CN101489767B - 模塑材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种模塑材料(14，20，26，32，36，40，48)，制造这种模塑材料的方法、由这种模塑材料模制的产品，使用所述材料模制产品的成套模具和方法，该模塑材料(14，20，26，32，36，40，48)包括具有连续的增强纤维(12，24，30)的纤维材料(10，22，28，34)，至少一些增强纤维在沿其长度的至少一个点处被切断。该连续的增强纤维通常为单向纤维，即机织的、针织的、编织的或缝合的纤维材料。

Description

模塑材料

技术领域

本发明涉及模塑材料、模塑材料的制造、使用该模塑材料模制的产品和模制方法，特别地但不唯一地涉及用于生产纤维增强复合材料的模塑材料和方法。

背景技术

纤维增强复合材料一般是使用纤维增强材料形成的，也就是包括纤维增强材料，该纤维增强材料有两种主要类型，通常称为不连续的和连续的增强材料。

不连续的纤维增强材料一般包括在纤维层内随机定向的长度较短的纤维。这种长度相对短的随机纤维“毡(mats)”提供的模塑材料具有良好的悬垂特性，这使得该材料能够符合相对复杂的模型表面，且不会在拐角处产生跨接的明显问题。所用的跨接是一个术语，其中模塑材料不能精确地符合模型的形状，特别是在拐角处，但是实际上如果没有假定拐角在模型中的定义和形状该模塑材料会穿过或跨接在拐角上。

这种不连续的纤维增强复合材料的缺点是，随机纤维不能很好地打包，因此这种材料的纤维容积率被限制到大约30％。这样相对低的纤维容积率使得材料以及由此制造的产品的性能特别是机械性能相对较低。

连续的纤维增强材料一般是单向的机织的、针织的、编织的或缝合的纤维材料，该纤维材料包括长度相对长的纤维。单向的纤维材料由布置在线轴架上的纤维线轴形成，多束纤维穿过导向装置提供平整的纤维板或网，其中所有纤维通常都沿着相同的方向延伸。这些纤维通常以良好捆装的方式排列，因此其通常具有55-60％的高纤维容积率。这意味着和使用非单向的纤维增强材料制造的产品相比，使用单向纤维制造的产品容易具有相对更好的机械特性，并且表面光洁度倾向于更高。但是，单向材料的一个明显缺点是其不能够沿纤维长度的方向移动，这意味着使用单向纤维材料形成的模塑材料会带来跨接的缺点和不能悬垂在复杂的几何形状上。这可能是一个很大的缺点，当使用这种材料形成复杂形状时，在沿纤维长度的方向需要一定程度的弹性以消除跨接。

机织的、针织的、缝合的和编织的纤维增强材料一般包括根据常规技术交织的长度相对长的纤维，用于形成纤维层。此外，这种纤维层一般具有一致的结构，但是纤维一般不会像在单向材料中那样有效地捆装。典型的机织织物预浸料坯具有40至50％的纤维容积率。机织增强材料的一个缺点是，机织过程会将褶皱和波纹引入纤维层。纤维增强树脂当其绝对笔直时特别是在复合材料的压缩特性方面可最有效地由此形成。已经纽结的纤维如机织的、针织的和编织的纤维容易起皱。此外，机织的预浸料坯在纤维不精确遵循模具或模型轮廓时还会产生跨接的问题，从而产生具有轮廓较差的拐角的元件，这会再次不利于由此形成的元件的机械特性和/或外观。机织的预浸料坯所带来的“跨接”问题倾向于比单向的预浸料坯所带来的更小，但是跨接的问题仍然存在。

发明内容

根据本发明，提供一种模塑材料，包括具有连续的增强纤维的纤维材料，至少一些增强纤维在沿其长度的至少一个点处被切断。

优选地，每个纤维包括多个分段，至少一些分段优选所有分段通常沿纤维的长度对齐。每个分段包括长度相对短的纤维，优选地相邻纤维的相邻分段通常彼此平行地延伸。优选地，每个长度相对短的纤维的长度介于5和100毫米之间，优选地介于15和75毫米之间。

