CN100548643C - 用线簇连接的复合叠层 - Google Patents

Abstract

本发明涉及了一个制造复合叠层(30)的方法，复合叠层包括至少一个第一(21)和第二(22)纤维增强材料面板，在它们之间夹了一片芯材(5)，方法包括的步骤为在第一和第二面板(21，22)之间施加芯材(5)，以及把第一和第二面板(21，22)与芯材(5)连接。在本发明的复合叠层中，采用基本连续的纤维增强材料，至少一部分纤维增强材料，沿叠层(30)的Z向用线簇把第一层(21)、芯材(5)和第二层(22)连接一起，由此把第一和第二面板(21，22)以及芯材(5)片相互连接。

Description

用线簇连接的复合叠层

本发明涉及了一种叠层复合材料，如在第一个权利要求的前序部分中所描述。

US-A-4.876.973公开了满足航空航天器日益增长的性能要求的可能性，特别是所用的制造材料。为了满足这些要求，已经日益加强了复合材料的开发，因为它们具有高的比强度。往往复合材料由几层纤维增强材料增强的树脂片材所构成。从一开始，已经需要找到一种把纤维增强材料与树脂芯连接的最佳方法，使得容许调节表层和承载基础结构之间的剪切和拉伸载荷。缝合是把表层固定到基础结构上的一种建议的方法。为了避免需要进入复合材料的两侧，已经提出了盲缝的方法。在这种方法中，采用一种装置，包括一个装在垂直往复针轴上的自动穿线针。当许多叠合的未固化预浸渍叠层堆向前时，针轴完成一个垂直往复动作。在每次向下行程中，线被针拾取并带着通过叠层堆，当在向上行程中从叠层抽出针时，形成一个尺寸不变的线圈。或者使复合材料向前通过机器，或者相对于复合材料移动机器，形成一系列连续的缝合。

US-A-5.741.574的目的在于提供一个夹层结构，它比单独在其中的泡沫芯或增强柱状件要强，显示了改进的层间强度和压缩载荷的传递，它不承受过早的芯屈曲并组合了构架结构和泡沫芯的优点。按照US-A-5.741.574，采用泡沫芯改进了抗冲击和湿度的能力；把构架结构结合在泡沫芯中和把纤维束叠合在面板内，比单独的泡沫芯或构架结构改进了面板和面板/芯对接面的结构完整性。纤维束被泡沫的包围阻挡了屈曲。按照US-A-5.741.574中公布的方法，一层或几层面板与泡沫芯的制品是依靠在它们之间涂敷胶黏剂。在面板上面铺设一层编织的面板。缝合纤维束使得延伸通过泡沫芯并与面板联结。对于约20-70°的缝合角，整个芯的破坏由纤维破坏所决定。低于20°和高于70°，纤维承载路线的刚度迅速下降，泡沫剪切强度成为主要作用。在0和90°，纤维的有效剪切刚度为零，整个芯剪切强度和刚度等于泡沫单独的值。当夹层结构被固化时，每个缝合圈的一部分被叠合在位于编织表面层和其余叠层之间的面板中。

但是，目的在于增加Z轴增强的上述已知方法均采用叠层的缝合方法，它费力和费时。已知方法具有一个主要的缺点：面板的连接限制在缝合线，以及相邻缝合线之间的间隔太大。结果是，沿z向提供的增强仍不充分。

从WO99/19137已知有一种三维增强材料，用作复合材料中的织物增强，织物材料采取的形式为编织的布、网、薄膜、非编织物、针织物或它们的组合。由织物材料提供沿X-Y方向的增强。由簇生在织物材料中并基本上沿Z向延伸的线束来达到沿Z向的增强。线束理解为圈状或线状的纤维或纤维束，例如可以是玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、碳纤维、如聚氨脂、聚丙烯、聚乙稀、聚酰胺的合成纤维、如亚麻、棉花、黄麻的植物纤维、如羊毛的动物纤维等。用树脂浸渍增强织物的两个外层来制造复合材料，线束或线从外层向内延伸。线束或线固定在夹在外增强织物层之间的合成树脂或泡沫合成树脂中。这些复合材料适用于需要高抗冲击能力的塑料制品，如汽车保险杠、小艇等。

