CN101228014A - 用于将强化纤维缝合在一起的固定线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于缝合强化纤维的固定线(1、5、10、16)，特别用于形成纤维预制品，以通过注入可硬化塑料材料生产强化纤维复合物。本发明的固定线(1、5、10、16)具有界面(4、9、15、19)，用于局部增加由可硬化塑料材料制成的基质的延展性，至少一个基线(2，6，11，12，17)特别用于减小在完成的复合元件的基质中在固定线(1、5、10、16)穿过的区域中形成微裂纹的趋势。例如，界面4可以借助热塑性材料，例如聚丙烯、聚乙烯等施加覆盖基线(1)的涂层来形成。

Description

用于将强化纤维缝合在一起的固定线
本发明涉及一种将强化纤维缝合在一起的固定线，尤其涉及形成纤维预制品，用于通过注入(impregnation)可固化聚合物材料生产强化纤维复合元件。
为了使用可固化聚合物材料例如环氧树脂或聚酯树脂生产强化纤维复合元件，纺织缝合(textile sewing)方法经常被使用以由强化纤维和/或机织强化织物形成加强所需要的纤维预制品。技术强化织品，例如芳族聚酰胺纤维、玻璃纤维或碳纤维尤其被用作固定纤维。
此外，例如出于更好的加工性能的原因，使用例如聚酯细丝等，所述聚酯细丝是弹性的但是在随后的复合元件中仅仅能够承受低的机械载荷。如果使用同时作为强化纤维的固定线，则可以另外地获得复合元件在线方向上的强度和刚度的增加。强化和非强化固定线都被使用以将强化纤维在基体上缝合在一起或者缝合在纤维预制品的组合中。此外，机织强化织物和/或强化纤维还可以借助固定线被缝合在一起，以形成没有基体的复合纤维预制品。
以已知方法通过对纤维预制品注入可固化聚合物材料或能够由交联固化的树脂系统(例如环氧树脂、聚酯树脂、BMI树脂等)，以及随后对聚合物材料的固化，制成完工的复合元件，从而封闭纤维预制品的基质由可固化聚合物材料形成。例如，为此，已知的RTM处理(“树脂模制转换(Resin Moulding Transfer)”)可以被使用。
在用于纤维预制品制造的同样已知的TFP(“Tailored FiberPlacement”)处理的情况中，例如，带有固定线的强化纤维借助于CNC自动缝合或刺绣机被连接到平面基体上。在这里几乎完全随意设置纤维取向，以及在敷设操作中改变纤维取向，使得可以获得纤维方位对机械力的最佳适应，所述机械力将被随后的复合元件吸收。
然而，在使用常规固定线时，例如聚合物细丝等，可能存在强化纤维复合元件的机械性能的损坏，这是由于强化纤维的起伏和/或破裂可能出现在固定线的区域中以及微裂纹可能出现在基质(matrix)区域中。微裂纹出现的原因之一在于树脂在固定线穿过的区域中积聚。由于基质局部非常脆弱，因此微裂纹可能源于不同热膨胀系数和刚度的急剧变化而在这里发生。
为了改善复合元件的机械性能，还已知的是使用可以在特别是TFP处理中溶解(dissolve)的固定线。在缝合操作完成之后固定线分解的影响之一在于：由固定线引起的强化纤维的起伏被减小。此外，在基质中固化处理之前可分解固定线进入溶液中，假定适当地选择材料，可附加地改善其碰撞强度，从而在固定线穿过的区域中形成很少的微裂纹。
然而，可溶解固定线仅仅有条件地适合TFP处理或者其它缝合方法，由于它们不具有所要求的常规固定线的机械处理性能，进而线断裂、细丝拆解、末端分裂等可能发生。此外，可溶解固定线的整个材料能够以不受控制的方式扩散在整个基质上，导致整个复合元件的不确定的机械改变。
本发明的目的是获得一种在纤维预制品生产中，例如通过TFP处理(工艺)，在基质(matrix)中的缝合区域中获得延展性(ductility)的局部增加，同时优化固定线的加工性能。
通过依据专利权利要求1中特征条款的固定线，可以实现这个目的。
固定线具有界面(interface)，特别是对于由可固化聚合物材料形成的基质(matrix)的延展性的局部增加，以及至少一个芯线，意味着：由于在固定线穿透的位置的区域中形成微裂纹的趋势减小，完工复合元件的机械性能被改善。同时，依据本发明的固定线可能实现固定线的最佳操作性能，特别是在“TFP”处理被应用时。此外，界面可能仅仅获得在固定线区域中树脂基质的延展性的局部增加，使得树脂基质其余部分的机械性能的损坏极大地被排除。此外，依据本发明的固定线可在已知CNC自动缝合或刺绣机上容易地且高速地被处理，不需要任何重大结构改变。
