制造包括热塑性涂层的增强元件的复合材料的方法 |
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| 申请号 | CN201410141471.4 | 申请日 | 2014-04-10 | 公开(公告)号 | CN104097381B | 公开(公告)日 | 2017-11-14 |
| 申请人 | 劳斯莱斯有限公司; | 发明人 | M.P.杰文斯; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种在厚度方向上增强 层压 材料的方法，其中，增强元件被涂布热塑性层。增强元件插入于基体材料，并且诸如 聚合物 的基质材料包括于基体材料中。然后使该组合 固化 或加热，使得热塑性层和基质材料扩散到彼此内，从而形成在增强元件周围的中间相区域。这个中间相区域帮助防止裂缝从增强元件传播。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种从包括纤维层压件的基体材料制造厚度方向上增强的层压材料的方法，所述方法包括以下步骤： |
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| 说明书全文 | 制造包括热塑性涂层的增强元件的复合材料的方法技术领域[0001] 本发明涉及一种制造复合材料的方法。特别地，本发明涉及一种制造包括至少一个增强元件的复合材料的方法。 背景技术[0002] 层压复合材料广泛地用于许多工程应用中，在层压复合材料中，增强纤维被保持在聚合基质内。此类材料通常提供比常规金属材料更高的单位重量的强度和刚度。这使得此类复合材料有利于重量敏感的应用，诸如在航天领域中的那些应用。 [0003] 层压复合材料的已知问题在于与相对应的平面内性质相比，它们的较差的层间或厚度方向机械性质。这种低层间强度和断裂韧性可能制约复合零件的设计并且甚至可能限制此类材料用于特定应用。 [0004] 这个问题的一种解决方案是使用坚韧的基质材料。此类基质材料通常比常规基质材料显著更昂贵，常常具有较差的高温性质并且可能仍未提供断裂韧性的显著增加。 [0005] 改进层间强度性质的替代解决方案是将厚度方向纤维插入于层间材料内。已发展了各种技术来插入这样的增强纤维。 [0007] 厚度方向上增强纤维预期用来抵抗剪切力以便改进层间强度和断裂韧性。在不存在厚度方向上增强纤维的情况下，复合物在暴露于剪切力时可能会分层（de-laminate）。 [0008] 尽管存在厚度方向上增强纤维增加了复合材料的层间强度，但是其在结构中的存在可能会引入完全不同的弱点。由于它们所经受的剪切力，厚度方向上增强纤维可能充当层压结构中的启裂点。从复合材料中的插入点，这样的裂缝倾向于在垂直于增强纤维的厚度方向的方向上形成。 [0009] 这个问题目前唯一已知的解决方案是对于给定面积或体积的复合材料，提供更大量的增强纤维。自然地，这增加了复合材料且乃至于相关地所形成的完成的部件的制造时间和成本。而且，这种解决方案本身并不防止裂缝形成于增强纤维周围。 [0010] 常规z钉扎（z-pinning）过程的另一问题在于由于需要迫使销穿过层压件的致密压实的纤维层和/或穿过树脂（例如，其中纤维用树脂预浸渍），则纤维增强销可能在插入期间开裂或断裂。这可能会降低增强销存在的效果。 发明内容[0011] 根据一方面，提供一种从基体材料制造厚度方向上增强的层压材料的方法，该方法包括以下步骤： [0012] 向基体材料提供基质材料； [0013] 将至少一个增强元件涂布于热塑性层中； [0014] 通过将至少一个增强元件穿过基体材料的厚度插入来在厚度方向上增强基体材料；以及 [0015] 在已执行了之前的步骤之后，使厚度方向上增强的基体材料固化以形成厚度方向上增强的层压材料使得在基质材料与涂布至少一个增强元件的热塑性层之间形成中间相区。 [0016] 中间相区可以被说成是包围增强元件。围绕插入的增强元件形成中间相区可以帮助防止裂缝从增强元件传播。中间相区可以被称作扩散区。中间相（或扩散）区可以包括基质材料与形成增强元件涂层的热塑性材料的混合物。穿过中间相区，随着距增强元件的距离增加，热塑性材料的比例（起源于增强元件的涂层）可逐渐减小。 [0017] 向基体材料提供基质材料的步骤和通过穿过基体材料的厚度插入至少一个增强元件来在厚度方向上增强基体材料的步骤可以以任何次序执行。 [0018] 向基体材料提供基质材料的步骤可以在穿过基体材料的厚度插入至少一个增强元件之前执行，使得至少一个增强元件穿过基质材料插入。因而，增强元件所插入的材料可以是在基质中包括纤维的复合材料。这样的复合材料可以例如由利用基质材料预浸渍的纤维层（所谓的“预浸”复合材料）形成。 [0019] 因此，根据一方面，提供一种利用复合材料（诸如层压复合材料）制造在厚度方向上增强的层压材料的方法，该复合材料具有在基质材料中的纤维，该方法包括以下步骤： [0020] 将至少一个增强元件涂布于热塑性层中； [0021] 通过将至少一个增强元件穿过复合材料的厚度插入来在厚度方向上增强复合材料；以及 [0022] 使厚度方向上增强的复合材料固化以形成厚度方向上增强的层压材料使得在基质材料与涂布至少一个增强元件的热塑性层之间形成中间相区。 [0023] 根据这种方法，基质材料可以被加热到预定温度以便在插入至少一个增强元件的步骤之前触发固化过程，或者可以在插入之前保持低于固化温度。 [0024] 但是可在穿过基体材料的厚度插入至少一个增强元件之后执行向基体材料提供基质材料的步骤，使得至少一个增强元件插入到干纤维基体材料内。例如，树脂传递方法可以用来向干纤维与插入于干纤维中的增强元件的组合提供基质材料。 [0026] 将至少一个增强元件涂布于热塑性层中的步骤可包括将热塑性塑料喷涂到增强元件上或者将至少一个增强元件浸没于热塑性材料浴中。 [0027] 将至少一个增强元件涂布于热塑性层中的步骤包括将至少一个增强元件包覆模制于热塑性材料中。 [0028] 仅举例而言，（多个）增强元件可以形成为平行侧面圆柱或纤维。替代地，增强元件可以具有其它几何形状，例如锥形或其它形状的圆柱和/或可以带凹槽或带肋状物。 [0029] 增强元件可以具有倒角尖端（大约45°），倒角尖端计划用来辅助纤维插入于层压材料内。 [0031] 增强元件可以由可与基质材料兼容的材料形成。 [0032] 使基体材料在厚度方向上增强的步骤包括：穿过基体材料的厚度形成至少一个孔并且然后将至少一个增强元件插入于穿过基体材料厚度的至少一个孔内。 [0033] 利用插入于基体材料厚度内的针来形成至少一个孔。 [0034] 使基体材料在厚度方向上增强的步骤可包括：插入多个增强元件，增强元件中的每一个被涂布相对应的热塑性层使得在固化步骤期间每个热塑性层形成包围相对应增强元件的中间相区。将被形成为在厚度方向上增强的典型复合材料部件可以包括数千厚度方向上增强纤维。因而，同时插入增强纤维中的至少某些缩短了操作时间、降低了操作成本和/或减少了操作实践。 [0035] 使基体材料在厚度方向上增强的步骤可包括：（例如使用针）穿过基体材料的厚度形成多个孔并且然后将被涂布热塑性层的多个增强元件中的每一个插入于穿过基体材料的厚度的多个孔之一内。可以利用多个针同时形成多个孔。 [0036] 在将增强元件插入于层压材料中的相应孔内时，该增强元件或每个增强元件可以绕其纵长（lengthwise）轴线旋转。 [0037] 根据一方面，提供一种由在厚度方向上增强的复合材料形成的层压材料，厚度方向上增强的复合材料包括基质材料并且包括涂布于热塑性层中并且穿过复合材料的厚度插入的至少一个增强元件，其中热塑性层和基质材料形成中间相区，中间相区包围至少一个增强元件。 [0038] 固化的基质材料可包括聚合基质材料。 [0039] 层压材料可包括多个增强元件，每个增强元件被涂布相对应的热塑性层，增强元件穿过复合材料的厚度插入，其中，每个热塑性层形成相对应的中间相区，中间相区包围着相对应的增强元件。 [0041] 本发明的其它方面提供包括和/或实施本文所描述的一些或所有动作的装置、方法和系统。本发明的说明性方面被设计用来解决本文所描述的问题中的一个或多个和/或并未讨论的一个或多个其它问题。附图说明 [0042] 现将参考附图仅以举例说明的方式描述发明，在附图中： [0043] 图1示出了常规复合材料的示意局部截面图； [0044] 图2（a）示出了图1的复合材料的详细透视图； [0045] 图2（b）示出了图1的复合材料的平面图； [0046] 图3示出了用于本发明的增强元件； [0047] 图4为穿过根据本发明制造的复合材料的截面图； [0048] 图5示出了根据本发明制造的复合材料的一部分； [0049] 图6示出了用于层压复合材料的典型环氧树脂的胶凝时间与温度的关系的曲线图； [0050] 图7示出了图6的环氧树脂的动态黏度与温度关系的曲线图；以及 [0051] 图8示出了图6的环氧树脂的热流与温度的关系的曲线图。 具体实施方式[0052] 图1示出了包括多个纤维层110的层压复合材料100的示例。纤维层110中的每一个包括保持在基质材料130内的多个单向对准的纤维120。基质材料130固化使得纤维层110和基质材料固结以形成固体复合材料100。 [0053] 在图1的示例中可以看出交替纤维层110近似彼此垂直地铺设。在替代布置中，纤维层110可以包括具有其它取向的纤维。层110中每一个的相对纤维取向以及纤维层110的量根据成品部件将经受的设计负荷来确定。 [0054] 在图1中，一个取向的纤维层110沿着X方向设置，而交替取向的那些沿着Y方向设置。在图1的复合材料100包括厚度方向上增强的情况下，那么，增强元件将在Z方向上插入。因此，厚度方向上增强可以被称作z-钉扎。 [0055] 图2（a）和图2（b）示出了层压复合材料100的结构，其中，其已在厚度方向上被增强。图2（a）为复合材料100的详细透视图，示出了交替定向的纤维层110。增强纤维140在Z方向上通过累积的纤维层110的厚度插入。一般而言，将存在多个这样的增强纤维140。图2（a）示出了插入纤维140如何迫使每一层110上的对准的纤维120分开以允许实现用于增强纤维140的空间。 [0056] 图2（b）示出了在复合材料100内的增强纤维140的平面图。在平面图中，可以看出迫使在每一层110上的纤维120分开形成区域A，区域A的体积被完全填充基质材料130。就是在此区域A中容易形成裂缝，裂缝垂直于增强纤维140的厚度方向伸展。 [0057] 本发明的方法防止这些裂缝形成于层的区域A中。图3示出了过程的初始步骤，其中，增强元件240涂布于热塑性材料中以形成热塑性层250。热塑性层250包入增强元件240并且与其将插入的其余结构配合。增强元件240的端部也可以涂布于热塑性层250中。 [0058] 然后将增强元件240插入于纤维层210的铺设层压厚度内以提供厚度方向上增强。如同在上文中关于图2所描述的示例，纤维层210中每一个包括保持在基质材料230内的多个单向对准的纤维220。纤维层210可以用基质材料230预浸渍。替代地，基质材料230可以独立于纤维220设置于未固化的层压结构中。纤维层210将根据待制造的最终部件的预期目的而具有适当取向。在该过程中的此点处，基质材料230尚未固化，或者如下文所描述，如果已触发了固化过程，则尚未完成固化。 [0059] 一旦已将增强元件240插入于纤维层的层压厚度内，则基质材料230固化。固化过程导致固结的复合材料200，固结的复合材料200包括利用增强元件240的厚度方向上增强。为了有效，在基质材料230固化之前，很可能的是将需要使得被涂布热塑性层250的多个类似增强元件240插入于纤维层210的层压厚度内。 [0060] 图4为穿过复合材料200并且沿着Z方向观察的示意截面图，Z方向与增强元件240的纵长方向重合。换言之，该截面图垂直于增强元件240的纵长方向。图4示出了复合材料200的纤维层210之一并且在对准的纤维220之间容纳增强元件240。如同上文所描述的示例，强制分开的纤维220与增强元件240形成区域A，区域A的体积由基质材料230占据。 [0061] 图4示出了由于热塑性层250，固化过程形成与上文关于图2（a）和图2（b）所描述的结构不同的结构。通过升高基质材料230的温度触发固化过程在热塑性层250与基质材料230之间形成中间相区260。与环氧化物本身的固化反应可能是放热的，这可能辅助该过程。 但是，使热塑性材料接近其熔化温度（由此形成中间相区）的主要机制是外部加热。 [0062] 中间相区260的性质防止在复合材料200的区域A中形成裂缝。在固化过程中通过在基质材料230与涂布增强元件240的热塑性层250之间的界面处两种材料之间扩散而形成中间相区260。所形成的中间相区260或扩散区具有柔顺性质。因此，中间相区260为在复合材料200中的柔顺区，其能吸收在增强元件250周围的能量，从而防止剪切力在复合材料200的区域A中造成裂缝。 [0063] 如上文所指出，很可能的是将会需要多个增强元件240。例如，对于利用复合材料200制造的某些部件，可能需要25000个或更多的这样的增强元件240，但某些部件可能需要少得多的增强元件240（例如，数十个、数百或数千）。图5示出了复合材料200，复合材料具有增强元件240的规则图案，提供厚度方向上增强。但是，在某些应用中，可能希望在复合材料中提供增强元件240的不规则图案。在合并了复合材料200的最终部件经受在整个部件上不均匀的力的情况下，这样的设计可能是优选的。 [0064] 增强元件可以由单根纤维或者平行侧面圆柱组成，热塑性层250施加到单根纤维或平行侧面圆柱上。替代地，增强元件240可能由涂布了热塑性层250的一束纤维组成。可以通过喷涂增强元件240而实现将增强元件240涂布于热塑性层250中。替代地，可以通过将增强元件240浸入于适当液体热塑性材料浴中而涂布热塑性层250。增强元件240可以利用适当热塑性材料来包覆模制。 [0065] 可以选择用来涂布增强纤维240的热塑性材料使得其可与基质材料230兼容。这种兼容性应确保在基质材料230固化期间发生扩散使得按照计划形成中间相区260。预计最合适的基质材料230将是聚合基质材料。例如，环氧树脂特别有利地用作聚合基质材料。 [0066] 例如，可以选择热塑性材料以使之在使用中匹配基质材料用于复合物，使得热塑性材料的玻璃化转变温度(Tg)高于复合物的Tg并且热塑性材料的熔化温度略高于（~20℃）环氧化物的固化温度以促进在环氧化物与热塑性材料之间的某些扩散，但并不完全分散。这可能帮助形成所希望的中间相（性质逐渐变化）而不是界面（性质阶跃变化）。 [0067] 增强元件240可以通过任何已知方法插入于纤维层210的层压厚度内。可优选地在插入增强元件240之前在纤维层210的厚度中设置孔。可以例如利用针形成孔。无论孔是否预先形成于纤维层210的厚度中，预计将需要使增强元件240插入的力。例如，这可以通过锤击增强元件240以插入增强元件240来实现。可以利用超声波来施加锤击。 [0068] 因为需要将力施加到增强元件240上，在插入增强元件240时，热塑性层250可能辅助维持增强元件240的结构完整性。热塑性层250可以保护增强元件避免断裂或裂开，特别是在被施加插入力的其端部处。因此，由于热塑性层250在插入增强元件240时帮助防止损坏增强元件240，确保了其提供厚度方向上增强的效果。 [0069] 可能在插入增强元件240之前加热基质材料。通常，当插入增强元件240时，将保持基质材料230的温度低于其胶凝温度（即，避免启动固化过程）。