)布。額外的薄膜、隔膜、織物、隨機(jī)取向的無(wú)紡物、取向的 無(wú)紡物、網(wǎng)布或涂層可以被應(yīng)用于外表面，或者在該復(fù)合材料內(nèi)形成層。
[0011] 各種實(shí)施方式包括由工程纖維構(gòu)成的隨機(jī)取向的無(wú)紡物、或取向的無(wú)紡物的 增強(qiáng)類(lèi)型，工程纖維例如但不限于UHMffPE (例如Spectra?，pyneem:a_ )、芳綸（例如 Kevlar? )、液晶聚合物（例如Vectran? )、各種等級(jí)的碳纖維、PBO(例如Zyion? )、尼 龍、聚酯（Rayon)、PEN、Nomex和其他防火材料、高溫纖維、鋼或其他金屬纖維，以及它們的 組合。這些增強(qiáng)層可以被粘合、熔融、浸漬、擠出或涂布，以使增強(qiáng)材料與單片薄膜（PET、尼 龍、ECTFE、氨基甲酸酯等）、透氣隔膜（特氟龍、氨基甲酸酯、微孔等）、溶劑或水基分散體、 紡織或無(wú)紡織物、皮革、單方向的帶或其他層組合。
[0012] 在各種實(shí)施方式中，本公開(kāi)涵蓋了制造柔性復(fù)合材料的方法，所述方法包括：提供 至少一個(gè)網(wǎng)布層，并將至少一個(gè)紡織織物、無(wú)紡織物和/或隔膜層結(jié)合到所述至少一個(gè)網(wǎng) 布層上。在各種實(shí)施方式中，網(wǎng)布層包含至少兩個(gè)單方向的帶層，該帶層還包含多個(gè)平行的 纖維束，該纖維束包含在粘合樹(shù)脂中的單絲，其中纖維束是由間隙分隔的。在各種實(shí)施方式 中，網(wǎng)布層包含市售的紡織或無(wú)紡增強(qiáng)鋪置網(wǎng)布。在各種實(shí)施方式中，本方法還包括如下步 驟：添加透氣或不透氣的粘合劑來(lái)填充所述間隙。
[0013] 在各種實(shí)施方式中，制造柔性復(fù)合材料的方法包括：通過(guò)如下步驟來(lái)生產(chǎn)包含纖 維束的薄單向帶層，所述纖維束由多個(gè)單絲組成，所述步驟為將所述單絲與聚合物樹(shù)脂組 合并通過(guò)旋轉(zhuǎn)模頭拉擠所述單絲，使得所述單絲通過(guò)間隙展開(kāi)并彼此平行地取向；通過(guò)將 至少兩個(gè)所述薄單向帶層組合來(lái)生產(chǎn)網(wǎng)布層；并且將至少一個(gè)紡織織物、無(wú)織織物、和/或 隔膜層結(jié)合到至少一個(gè)所述網(wǎng)布層上。在各種實(shí)施方式中，該方法還包括去除多絲的步驟， 以產(chǎn)生和/或以增強(qiáng)所述間隙。在各種實(shí)施方式中，該方法還包括如下步驟：添加透氣或不 透氣的粘合劑來(lái)填充所述間隙。
[0014] 附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明
[0015] 圖1示出了示意性表示根據(jù)本公開(kāi)的產(chǎn)品的部分透視圖，其中單向帶在兩個(gè)方向 上取向，并與網(wǎng)布和外表面涂層組合，以形成復(fù)合材料。
[0016] 圖2示出了示意性表示根據(jù)本公開(kāi)的產(chǎn)品的部分透視圖，其中具有間隙的單向帶 在兩個(gè)方向上取向，并與外表面涂層組合，以形成復(fù)合材料。
[0017] 發(fā)明詳述
[0018] 下面的描述僅僅是各種示例性實(shí)施方式，并且不意圖以任何方式限制本公開(kāi)的范 圍、適用性或配置。更確切地說(shuō)，下面的描述是為了便于說(shuō)明各種實(shí)施方式（包括最佳方 式）的實(shí)施。如將顯而易見(jiàn)地，在不脫離本公開(kāi)的原理的情況下，可以對(duì)這些實(shí)施方式中所 描述的特征的功能和排布進(jìn)行各種改變。