此外，依据本发明的固定线还可使强化纤维的平铺(laid)纤维股被缝合在一起以产生片状强化形成物。这种片状强化形成物例如为碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等的机织或无纺织物。
依据本发明的固定线的另一有益改进使得芯线或多个芯线改善界面的加工性能和/或影响复合元件的机械性能。
因此，可能的是使用依据本发明的通过至少一个芯线与热塑性材料的界面(interface)组合而形成的固定线，在高速自动，特别是CNC控制、缝合或刺绣机等上，通过TFP处理生产纤维预制品。
依据本发明的固定线的另一有益改进，芯线或多个芯线由确保适当加工性能的线材料形成，特别是由聚酯材料等形成。
特别是，由聚酯形成的芯线可能获得固定线的良好的综合加工性能，所述固定线通过至少一个芯线与热塑性材料界面的组合而形成。术语“良好加工性能”旨在特别表示固定线尤其可在自动缝合或刺绣机上被处理，而没有断裂、拉长、线损伤等。
依据本发明的固定线的另一有益改进，芯线或多个芯线由能够承受高机械载荷的材料制成，特别是碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。因此，固定线最初可用于强化纤维的连接和固定，但是如果需要，也在固定线的纵向轴方向上以明显的程度吸收机械力，以在最终的复合元件中补充强化纤维。此外，可能的是，由多个细丝形成芯线自身，也就是说，例如由单独碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。
依据另一有益改进，固定线具有大致圆形的外周轮廓。
因此，固定线可以在已知自动CNC缝合或刺绣机上容易地且一般地加工，无需对机器侧的任何重大改变。
依据本发明的另一有益改进，通过使用聚合物材料，特别是使用热塑聚合物材料，封闭至少一个芯线的至少部分来形成界面。
这允许以简单方式形成依据本发明的固定线：使用热塑性材料封闭例如聚酯细丝的常规固定线。通过热塑性材料封闭，围绕固定线的树脂基质或树脂系统的延展性仅仅在局部被增加。一种结果在于：在固定线穿透的区域中形成微裂纹的趋势被减小，同时避免了热塑性材料不受控制地渗入树脂基质。此外，仅仅具有相对小的材料厚度的封闭的影响在于：在固化处理期间仅仅相对少量的热塑性材料被释放进基质中，从而根据本发明，基质的延展性仅仅有局部变化。
本发明的又一有益改进在于，界面通过结合(bonding)至少一个芯线与聚合物材料，特别是热塑聚合物材料的界面线而形成。
这涉及一种例如具有大致半圆形横截面形状的芯线，该芯线在半圆形的基线区域中与界面线结合，所述界面线同样地具有大致半圆形横截面形状，从而，产生具有同样大致半圆形横截面形状的固定线。芯线与例如由聚丙烯材料形成的界面线的结合可以例如通过将热塑性材料熔合至芯线而发生。不同于圆形的横截面形状，实际上任何希望的形状在这里都是可行的。
依据另一有益改进，界面通过绞合(twist)至少一个芯线和至少一个聚合物材料，特别是热塑性聚合物材料的界面线而形成。
这允许依据本发明的固定线由预先制造的半成品，例如常规聚酯固定线和热塑性线，以特别简单方式来制造。
附图中：
图1显示通过依据本发明的固定线的第一示例实施例的横截面，
图2显示通过依据本发明的固定线的第二示例实施例的横截面，
图3显示通过依据本发明的固定线的第三变型方式的横截面，和
图4显示依据本发明的固定线的第四变型方式的一部分的平面图。
图1显示依据本发明的固定线的第一示例实施例的横截面。
固定线1由芯线2形成，芯线2具有热塑性材料封套(enclosure)3，以形成界面4。芯线2为常规固定线，例如仅仅可以承受低机械载荷的聚酯线等。封套3表示相对于可固化聚合物材料(没有被表示)的周围基质(matrix)的界面4，从而获得周围基质的延展性的期望的局部增加，特别是在固定线1穿透的区域，从而，通过使用固定线1使在完成的复合元件的基质中形成微裂纹的趋势明显降低。在固化处理中，封套3的热塑性材料局部地自动分布在固定线和基质之间的边界区域中。封套3由合适的热塑性聚合物材料形成，例如聚乙烯、聚丙烯等，并且相对于芯线2的直径具有小的材料厚度，从而在固化处理中使热塑性材料最小化地进入基质。可固化特别是通过交联固化以形成基质的可固化聚合物材料和树脂系统例如是微环氧树脂、聚酯树脂、BMI树脂等。