优选地至少一些短纤维(cut fibres)在其长度上的多个点被切断。一些或所有所述多个短纤维沿纤维的长度均匀间隔，或者优选地处于预定的位置。

优选地层中的短纤维布置成使得材料通常仍然保持完好无损。优选地材料中的至少一些纤维是单向的，并且通常沿一个方向延伸，所述纤维优选包括该短纤维或一些短纤维。材料中的短纤维沿横过单向纤维的长度方向的横向方向延伸，优选在多个相邻纤维上延伸。至少一个短纤维通常垂直于单向纤维的方向延伸。可替换地，或者附加地，短纤维优选以相对单向纤维的方向成20°至110°的角度延伸。该角度可以介于20°和60°之间，更优选地是大约45°。

优选地一个或多个短纤维仅在材料中的一些所述纤维上延伸，优选在5至50％的所述纤维上延伸，更优选地是在15至30％的所述纤维上延伸。每个或一些短纤维大体上是直的。

可替换地，或者附加地，一个或多个短纤维在所有单向纤维上延伸，优选地在模塑材料的宽度上延伸。

可以在纤维材料上设置短纤维的图案，该图案包括通常规则的且可能重复的短纤维的图案。使一些短纤维对齐，优选沿横过纤维的横向方向同轴。所述一些短纤维包括横过纤维的可替换短纤维。

在纤维材料的一个或多个区域选择性地布置短纤维，该区域被预先确定成其中要求材料在模制过程中符合相对综合或复杂的形状或轮廓的区域，该短纤维有利于符合。短纤维的结构为使得其用于通过例如促进在该/这些区域的材料的改进悬垂性而帮助材料变形和符合。在不要求材料显示出增强的一致性的区域，可以减少短纤维的数量或者将其减少到零。

优选地纤维材料的形式为薄片或层。优选地该短纤维或至少一个短纤维延伸穿过层或薄片。

优选地纤维层包括纤维容积率为40至70％的单向材料，优选地纤维容积率为55至60％。

可替换地，纤维层包括纤维容积率大约为30％至65％，优选为40至55％的、机织的、缝合的、针织的或编织的织物。

模塑材料包括支撑部件，用于支撑纤维材料，以及特别地切断材料中的纤维，从而有助于使其保持对齐并由此保持材料的完整性。特别地提供支撑部件以在一个或多个短纤维完全或大体上完全横过延伸时保持纤维材料的完整性。支撑部件包括支撑材料层，该支撑材料层上带有纤维材料。纤维材料可以与支撑部件连接，优选是可剥离地连接。支撑部件包括塑料材料、纸、树脂材料、纤维增强的树脂材料或其他合适的支撑材料。

可替换地，或者附加地，模塑材料包括至少部分注入到纤维材料中的树脂材料，该树脂材料优选是可固化的树脂材料。

可替换地，或者附加地，在纤维材料的至少一个表面上优选以局部浸渍或未浸渍的方式布置树脂材料层。该树脂材料的形式为预浸料坯，其包括前述的支撑部件。

树脂材料包括热固性树脂，如环氧树脂、BMI、氰酸酯、酚醛树脂中的一种或多种。

可替换地，或者附加地，树脂材料包括热塑性树脂，如PES、PPIS、PI、PEI、PEEK中的一种或多种。

可替换地，或者附加地，模塑材料包括处于所述纤维材料一侧的第二纤维材料，其形式为薄片或层。所述第二纤维材料包括连续的纤维结构，如单向的、机织的、缝合的、编织的和/或针织的织物，或者可替换地其包括不连续的纤维结构，如各向同性的短纤维毡片(chopped mat)。

模塑材料包括如在前面的15个段落中的任何一个段落所描述的多个纤维材料层，所述层中的至少一层相对其他层或其他层中的至少一层定向，使得纤维的方向特别是各个层中的单向纤维交叉且通常优选是相互垂直的。