但是，在WO99/19137的复合材料中，沿Z向的压缩和剪切强度以及层间强度是不够的，后者造成了不希望的叠层的分层风险。

因此需要一种制造复合叠层的方法，提供改进的层间强度和改进的Z向增强，它比至今已知方法省力和省时。

所以本发明的目的是提出一个经济可行的方法，可以进一步改进复合叠层沿Z向的增强。

采取本发明的第一条权利要求中特征部分的技术特性，达到了这一目的。

按照本发明，纤维增强材料的第一和第二面板在它们之间夹了一个芯材的中心层。面板和芯材相互连接，并且采用线簇技术引入Z向的增强纤维。线簇材料采用基本上为连续的纤维增强材料。

采用线簇连接工艺过程，第一面板不仅与芯材连接，而且与第二面板连接。可以采用工业上现有的簇绒机，由此需要使线簇连接工艺过程适应复合材料的厚度。在线簇连接过程中，采用沿Z向往复通过叠层的许多针把一个连续纤维材料插入，同时叠层向前通过设备。从第一面板插入纤维增强材料，通过芯材和第二面板。用一个钩子暂时扣留延伸通过第二面板的纤维增强材料的一部分，形成一个线圈，并且分别通过第二面板、芯材和第一面板返回。

分析采用现有技术连接复合叠层所产生的问题，表明在缝合过程中，采用单个针来施加一排接一排的缝合。这是很费时间的。另外，在大多数工业现有的缝纫设备中，能够进入叠层的两侧是一个先决条件。采用线簇连接过程具有的优点是：在单个步骤中，同时施加许多排的纤维材料，它基本上在叠层整个宽度上延伸。在线簇连接过程中，仅进入叠层的一侧已经足够。此外，在线簇连接技术中叠层可以以连续方式向前通过设备，适合用于与拉挤工艺过程相组合，目的在于制造大尺寸的板材，特别是在基本连续的工艺过程中制造大的长度。

线簇连接工艺过程具有另外的优点：线簇连接均匀地在整个叠层表面延伸，即沿x和y方向延伸。但是如果希望，线簇连接过程可以限于叠层的某个部分。

技术熟练的人员可以考虑叠层的用途来修改在一排内连续的Z向增强之间的距离。与在叠层上的位置有关，相邻Z向纤维增强之间的距离在一排内可以相同或不同。在相邻两排内相邻Z向纤维增强之间的距离可以相同或不同。与叠层的用途有关，线簇Z向纤维增强的相邻排之间的距离在整个叠层上可以相同或不同。

线簇连接的工艺过程至今已用于制造地毯，其中在一个支承网格上产生密集的游动线圈或线束层。在制造簇绒地毯的技术中，依靠垂直往复的针把线簇插入，推着通过一个背面材料的预编织网，并且被线圈保持在地毯背面之下。采用一个胶粘背面层，例如乳胶或薄膜，通过浸渍把线圈固定到背面上。

线簇连接过程从未用于同时把一厘米或几厘米厚度的复合叠层的两个或更多层连接在一起，目的是引入主要沿Z向延伸的增强结构。技术熟练人员一般已知的把两层或更多层布或网连接在一起的技术是缝合技术。

替代线簇连接，可以采用任何其他技术，用于把基本连续的纤维材料插入通过纤维增强材料的第一或第二层，延伸通过芯材和进入或通过纤维增强材料的第一和第二层的另外一层。最好是纤维材料沿Z向延伸，垂直于第一和第二面板以及面板和芯材之间的对接面，但也可以沿任何方向延伸。依靠线簇连接引入的纤维增强材料可以相对于第一和第二面板或芯材和面板之间的对接面垂直或倾斜延伸。但为了提供最大的强度，纤维增强材料最好是基本上垂直于第一和第二面板并通过芯材延伸。

作为基本上连续的纤维线簇材料，可以采用形式为束、线、捆、纱或粗纱的纤维材料，包括许多纤维束或者卷捻或扭曲纤维，它们可以构成单个材料或不同材料的组合。考虑到预计的压缩强度，可修改卷捻纤维相互延伸的角度。