图2和图3显示依据本发明的可选择实施例的横截面表示。
图2中的固定线5依次通过芯线6和界面线7来形成，两者在基线8的区域中被互相结合，例如通过熔化由热塑性材料形成的界面线7等。优选地，芯线6和界面线7具有大致半圆形横截面形状，以使固定线5具有大致圆形横截面形状。在这种情况中，界面线7形成实际界面9，其依据本发明使周围基质(没有表示)区域中的延展性局部增加。而芯线6是常规固定线，例如聚酯细丝等。
图3表示的固定线10由两个芯线11、12和两个界面线13、14形成。这里，固定线10具有大致圆形的外周轮廓，如由虚圆周线所指示的。而芯线11、12为常规固定线，例如聚酯细丝等。相反地，界面线13、14由热塑性材料形成以形成界面15，界面15同样地用于相对于基质在边界区域中的延展性的局部增加。
图4显示依据本发明的固定线的第四变型方式的一部分的平面图。固定线16具有芯线17且平行于图面延伸。芯线17用热塑性材料的界面线18螺旋缠绕，以形成延展性增加界面19。缠绕还可以采用多于一层的方式，缠绕方向在层与层之间变化。
代替由常规固定线形成，所述常规固定线通常由聚合物材料等构成，芯线2、6、11、12和17还可以至少部分地由包括可以承受高机械载荷的线材料的线制成，从而，在纤维预制品内的实际固定功能之外，以这种方法制成的固定线在完成的复合元件内的固定线的各个纵轴方向上可以吸收机械力达明显的程度。例如，成束的单独玻璃纤维、碳纤维或芳族聚酰胺纤维被考虑作为能够承受高载荷的线材料。
相反地，在所示的所有变型方式中，界面线7、13、14和18由热塑性材料制成，例如由聚丙烯、聚乙烯等，以在基质和固定线之间的边界区域中获得基质延展性的确定的局部增加，这是本发明所追求的。
依据本发明的固定线1、5、10、16同样可以被用于生产例如条带形式的带有纤维股或强化纤维的连续机织或无纺织物，强化纤维例如是碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等。这种类型的机织或无纺织物还被称为术语“片状强化形成物”。在这种情况中，例如，一个设置在另一上部或交叉织造的强化纤维的纤维股例如通过固定线1、5、10、16被缝合在一起，随后被固定以防止不想要的位置改变等。
因此，本发明涉及用于将加强纤维缝合在一起的固定线1、5、10、16，特别是用于形成纤维预制品(preform)的固定线，用于通过注入可固化聚合物材料生产强化纤维复合元件，固定线具有界面4、9、15、19，特别用于局部增加由可固化聚合物材料制成的基质的延展性，并且具有至少一个芯线2、6、11、12、17。
例如，芯线2、6、11、12和17或芯线2、6、11、12、17改善了界面4、9、15、19的加工性能和/或影响复合元件的机械性能。
芯线2、6、11、12和17或芯线2、6、11、12、17优选由确保足够加工性能的线材料制成，特别是由聚酯材料等制成。
芯线2、6、11、12和17或芯线2、6、11、12、17还优选可以由能承受高机械载荷的材料制成，特别是由玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维等制成。
固定线1、5、10、16有益地具有大致圆形的外周轮廓。
界面4例如由封套3制成，所述封套3使用聚合物材料围绕至少一个芯线2至少部分，聚合物材料特别是热塑性聚合物材料。
界面9特别通过结合至少一个芯线6与聚合物材料的界面线7制成，聚合物材料特别是热塑性聚合物材料。
界面15还有益地通过绞合至少一个芯线11、12与聚合物材料的至少一个界面线13、14制成，聚合物材料特别是热塑性聚合物材料。
此外，例如，界面19通过用聚合物材料的带状的至少一个界面线18缠绕在至少一个芯线17周围而制成，聚合物材料特别是热塑性聚合物材料。
参考标记列表
1固定线
2芯线