[0019] 如本文中更詳細(xì)描述的，本公開(kāi)的各種實(shí)施方式通常包含柔性復(fù)合材料，該柔性 復(fù)合材料包含至少一個(gè)網(wǎng)布增強(qiáng)材料。
[0020] 表1提供了可用于本公開(kāi)的各個(gè)部分的定義和術(shù)語(yǔ)表。
[0021] 表1:定義和術(shù)語(yǔ)簡(jiǎn)表
[0022]
[0023] 網(wǎng)布增強(qiáng)的柔性復(fù)合材料
[0024] 根據(jù)各種實(shí)施方式，本公開(kāi)提供了一種復(fù)合材料，其包含網(wǎng)布增強(qiáng)元件和至少兩 個(gè)單方向的帶，在帶中具有單絲，所有這種單絲以預(yù)定的方向置于帶內(nèi)，其中這種單絲的直 徑小于約60微米，并且其中在一組鄰近的強(qiáng)化單絲內(nèi)各條單絲之間的間隔在如下范圍內(nèi)： 鄰接和/或堆疊的單絲之間的間隙距離至所述單絲主直徑的約300倍。
[0025] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，可以使用纖維束制造薄單向帶層，該纖維束由多個(gè)單絲 組成，所述單絲與聚合物樹(shù)脂組合并通過(guò)旋轉(zhuǎn)模頭來(lái)被拉擠，使得單絲被展開(kāi)并彼此平行 地取向。根據(jù)另一個(gè)方面，復(fù)合材料包含紡織或無(wú)紡增強(qiáng)輔置網(wǎng)布，例如由Saint-Gobain ADFORS生產(chǎn)的材料。
[0026] -般來(lái)說(shuō)，輔置網(wǎng)布是由連續(xù)的長(zhǎng)絲紗線以開(kāi)放的網(wǎng)孔構(gòu)造制成的成本更低的增 強(qiáng)織物。輔置網(wǎng)布的制造方法使無(wú)紡紗線化學(xué)地結(jié)合在一起，采用獨(dú)特的特性使網(wǎng)布增強(qiáng)。 輔置網(wǎng)布是向復(fù)合材料添加纖維增強(qiáng)材料的一種有成本效益的方式，尤其是在偏斜的取向 上（例如約+/-30°，+/-45°，+/-60° )，因?yàn)樘砑訂蜗驇苯粚樱╞ias plies)的添加處 理步驟被略過(guò)并且用插入預(yù)制的網(wǎng)布替代。輔置網(wǎng)布可以被預(yù)先涂布粘合劑、預(yù)先層壓成 支撐薄膜，或者必要時(shí)可以將其夾在單向帶層之間并在適當(dāng)位置用膠粘。
[0027] 額外的薄膜、輔置網(wǎng)布、隔膜、織物或涂層可以被應(yīng)用于外表面，或者在該復(fù)合材 料內(nèi)形成層。
[0028] 可用于本體系的網(wǎng)布纖維類(lèi)型包括但不限于：尼龍、聚酯、UHPWPE(Spectra， Dyneema)，對(duì)芳纟侖（Kevlar，Nomex，Technora，Twaron)、液晶聚合物（Vectran)、聚酰亞胺、 其他合成聚合物（PBO、PBI、PIBT、PBZT、PLA、PPTA)、金屬纖維、玻璃纖維或其任意組合。
[0029] 網(wǎng)布特征和益處包括：尺寸穩(wěn)定性、抗張強(qiáng)度、耐撕裂性。
[0030] 表2:技術(shù)能力和網(wǎng)布特性
[0033] 網(wǎng)布構(gòu)造模式
[0034] 在各種實(shí)施方式中，用于本公開(kāi)的柔性復(fù)合材料的各種實(shí)施方式中的網(wǎng)布 構(gòu)造模式包括但不限于"肩并肩"（side-by-side)、"上/下"（over/under)、"三方 向"（tri-directional)、"四方向"（quad-directional)和"復(fù)合"，其中的每一種詳細(xì)描述 于下表3中。
[0035] 表3 :構(gòu)造模式：
[0036]