所用纤维材料的性质对本发明并不关键，例如可以选自天然纤维、金属纤维、矿物纤维、玻璃纤维、碳纤维、羊毛、棉花、亚麻等；或者合成纤维，例如聚酯、聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、或两种或更多种上述纤维的组合。但是，由于高的冲击强度，优选采用聚酰胺纤维。

Z向纤维的定位对本发明并不变关键，虽然最好把纤维组合成一定的图案。希望建立Z向纤维柱，它改进了抗扭结或抗弯曲能力，最好以三、四或更多股纤维或纤维束的成组形式，插入依靠线簇连接引入的纤维增强。此时，纤维柱改进了抗扭结或抗弯曲能力，而泡沫提供了主要的抗压能力。

制造芯的材料性质对本发明并不关键。大多数采用泡沫塑料，例如泡沫的聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、乙烯-丙烯共聚物。但芯也可以采用泡沫金属或含泡沫的金属。

优选采用聚氨酯，因为它是较便宜的材料，工艺上易于得到和具有足够高的热阻，可承受用于固化浸渍叠层的树脂的炉温。

特别优选低密度的聚氨酯泡沫，它具有2-5磅/立方英尺之间的密度，因为这种类型的泡沫显示了良好的热阻，特别是当设想用作冷却容器的壁或部分壁时。虽然这种类型的聚氨酯较轻，但线簇纤维提供的增强提供了所需的Z向强度。

但也可以采用两个或更多的泡沫材料叠合层作为芯材，接连的泡沫材料层把一层纤维增强材料夹在它们之间。叠合的泡沫层可以由相同或不同材料制成。夹在两个泡沫芯材之间的纤维增强材料性质对本发明并不关键，虽然最好采用编织或不编织材料的布或网。

制造本发明复合叠层的一个优选方法包括的步骤为：

(1)使芯材向前；

(2)使第一和第二纤维增强材料面板沿着芯材两侧向前，形成一个多层的叠层；

(3)使叠层受到上述的线簇连接工艺或任何工艺过程，把叠层的各层连接在一起；

(4)在一个拉挤过程中用塑料浸渍已连接线簇的叠层。

在常规模制方法中优选采用拉挤过程，因为它是制造大尺寸板材，特别是长度很长板材的适用技术。以连续方式把板材送过拉挤设备，可以不需要采用用于成形制品的模具。

芯材可以采用形式为许多泡沫塑料的单个预制板。但也可以在本发明的工艺过程之前，采用一个制造泡沫板材的步骤。

用于浸渍已连接线簇的叠层的塑料可以是热固性或热塑性树脂。用于本发明的合适的热固性材料包括热固性未饱和聚酯树脂、乙稀基酯树脂、环氧树脂、酚树脂、聚氨酯树脂。

在本发明的复合叠层中，第一和第二纤维增强材料面板大多数由纤维增强材料的片材、布或网制成，它们可以用热固性或热塑性树脂浸渍或不浸渍的编织或不编织制品。第一和第二面板材料可以相同或不同。但也可以在芯材每一侧施加两个或更多的相同或不同材料的布或网。还可以使一个或更多面板由交替的第一和第二材料构成，例如交替玻璃纤维网和包含玻璃纤维和金属纤维混合物的网。但是，这种纤维增强材料也可以位于叠层的更中心位置。

如果目的在于改进叠层的强度，在承受更严重环境的一个叠层侧面上，最好插入包含金属纤维的纤维增强网或布。发明者已经发现，采用含金属纤维的布或网改进了抗压能力，材料增加的重量可忽略。例如在采用叠层作为翻斗车的底的情形中，与面对着车的翻斗容积侧面相反的叠层侧面大多数为包含金属纤维的布。原因是与面对着车的翻斗容积侧面相反的叠层侧面将承受更大的力。

制成布或网的纤维材料性质对本发明并不关键，例如可以选自天然纤维、矿物纤维、玻璃纤维、碳纤维、羊毛、棉花、亚麻等；或者合成纤维，例如聚酯、聚丙烯、聚氨酯、聚酰胺。布或网也可以包括两个或更多的这种纤维类型的组合。这种材料的一个例子是