3封套
4界面
5固定线
6芯线
7界面线
8基线
9界面
10固定线
11芯线
12芯线
13界面线
14界面线
15界面
16固定线
17芯线
18界面线
19界面
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.用于将强化纤维缝合在一起以形成纤维预制品的固定线(1、5、10、16)的用途，纤维预制品用于通过注入可固化聚合物材料来生产纤维强化复合元件，其中固定线(1、5、10、16)包括热塑性聚合物材料的界面(4、9、15、19)，用于局部增加由可固化聚合物材料制成的基质在固定线穿过的区域中的延展性，所述固定线(1、5、10、16)具有由多个碳纤维细丝制成的至少一个芯线(2、6、11、12、17)。
2.用于将强化纤维缝合在一起以形成纤维预制品的固定线(1、5、10、16)，纤维预制品用于通过注入可固化聚合物材料来生产纤维强化复合元件，其特征在于，固定线(1、5、10、16)包括热塑性聚合物材料的界面(4、9、15、19)，用于局部增加由可固化聚合物材料制成的基质在固定线穿过的区域中的延展性，所述固定线(1、5、10、16)具有由多个碳纤维细丝制成的至少一个芯线(2、6、11、12、17)。
3.依据权利要求2的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：固定线(1、5、10、16)具有大致圆形的外周轮廓。
4.依据权利要求2或3的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(4)由封闭至少一个芯线(2)的封套(3)形成。
5.依据权利要求2或3的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(9)通过结合具有半圆形横截面形状的至少一个芯线(6)与具有半圆形横截面形状的界面线(7)而形成。
6.依据权利要求2或3的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(15)通过绞合至少一个芯线(11、12)与至少一个界面线(13、14)而形成。
7.依据权利要求2或3的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(19)通过将条带形式的至少一个界面线(18)缠绕在至少一个芯线(17)周围而形成。

Claims (6)

1.一种用于将强化纤维缝合在一起以形成纤维预制品的固定线(1、5、10、16)，用于通过注入可固化聚合物材料来生产纤维强化复合元件，其特征在于：固定线(1、5、10、16)包括热塑性聚合物材料的界面(4、9、15、19)，用于局部增加由可固化聚合物材料制成的基质在固定线穿过的区域中的延展性，该固定线(1、5、10、16)具有由多个碳纤维细丝制成的至少一个芯线(2、6、11、12、17)。
2.依据权利要求1的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：固定线(1、5、10、16)具有大致圆形的外周轮廓。
3.依据权利要求1或2的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(4)由封闭至少一个芯线(2)的封套(3)形成。
4.依据权利要求1或2的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(4)通过结合具有半圆形横截面形状的至少一个芯线(6)与具有半圆形横截面形状的界面线(7)而形成。
5.依据权利要求1或2的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(15)通过绞合至少一个芯线(11、12)与至少一个界面线(13、14)而形成。
6.依据权利要求1或2的固定线(1、5、10、16)，其特征在于：界面(19)通过将条带形式的至少一个界面线(18)缠绕在至少一个芯线(17)周围而形成。
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