碳素纤维强化复合材料接合体 |
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| 申请号 | CN201280006913.3 | 申请日 | 2012-01-26 | 公开(公告)号 | CN103402753B | 公开(公告)日 | 2016-10-05 |
| 申请人 | 帝人株式会社; | 发明人 | 手岛雅智; 山路正; 铃木康司; 八木穣; | ||||
| 摘要 | 提供了一种接合体，其中，具有其中短切 碳 素 纤维 在热塑性 树脂 中不规则地定向的每个不规则层以及其中连续的碳素纤维在热塑性树脂内单向地排布的单向材料层的至少一个层的加强材料已经以制造空心闭合截面的方式被振动 焊接 到作为开放的截面的被强化的材料，并且该被强化材料具有从由不规则层和单向材料层组成的组中选出的至少一个层。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种接合体，包含： |
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| 说明书全文 | 碳素纤维强化复合材料接合体技术领域背景技术[0002] 近年来，包含基质树脂和诸如碳素纤维的强化纤维的所谓的纤维强化复合材料已经在机器领域成为焦点。部件和结构的生产所需的这样的纤维强化复合材料的接合通常通过使用设置用于提高刚度的闭合截面的方法来执行。包含作为基质的热塑性树脂的纤维强化复合材料通过利用螺栓和螺母、铆钉等的机械手段、或通过利用粘合剂来接合。然而，利用螺栓、螺母等的机械接合通常导致重量的增加。另外，在所述复合材料中的接合位置处的应力集中，并且在最坏的情况下，可能发生从第一个应力集中点开始的连锁破坏。粘合剂接合通常需要一定厚度的粘合剂层以提供强度，以及特别是大量的用于大部件的接合的粘合剂。这提高了在所得部件中引起的重量显著增加的担心。另一个缺点是仅粘合剂几乎不能提供充足的强度。此外，在能够达到实际强度之前，使用粘合剂通常花费很长时间，并且，需要固化工序（允许粘合剂发挥其粘合效果并且稳定化的静态工序）。 [0003] 在用于提高接合体自身的强度的途径中，发泡剂和强化板紧密设置在闭合截面的内侧，如在专利文献1中所述。然而，问题是，在闭合截面内部的附加部件不利于大量生产。在专利文献1中具体描述的强化板是由碳素纤维和热固性树脂组成的纤维强化复合材料，并且对于由碳素纤维和热塑性树脂组成的纤维强化复合材料的接合，还没有确立充分的技术。 [0004] 现有技术文献 [0005] 专利文献 [0006] 专利文献1：JP-A-2000-38157 发明内容[0007] 本发明要解决的问题 [0008] 本发明的目的是提供一种包含作为基质的热塑性树脂的碳素纤维强化复合材料接合体，具有极好的强度、刚度、灵活性、并且易于大量生产。 [0009] 解决问题的方案 [0010] 本发明了进行了透彻研究以解决前述问题，并且发现，通过振动焊接具有包含碳素纤维和热塑性树脂的特定的层结构的强化件与包含碳素纤维和热塑性树脂的被强化件而形成的特定构造的接合体表现出极为优异的特性，并从而已经完成了本发明，本发明的主旨如下。 [0011] 1一种接合体，包含： [0012] 强化件，该强化件具有：至少一个不规则层，其中，短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向；以及至少一个单向材料层，其中，连续的碳素纤维单向地排布在热塑性树脂中；以及 [0013] 带有开放的横截面形状的被强化件，该被强化件具有从由不规则层和单向材料层组成的组中选出的至少一个， [0014] 其中，振动焊接所述强化件和所述被强化件，以形成空心的闭合横截面。 [0015] 2根据1所述的接合体， [0016] 其中，所述强化件具有包括作为芯材的所述不规则层以及作为表层的所述单向材料层的层结构。 [0017] 3根据1所述的接合体， [0018] 其中，所述强化件具有包括作为芯材的所述单向材料层和作为表层的所述不规则层的层结构。 [0019] 4根据1至3的任意一项所述的接合体， [0020] 其中，所述强化件具有三维形状，该强化件具有所述不规则层和所述单向材料层，该不规则层和单向材料层是通过在模具中分别压制其中短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向的所述不规则碳素纤维强化复合材料以及其中连续的碳素纤维单向地排布在热塑性树脂中的连续的碳素纤维强化复合材料而形成。 [0021] 5根据1至4的任意一项所述的接合体， [0022] 其中，包含在所述不规则层中的所述短切碳素纤维具有10到100mm的纤维长度。 [0023] 6根据1至5的任意一项所述的接合体， [0024] 其中，所述强化部件相对于所述不规则层的总体积包含5至100Vol%的所述单向材料层。 [0025] 7根据1至6的任意一项所述的接合体， [0026] 其中，所述强化件在所述不规则层中相对于100重量份的所述短切碳素纤维包含50至1000重量份的所述热塑性树脂。 [0027] 8根据1至7的任意一项所述的接合体， [0028] 其中，所述强化件在所述单向材料层中相对于100重量份的所述连续的碳素纤维包含30至200重量份的所述热塑性树脂。 [0029] 9根据1至8的任意一项所述的接合体， [0030] 其中，所述单向材料层是所述连续的碳素纤维单向地排布在其中的单向材料中的所述热塑性树脂的浸渍或部分浸渍产品。 [0031] 发明的优点 [0032] 本发明的包括具有不规则层和单向材料层的强化件的接合体展示出与包括仅具有不规则层的强化件的接合体的强度和刚度可比较的强度和刚度，同时重量更轻。此外，与包括仅具有单向材料层的强化件的接合体相比，本发明的接合体在除了纤维方向的其它方向上的刚度和强度极为优异。另外，因为本发明的接合体通过振动焊接而接合到被强化件，所以与通过使用普通粘结剂接合的接合体相比，该接合体在大量生产和接合强度方面更有优势。附图说明 [0033] 图1是示出本发明的接合体的示例性结构的示意图。 [0034] 图2是示出包含在本发明的接合体中的强化件的示例性结构的示意图。 [0035] 图3是示出包含在本发明的接合体中的强化件的示例性结构的示意图。 [0036] 附图标记列表 [0037] 1 强化件 [0038] 2 被强化件 [0039] 3 不规则层 [0040] 4 单向材料层 具体实施方式[0041] 本发明是通过如下的振动焊接而制造的接合体： [0042] 强化件，该强化件具有：至少一个不规则层，其中，短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向，以及至少一个单向材料层，其中，连续的碳素纤维单向地排布在热塑性树脂中（与包含在所述不规则层中的所述热塑性树脂相同或不同）；以及 [0043] 带有开放的截面形状的被强化件，该被强化件具有：从由不规则层（短切碳素纤维和热塑性树脂可以与包含在所述强化件的所述不规则层中的那些相同或不同）和单向材料层（连续的碳素纤维和热塑性树脂可以与包含在所述强化件的所述单向材料层中的那些相同或不同）组成的组中选出的至少一个，其中 [0044] 振动焊接所述强化件和所述被强化件，以形成空心的闭合截面。 [0045] 简单地，本发明是碳素纤维强化复合材料的接合体。 [0046] 下面将描述本发明的接合体的实施例。图1表示本发明的接合体的实例。需要注意的是，本发明不限于这些。 [0047] 下面将描述本发明的每个要素。 [0048] [强化件] [0049] 包含在本发明的接合体中的强化件具有：至少一个不规则层，其中，短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向，以及至少一个单向材料层，其中，连续的碳素纤维单向地排布在热塑性树脂中（可以与包含在不规则层中的热塑性树脂相同或不同）。图2表示具体的实例。 [0050] 当包含在本发明的接合体中的强化件具有作为优选的层结构的帽状时，例示出了：内侧的全部或一部分、外侧的全部或一部分、内外侧的全部、内外侧的一部分、或者外侧或内侧中一侧的一部分及另一侧的全部层叠在另外的层上的实施例。这里，“另外的层”可以在分割成多个部分的同时层叠。作为具体实例，图3示出了具有包含至少一个不规则层和至少一个单向材料层的层结构的帽状的强化件的示例性结构。不用说，在图3示出的层结构中，具有其中不规则层和单向材料层互换的结构的强化件也可以优选地用于本发明的接合体。 [0051] 称为强化件的是：带有优选的具有作为芯材的不规则层和作为表层的单向材料层的层结构的强化件、或带有具有作为芯材的单向材料层和作为表层的不规则层的层结构的强化件。 [0052] 此外，优选地作为强化件的是具有包括不规则层和单向材料层的三维形状的强化件，所述不规则层和单向材料层是通过在模具中分别压制其中短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向的所述不规则碳素纤维强化复合材料以及其中连续的碳素纤维单向地排布在热塑性树脂（可以是与容纳在不规则碳素纤维强化复合材料中的那些相同或不同的热塑性树脂）中的连续的碳素纤维强化复合材料而形成。 [0053] 此外，优选地作为强化件的是包含相对于不规则层的总体积的5至100Vol%的量的单向材料层的强化件，换句话说，相对于被看作为不规则层的总体积的100体积份，5至100体积份的单向材料层。 [0054] [被强化件] [0055] 包含在本发明的接合体中的被强化件是带有开放的横截面形状的部件，具有从由不规则层（短切碳素纤维和热塑性树脂可以与包含在强化件的不规则层中的那些相同或不同）和单向材料层（连续的碳素纤维和热塑性树脂可以与在包含在强化件的单向材料层中的那些相同或不同）组成的组中选出的至少一个。如在这里使用的，“开放的横截面形状”是指诸如盒子横截面形状这样的截面不闭合的形状。图1表示了具体实例。 [0056] [不规则层] [0057] 包含在本发明中的接合体的强化件和被强化件中的不规则层是其中短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向的层。优选地，不规则层容纳具有10到100mm的纤维长度的短切碳素纤维。而且优选地，短切碳素纤维在所述层中按照实质上二维方式以25到3000g/m2的纤维面积重量不规则地定向。如在这里使用的，以实质上二维方式不规则地定向的短切碳素纤维是指：短切碳素纤维具有在不规则层的接触面中的纤维轴的主要定位方向，并且通过将沿着平面内的两个垂直方向测量的较大的拉伸模量除以较小的拉伸模量而获得的比率不超过二。 [0058] 优选地，通过控制开纤的程度，不规则层包括一束的至少特定数量的短切碳素纤维，以及特定比例的其它开纤的短切碳素纤维。 [0059] 在不规则层中，优选地，热塑性树脂相对于100重量份的短切碳素纤维以50至1000重量份存在，更加优选的是50至400重量份，进一步优选的是50到100重量份。当热塑性树脂相对于100重量份的短切碳素纤维小于50重量份时，干燥的短切碳素纤维的数量会增加。当超过1000重量份时，短切碳素纤维将不足，并且会形成不适合作为结构材料的材料。 [0060] 优选地，不规则层是通过将其中短切碳素纤维在热塑性树脂中不规则地定向的不规则碳素纤维强化复合材料模制成层状而获得的层。 [0061] 此外，假设它不与本发明的效果冲突，那么除了短切碳素纤维和热塑性树脂之外，不规则层可以包含第三部件（例如，诸如富勒烯或碳纳米管这样的其它碳材料，诸如热固性树脂、金属、陶瓷、玻璃、或其它各种添加物这样的不同材料）。 [0062] 在本发明的接合体的强化件或被强化件具有多个不规则层的情况下，仅一个、多个或全部的层都可以满足前述优选的形式。 [0063] [单向材料层] [0064] 本发明的接合体的强化件和被强化件中的单向材料层是指：其中连续的碳素纤维在热塑性树脂中单向地排布的层（可以与包含在不规则层中的相同或不同）。