本发明也涉及了一种复合叠层，包括至少一个第一和第二层纤维增强材料层，在它们之间夹了一个芯，依靠用纤维材料的线簇连接方法把第一和第二层以及芯相互连接一起。

特别是在采用泡沫聚氨酯作为芯材的情形，叠层的优点是：只要叠层还没有固化，稍加热或放在稍加热的模具中，仍可以成形板材。这样，可以修改板材的形状适应设想的用途。

本发明的叠层和用本发明工艺过程得到的叠层具有另外的优点：当一个力作用到表面上时，显示出有限的临时变形，一旦力去除时变形立即消失。例如在一个重载荷容器情形中可能见到，其侧壁用本发明叠层制成。发明者相信，这必然由于这样的事实：虽然泡沫芯可能被作用力损坏，但纤维能够承受这个力，并且受到最小的损坏。结果是，当去除力时，纤维增强材料迫使板材回到其初始形状。

本发明还涉及了一个设备，适于制造上述复合叠层。

本发明的设备包括一个装置，用于输送在芯两侧的第一和第二叠合增强材料到一个线簇连接装置，用线簇把第一和第二叠层以及芯连接在一起。

形成第一和第二面板的纤维增强材料的布或网大多数以卷的形式提供，它包括很长的网或布，并且在用布或网覆盖泡沫芯的一侧或两侧时展开。因为大量相邻的线簇纤维排，线簇连接过程必然的优点是：在纤维增强材料输送中断的位置上，几乎不会影响叠层的强度，因为一卷网或布结束时另一卷就开始。在许多相同或不同纤维增强材料的叠合网或布施加到泡沫芯上时，最好把各卷纤维增强材料定位成使得：沿叠层的长度方向，相关卷要结束的位置相互偏移。

为了容许得到最终的制品，设备还最好包括一个拉挤装置，用塑料浸渍已连接线簇的复合叠层，以及一个加热室，硬化或固化已浸渍的复合叠层。在加热室之前的一个位置上，设备可以包括一个加热模具来稍微加热叠层，目的是使叠层特别是使芯材更柔软，以及使叠层成形。

本发明的叠层和用本发明工艺过程得到的复合板材适用于目的为高冲击强度和弯曲强度的广泛用途。

在本发明复合叠层的第一个可能用途中，至少第一和第二面板两个对着表面之一涂以外部装饰层，用作隔壁或其隔壁一部分的板材。由于在采用聚酰胺纤维作为线簇连接材料时的高冲击强度，这种板材特别适用于例如飞机中的防弹和/或防爆隔壁。在这种情形中，叠层的每个第一和第二外层大多数包含一层玻璃纤维增强的网或布、含金属纤维的网或布以及附加的玻璃纤维基的网或布。第一和第二外层之间夹了一层泡沫塑料。

在第二个可能用途中，本发明的复合叠层用作在贮箱或建筑物结构中的预制板或其一部分。在这种情形中，叠层的侧面最好制成使得相邻叠层的侧面具有互补的配合外形。

在第三个可能用途中，本发明的板材用于制造车辆的下支架，特别是制造一个拱梁。拱梁是一个下支架，当它承受预应力时具有凹的形状。本发明的下支架包括许多纵向梁，具有面对负载的顶面和与驱动机构连接的底面。至少一个纵向梁受到预应力，使得产生凹形。在预应力状态，本发明的复合叠层与纵向梁的顶面连接。可以用机械连接方式，或者采用胶粘剂的化学方式实现连接。当预应力释放时，纵向梁保持凹形，显示了良好的抗屈曲能力。与负载施加的重量有关，在受载时梁的凹形变到较平的状态。

在第四个可能用途中，本发明的叠层和用本发明工艺过程得到叠层用于制造一个柱杆。

采用本发明的工艺和设备，可以制造由单件制成的大长度叠层：原因是可以以具有几百米或更多的大长度的网或布的形式，提供施加到芯侧面的纤维增强材料。现在发明者发现：与常规使用的金属柱杆相比，本发明的叠层显示了改进的刚度和弯曲强度。因此，本发明的叠层是制造20米、50米或更多的大高度柱杆的合适材料。因此，本发明的叠层适用于作为风车的柱杆。