优选地，一个实施例中，模塑材料包括两个所述纤维材料的相邻层，其定向成使得短纤维或者至少一些短纤维在一个层中彼此交叉，优选地通常垂直于另一个层中的短纤维或者至少一些短纤维延伸。优选的是相邻层中的短纤维不直接与其他短纤维叠合或叠置，因为这会在用模塑材料模制的产品中导致不可接受的削弱。在纤维的总方向上以非90°的角度提供短纤维可帮助促进相邻层的层合，这通常是通过尽可能地减少叠置的短纤维来手动实现的。

根据本发明的第二方面，提供一种制造模塑材料的方法，该模塑材料包括具有连续的增强纤维的纤维材料，该方法包括在沿其长度上的至少一个点切断至少一些所述连续的增强纤维。

优选地每个短纤维被切割成多个分段，使至少一些所述分段优选地是所有分段对齐。优选地，每个短纤维被切割成包括一系列长度相对短的纤维，使得相邻纤维的相邻分段通常彼此平行地延伸。优选地，纤维被切割成5至100毫米的长度，优选地是15至75毫米。该短纤维或至少一些短纤维延伸穿过纤维材料。

优选地，沿短纤维的长度上的多个点切割短纤维。一些或者所有多个短纤维沿纤维的长度均匀间隔，或者优选地处于预定的位置。

优选地短纤维形成为使得材料通常保持完好无损。优选地，材料中的至少一些纤维是单向的，同时在材料中沿一个方向延伸，所述纤维包括短纤维。优选地，在横过所述纤维长度方向的横向方向形成材料中的短纤维，该短纤维优选在多个相邻纤维上延伸。

优选地，一个或多个短纤维形成为通常垂直于单向纤维的方向延伸。

可替换地，或者附加地，优选以相对单向纤维的方向成20°至110°的角度形成一个或多个短纤维。该角度可以介于20°和60°之间，期望地是大约45°。

优选地，一个或多个短纤维形成为仅在材料中的一些所述纤维上延伸，优选在5至50％上的所述纤维上延伸，更优选地在15至30％的所述纤维上延伸。

可替换地，或者附加地，一个或多个短纤维形成为在所有单向纤维上延伸，因此优选在纤维材料的全宽度上延伸。

可以在纤维材料上布置短纤维的图案，该图案包括通常规则的且可能重复的图案。一些短纤维沿纤维的横向方向对齐和同轴。所述短纤维包括在纤维上交替的短纤维。

所用的纤维材料的形式可以是薄片或层。优选地，该短纤维或至少一些短纤维形成为穿过该薄片或层。

优选地，纤维层包括纤维容积率为40至70％优选为55％至60％的单向材料。

可替换地，所用的纤维材料包括纤维容积率大约为30％至65％优选为40％至55％的机织的、缝合的、针织的或编织的织物。

支撑部件用于支撑纤维材料，以及特别地切断材料中的纤维，从而有助于使其保持对齐并由此保持材料的完整性。所用的支撑部件特别地设置成在一个或多个短纤维完全或大体上完全在材料上延伸时保持材料的完整性。所用的支撑部件包括支撑材料层，该支撑材料层上带有纤维材料。纤维材料与支撑部件连接，优选可剥离地连接。所用的支撑部件包括塑料材料、纸、树脂材料或其他合适的支撑材料。

可替换地，或者附加地，模塑材料包括树脂材料，该树脂材料优选是可固化的树脂材料。所用的树脂材料至少部分被注入到纤维材料中。

可替换地，或者附加地，在纤维材料的至少一个表面上优选以局部浸渍或未浸渍的方式布置树脂材料层。树脂材料的形式为预浸料坯，其包括上述的支撑部件。

树脂材料包括热固性树脂，如环氧树脂、BMI、氰酸酯、酚醛树脂中的一种或多种。

可替换地，或者附加地，树脂材料包括热塑性树脂，如PES、PPIS、PI、PEI、PEEK中的一种或多种。

可替换地，或者附加地，用处于所述纤维材料一侧的第二纤维材料制造模塑材料，该第二纤维材料的形式为薄片或层。所用的第二纤维材料包括连续的纤维结构，如单向机织的、缝合的、编织的和/或针织的织物，或者可替换地，其包括不连续的纤维结构，如各向同性的短纤维毡片。