这将意味着基质材料的黏度保持较低，便于增强元件240插入。但是，可能在插入增强元件240之前，至少可起始固化过程。 [0070] 如上文所提到的那样，基质材料230可以是聚合材料，诸如环氧树脂。在将层210铺设到层压厚度上之前，基质材料230可以与纤维层210中的每一个一起制备或预浸渍。使用聚合材料可能是有益的，因为所需的固化过程可能实际上辅助增强元件240插入，如下文所解释的那样。 [0071] 通过将聚合材料加热到预定温度来触发聚合材料固化。因此，将纤维层210的未固化的层压厚度加热到预定温度。例如，可以通过使用烤炉、高压釜来加热层压纤维层210的整个体积。实际上，可以使用任何合适形式的加热/固化，包括紫外线固化。 [0072] 加热聚合材料，预定温度导致在聚合材料达到其胶凝点之前可确定的时间间隔。胶凝点被定义为基质材料固化反应的起点，即，基质材料的分子开始联结在一起（或胶凝）并且材料开始硬化的点。 [0073] 预定温度和时间间隔关系对于每种基质材料230而言是独特的并且基于基质材料的固化参数、流变能力和胶凝时间来确定。 [0074] 图6示出了一种合适环氧树脂材料的胶凝时间曲线图（胶凝时间与温度的关系），这种关系在可用于层压复合材料的环氧树脂材料中是典型的。可易于从基质材料供应商获得这个数据。胶凝时间曲线图指示在任何特定温度可用的时间，直到达到了材料的胶凝点。 [0075] 在插入增强元件240之前触发固化的情况下（并且应当强调的是可能并非这种情况，即，在插入增强元件之前，基质材料可能保持低于固化/胶凝温度），时间间隔是可用来完成增强元件240插入于纤维层210的层压厚度内所用的时间，并且可能取决于最终部件的几何形状和增强元件240的量。 [0076] 在该方法额外地涉及形成孔以接纳多个增强元件240的插入的情况下，那么孔必须也在基质材料230胶凝开始之前的时段内形成，或者在形成孔之前，温度必须保持低于胶凝温度。 [0077] 在图7中看出聚合材料对于制造复合材料200的方法的适用性，图7示出了图6的环氧树脂材料的流变曲线图（动态黏度与温度关系）。从图7可以看出通过加热基质材料230（和纤维层210）到第一预定温度（在此情况下，100℃），环氧树脂基质材料230的动态黏度将显著地低于室温的情况。这种黏度降低在很大程度上帮助插入增强纤维的过程。这使得孔形成步骤（若执行）和插入步骤更容易并且快速地执行，因为基质材料的黏度更低。 [0078] 参考图6，举例而言，如果需要100分钟的预定时间间隔来完成增强元件240插入过程，可以看出第一预定温度将为100℃（或更低）。 [0079] 一旦达到第一预定温度，则存在有限的时间间隔，在此时间间隔内，必须形成任何孔，并且在基质材料开始固化之前，必须插入相对应的增强元件240。一旦基质材料230的实际固化开始，则不太可能能在不损坏材料的情况下形成孔或者插入增强元件240。 [0080] 胶凝点在图7中被示出为流变曲线图的拐点，即，由加热引起的黏度减小停止并且因为材料开始固化或硬化，进一步加热造成黏度快速增加的点。 [0081] 可以从环氧树脂的固化曲线图（热流与温度的关系）做出关于预定温度的合适性的进一步检查，如图8所示。从图8可以看出，对于本示例而言，第一预定温度（100℃）低于树脂开始固化或硬化的温度（由曲线中的峰值指示）。因此，基质材料处于黏性状态，这在很大程度上使得插入增强纤维容易。 [0082] 如上文所提到的那样，胶凝点对应于树脂中固化反应的起点。这个点在图8中指示为随着温度升高，热流增加开始。在图8中示出高于胶凝点的热流增加可以辅助扩散过程。随着基质材料230固化而生成的另外的热可以辅助在热塑性层250与基质材料230之间的扩散并且因此帮助形成中间相区260。热塑性材料可能在胶凝点区域的温度发生扩散。 |
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