本发明的叠层还可以用于制造电力传递和分配的柱杆、作为临时或永久飞机着陆和起飞跑道、或桥梁、车辆下支架等的顶面板材，即需要良好抗压和抗弯能力的这些用途。

在附图和图的描述中将进一步说明本发明。

图1表示了本发明设备的一个剖面。

图2和3表示了本发明设备的优选实施例。

图1所示设备包括第一和一个第二送料区1，2，用于在一个纵向芯材5的两侧上，以布或网的形式输送第一和第二纤维增强材料或片材21，22。第一或第二送料区例如可包括位于芯材5两侧的第一和第二滚轮1，2。第一和第二送料装置也可以包括许多第一和第二滚轮1，2，用于输送许多叠合的第一和第二纤维增强片材21.22。

芯材5以连续的板或梁形式插在设备中。板或梁沿x、y和z方向的尺寸对本发明并不关键，可以在很宽范围内变化。在本发明的框架内，可以把本发明设备与一个挤压机结合来制造纵向芯材，最好是以连续方式制造。

本发明设备包括一个导向件4，用于导向夹有芯材5的第一和第二叠合纤维增强材料层21，22向着一个线簇连接装置6。导向件可以采取如图3所示的预热室20形式。

用于本发明的线簇连接装置的性质不是关键，可以是用于地毯线簇连接的常规装置。线簇连接装置包括一束针，把线簇纤维从复合材料的第一侧通过复合叠层21，22，5拉到对面的第二侧。线簇连接装置包括许多钩子，用于当针回到第一侧时，保持在第二侧的线簇纤维圈。

连接线簇的材料可以与线簇连接装置的宽度一样，或者较小或较大宽度。在后者情形，最好采用针可以沿着装置和芯的横向移动的线簇连接装置。可以以分段的不连续方式沿纵向连接线簇，由此在针每次向下和向上运动的过程中，中止叠层沿线簇连接装置的移动。但是也可以采用一个装置，它的针和钩子沿装置的纵向可以移动。

本发明设备还包括具有一个浸渍室7的拉挤装置，它用液态塑料浸渍复合叠层。浸渍室7包括一个管道13，把液态塑料从一个贮箱14输送到浸渍室，并且在稍高的压力下喷射液态塑料。多余的塑料通过一个第二管道16回到贮箱14。

本发明设备包括一个装置8或加热室，用于硬化或固化已浸渍的复合叠层的塑料。选择在加热室8中停留的时间，使得在与牵引装置9接触之前达到叠层的充分硬化。跟随在加热室中硬化或固化复合叠层的步骤之后可以是一个在冷却室19中的冷却步骤。

为了实现复合叠层通过本发明设备的移动，采用一个牵引装置9。可以以分段不连续或以连续方式移动。例如由一组接连的压轮10产生移动，每个压轮由一个电机12和一个传动装置11驱动。采用一个夹紧装置可以达到分段移动，夹紧装置用于夹紧叠层，使叠层移到一个前面的位置，释放叠层并回到初始位置。

如果希望制造预定尺寸的复合叠层板材，可以使复合叠层通过切割装置。

如图3看到，作为纤维增强片材采用了第一片材1的组合，在它的顶部添加了第二片材2A。例如第二片材可以是热塑性树脂的毛状物或膜，如Dow Chemical Company出售的Fulcrum。芯材可以面对第一材料1，2或第二热塑性材料2A。在图3实施例中，纤维增强片材1，2，2A被预热装置20加热，由此促进了线簇连接操作。

在加热室8中复合材料的温度进一步增加，达到第二热塑性片材2A熔化的温度，熔化的热塑性材料至少部分地浸渍芯材5。

Claims (21)

1.一种制造复合叠层(30)的方法，复合叠层包括至少一个第一(21)和第二(22)纤维增强材料面板，在它们之间夹了一片芯材(5)，该方法包括以下步骤：在第一和第二面板(21，22)之间施加芯材(5)，以及把第一和第二面板(21，22)与芯材(5)连接，其特征在于该方法包括以下步骤：