可以使用如上所述的多个纤维材料层制造模塑材料，其中所述层中的至少一层相对其他层或其他层中的至少一层定向，使得纤维的方向特别是各个层中单向纤维的方向通常相互垂直。

优选地，在一个实施例中，模塑材料制造成包括两个所述纤维材料层，其定向成使得在一个层中的短纤维或至少一些短纤维通常垂直于另一个层中的短纤维或者至少一些短纤维延伸。优选地，这种多层材料布置成使得相邻层中的短纤维不会叠置，尽管他们相互交叉。

根据本发明的第三方面，提供一种使用如在上面的段落7至41中的任何一段中所描述的模塑材料形成的模制产品。

根据本发明的第四方面，提供一种使用如在上面的段落7至41中的任何一段中所描述的模塑材料模制产品的方法，该方法包括在模型或模具上布置一层或多层模塑材料，然后使所述材料经受一定的条件以便模制所述材料。

所述条件包括固化所述材料的条件，其包括提升温度和/或压力的条件。

根据本发明的第五方面，提供一种层合工具，包括用于层合的多个模塑材料，所述材料是如上面的段落7至41中的任何一段所限定的。

附图说明

现在仅作为实例参考附图描述本发明的实施例，其中：

图1是在本发明的一些实施例中使用的单向纤维层的示意图；

图2是根据本发明的第一实施例的模塑材料；

图3是根据本发明的第二实施例的模塑材料；

图4是根据本发明的第三实施例的模塑材料；

图5是根据本发明的第四实施例的模塑材料；

图6是根据本发明的第五实施例的模塑材料；

图7是根据本发明的第六实施例的模塑材料；

图8是根据本发明的第七实施例的模塑材料；

图9是根据本发明的第八实施例的模塑材料；

图10是根据本发明的第九实施例的模塑材料；

具体实施方式

本发明提供了一种模塑材料、制造这种模塑材料的方法、由这种模塑材料模制的产品的方法，使用所述材料模制产品的成套模具和方法，该模塑材料包括具有连续的增强纤维的纤维材料，至少一些增强纤维在沿其长度的至少一个点处被切断。该连续的增强纤维通常为单向纤维，即机织的、针织的、编织的或缝合的纤维材料。

图1是形式为层10的纤维材料的图形表示，该纤维材料包括长度较大的单向纤维12，该单向纤维在通常平行的配置中沿层的长度L延伸。图1的视图是平面图。纤维层10的厚度(未示出)可以根据纤维层的预定用途来确定，可以按照本领域技术人员熟知的常规技术来形成纤维层10。

传统上使用通常如图1所示的单向纤维层作为在纤维增强的树脂复合材料的生产过程中使用的预浸料坯中的纤维增强材料。在这种单向结构中纤维的精调直可提供较高的容积率，其范围通常是50-60％，这为使用这些纤维增强材料形成的材料提供了相对较高的机械特性。此外，和包括非单向纤维增强材料的复合材料相比，单向纤维增强的复合材料显示出极高的表面光洁度。然而，这种材料的一个明显缺点是，单向的预浸料坯不会很好地符合复杂的几何形状，因此常常会在模制过程中产生跨接的问题。

图2是根据本发明的一个实施例的模塑材料14的图形表示。该模塑材料14包括具有连续的增强纤维18的纤维层16，每个增强纤维在沿其长度的多个点P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8处被切断。每个切口延伸穿过纤维层16的厚度。点P1至P8通常是均匀间隔的，使得每个纤维18被切割成多个相对短的大体上等长度的分段S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9。现在每个纤维18实际上沿其长度是不连续的，但是每个纤维的分段通常沿模塑材料14的长度保持对齐。

在该特殊实施例中，由于短纤维在纤维层16的全宽度W上延伸，为了保持层的完整性，换句话说为了防止分段S1至S9相对彼此移动，可以提供支撑材料(未示出)。该支撑材料的形式可以是由任何合适材料构成的衬里层，其上可剥离地带有纤维层16。该衬里层例如包括纸、塑料、树脂或其他纤维材料。