在本发明中，“单向材料”是指连续的碳素纤维。 [0065] 本发明中使用的单向材料可以是：多个连续的碳素纤维的堆叠体；或着通过在穿透一堆叠体（多轴织物基材）的同时沿着表面方向在堆叠体的前侧和后侧之间的往复运动而获得的多轴织物，在该堆叠体中，由连续的碳素纤维束制成的板以该板的不同角度堆叠，并且利用诸如尼龙纱线、聚酯纱线以及玻璃纤维纱线这样的缝合纱线在织物的厚度方向上缝合该板。 [0066] 组成单向材料层的连续的碳素纤维的平均纤维直径优选地是3到12μm，更加优选地是5至7μm。 [0067] 在包含在本发明的接合体中的强化件或被强化件中的单向材料层中，优选地，热塑性树脂相对于100重量份的碳素纤维以30至200重量份存在，更优选是40至100重量份。 [0068] 此外，单向材料层优选地是连续的碳素纤维强化复合材料的模制层产品，其中，通过例如在包含单向地排布的连续的碳素纤维的单向材料中浸渍或部分浸渍热塑性树脂，使连续的碳素纤维单向地排布在热塑性树脂中。 [0069] 此外，假设其不与本发明的效果相冲突，那么除了连续的碳素纤维和热塑性树脂之外，单向材料层可以包含第三部件（例如，诸如富勒烯或碳纳米管这样的其它碳素材料，诸如热固性树脂、金属、陶瓷、玻璃或其它各种添加物这样的不同材料）。 [0070] 当本发明的接合体的强化见或被强化件具有多个单向材料层时，仅一个、多个或全部的层可以满足前述优选的形式。 [0071] [热塑性树脂] [0072] 本发明的接合体的强化件和被强化件的不规则层或单向材料层包含作为基质（树脂）的热塑性树脂。优选作为热塑性树脂的是至少从由聚酰胺、聚碳酸酯、聚甲醛、聚亚苯基、聚苯硫醚、聚苯醚、改性的聚苯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯、聚乙烯奈、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、AS树脂、ABS树脂等，以及两个以上这些树脂的树脂组合物构成的组中选出的至少一个。考虑到成本和特性，特别优选是从由聚酰胺、聚丙烯、聚碳酸酯、聚苯硫醚，以及两种以上这些树脂的树脂组合物构成的组当中选择的至少一个。 [0073] 在本发明的接合体中，包含在强化件和被强化件的不规则层和单向材料层中的热塑性树脂可以相同或不同。 [0074] 在本发明中，能够使用已知的捏合、浸渍和模制技术，用于热塑性树脂与短切碳素纤维的混合，以形成不规则层和单向材料层。 [0075] [短切碳素纤维] [0076] 在本发明中，包含在不规则层中的短切碳素纤维是长度短的切断的碳素纤维，并且可以使用已知的通过使用上浆剂而捆束的包括碳素纤维的产品，并且也可以使用各种不同类型和品牌。优选的用在本发明中的短切碳素纤维如上所述地与不规则层有关。 [0077] 此外，在本发明中，当被强化件具有不规则层时，包含在不规则层中的短切碳素纤维可以与包含在强化件的不规则层中的短切碳素纤维可以相同或不同。 [0078] [连续的碳素纤维] [0079] 在本发明中，包含在单向材料层中的连续的碳素纤维是指纤维长的碳素纤维，其不经受诸如切断、碾磨和研碎等制造短纤维的加工并且无晶须。 [0080] 在本发明中，已知的各种不同类型和品牌的产品能够用作连续的碳素纤维。优选地用在本发明中的连续的碳素纤维如上所述地与不规则层有关。 [0081] 此外，在本发明中，当被强化件具有单向材料层时，包含在单向材料层中的连续的碳素纤维可以是包含在强化件的单向材料层中的相同或不同种类的连续的碳素纤维。 [0082] [振动焊接] [0083] 用于获得本发明的接合体的振动焊接是这样一种方法：在两个部件在压力下相互接触的状态下，在通过周期性振动而产生于两个部件之间的摩擦热下通过使树脂熔化而接合该两个部件。该方法能够通过使用已知的振动焊接机来执行。 [0084] 工业实用性 |
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