(1)使该片芯材(5)向前，

(2)使第一和第二面板(21、22)沿着芯材(5)的相对侧向前，从而形成一多层的叠层，

(3)采用基本连续的纤维增强材料使叠层受到线簇连接工艺，从而将第一、第二面板和芯材连接在一起，由此至少部分纤维增强材料在叠层(30)的Z向延伸，

(4)通过挤拉工艺用塑性材料浸渍已连接线簇的叠层。

2.如权利要求1的方法，其特征在于：以一种几何模式施加纤维，该几何模式是从三个、四个或更多列的Z向纤维增强材料中选择。

3.如权利要求1或2的方法，其特征在于：纤维增强材料包括许多纤维束或者卷捻或扭曲纤维。

4.如权利要求1-3中任一个的方法，其特征在于：作为纤维线簇材料，采用束、线、捆、纱或粗纱的纤维增强材料制成。

5.如权利要求1-4中任一个的方法，其特征在于：纤维线簇材料采用的材料选自天然纤维、金属纤维、矿物纤维、玻璃纤维、碳纤维，或者合成纤维，或两种或更多种这些材料的组合。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述天然纤维选自羊毛、棉花、亚麻或两种或更多种这些材料的组合。

7.如权利要求1-6中任一个的方法，其特征在于：芯材(5)采用泡沫塑料制成。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：芯材由泡沫聚氨酯制成。

9.如权利要求1-8中任一个的方法，其特征在于：芯材(5)采用至少两层相同或不同泡沫塑料制成，两层之间夹一片玻璃或金属纤维增强材料或其混合物。

10.如权利要求1-9中任一个的方法，其特征在于：第一和第二面板(21，22)包括至少一个纤维增强材料布或垫，或者两个或更多这种材料的堆，包括一种或几种类型的纤维，这些纤维选自热塑性增强纤维、金属纤维、矿物纤维、碳纤维或者两种或更多这些纤维的混合物。

11.如权利要求1-9中任一个所述的方法，其特征在于：第一和第二面板(21，22)包括至少一个纤维增强材料布或垫，或者两个或更多这种材料的堆，包括一种或多种类型的合成纤维。

12.如权利要求1-11中任一个的方法，其特征在于：至少第一和第二面板(21，22)之一包括一片包含金属纤维的纤维增强材料。

13.一个复合叠层(30)，包括至少一个第一(21)和第二(22)纤维增强材料面板，在它们之间夹了一片芯材(5)，面板(21，22)与芯材(5)连接，其特征在于：通过线簇连接的连续的纤维增强材料，把第一和第二面板(21，22)以及芯材(5)片相互连接，所述纤维增强材料在叠层的Z向延伸，所述叠层用塑性材料浸渍。

14.一个防弹和/或防爆隔壁，包括由权利要求1-12任一个的方法得到的复合叠层或者权利要求13的复合叠层。

15.一个用于贮箱或建筑物预制壁板，包括由权利要求1-12任一个的方法得到的复合叠层或者权利要求13的复合叠层，相互面对的相邻叠层侧面具有互补的配合外形。

16.一个车辆下支架，包括多个纵向梁，具有凹的形状、一个面对负载的顶面和一个与用于移动梁的驱动机构连接的底面，至少一个纵向梁处于受预应力的凹的状态，使权利要求13的本发明复合叠层，或者由权利要求1-12的方法得到的复合叠层与顶面连接。

17.一个用于电力传递和分配或风车的柱杆，包括由权利要求1-12任一个的方法得到的复合叠层或者权利要求13的复合叠层。

18.复合叠层的用途，采用由权利要求1-12任一个的方法得到的复合叠层或者权利要求13的复合叠层作为临时或永久的飞机着陆和起飞跑道或桥梁的顶面。

19.一个制造复合叠层的设备，包括一个装置，用于把在芯(5)相对侧的第一和第二叠合增强材料(21，22)输送到一个线簇连接装置，用线簇把第一和第二叠层以及芯连接在一起。

20.如权利要求19的设备，其特征在于：设备包括一个挤拉装置(8)，用于用塑料浸渍已线簇连接的复合叠层。

21.如权利要求20的设备，其特征在于：设备包括一个加热室，用以硬化或固化已浸渍的复合叠层。

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