模塑材料14显示出超过已知模塑材料的优点，特别是在使用模塑材料14生产模制产品的过程中。

使介于分段S1至S9之间的纤维长度对齐通常可给模塑材料14提供如图1所示的单向纤维材料所具有的优点，即由此制造的材料具有相对高的机械强度以及高容积率和高表面光洁度，而在分段S1至S9中长度相对短的纤维能够使材料更加精确地符合模型表面的复杂的平面形状和几何形状，如拐角，从而有助于减轻跨接的缺点以及通常单向预浸料坯所具有的较差的悬垂特性。

为了保持一系列分段S1至S9在纤维18内对齐，需要使用非常锐利的且精确的装置布置短纤维，以防止在切割过程中的移位。通过在纤维上挤压刀口，或者可能地在纤维上转动刀口可以形成短纤维。这些技术不会使纤维移动，而是在纤维上移动刀口。

然而，我们并不认为纤维分段的一些有限的移动会显著地影响模塑材料14超越传统材料的性能和优点。

图3是根据本发明的第二发明的模塑材料20的图形表示。正如在图2的实施例中的一样，模塑材料包括由单向纤维22的阵列构成的纤维层22，该单向纤维在其长度上的多个位置被切断。在该实施例中，短纤维没有在纤维层22的宽度W上延伸，但是仅在其宽度的一部分上延伸，从而仅在一些纤维24上延伸。在沿纤维层22的宽度W的方向的相邻短纤维在沿纤维层22的长度L的方向相对彼此交错或移位。布置在这种结构中的短纤维有助于保持纤维层的完整性，使得如果仔细地处理所布置的材料，则可以消除或减小了提供支撑材料来支撑纤维层以及帮助保持纤维在示出的结构中的需要。然而，如果期望，通常可以以上面论述的形式布置支撑材料。

小心地沿通常垂直于纤维24延伸的方向的横向方向形成每个切口，长度大约为五分之一的宽度W。短纤维是所有大体上相同的长度，每个短纤维延伸一部分宽度W，示出为W1、W2、W3、W4、W5。这些短纤维为大约材料宽度的五分之一。每个延伸了宽度W1的纤维24在连续的点P1至P8处被切断。宽度W2上的纤维24同样在点P9至P16处被切断，但是每个短纤维被近似地布置在沿长度L方向上宽度W1中两个相邻位置P1至P8之间的中部的位置。例如，在宽度W2中切口P10近似地布置在相邻宽度部分W1中位置P1和P2之间的中部。

类似地在其他宽度部分W3、W4、W5，使短纤维交错使得W1、W3、W5中的短纤维相对纤维层的长度L基本上处于相同的位置(即大体上同轴地延伸宽度W)，并且宽度部分W2、W4中的短纤维电同样地对齐。

本实施例的模塑材料20通常可获得单向的预浸料坯所具有的多个优点，此外还具有改进的悬垂性，从而使传统的单向预浸料坯更容易地符合复杂的形状，如模型和模具内的拐角。

图4示出了根据本发明的第三实施例的模塑材料26。

正如在前面的实施例中的一样，该模塑材料26源自通常如图1所示的单向连续的纤维材料层，但是其包括通常相对单向纤维30的方向以45°的角度对角地延伸的短纤维图案。

在长度为L的纤维层28以及纤维30的连续分段L1至L11上布置一系列短纤维。每个分段L1至L11中有一系列的六个短纤维，他们通常彼此平行地延伸。实际上所有的短纤维通常都彼此平行地延伸，但是各个分段L1至L11之间的短纤维相互间隔开，这样可使一定长度的纤维在相邻的分段L1至L11之间延伸，从而有助于保持材料的完整性和短纤维的相对位置。此外利用短纤维的这种布置，每个纤维30在沿其长度L的多个位置处被切断，以提供一系列通常对齐的纤维分段。每个切口仅在纤维层28的一部分宽度W上延伸，使得纤维层28通常保持在一起。如果小心地处理材料，则可以不必提供其他的支撑材料来使纤维层28保持在一起来保持其完整性。然而，当然如果期望也可以使用如上所述的合适的支撑材料。

此外，该实施例的模塑材料26具有单向预浸料坯所具有的优点，但是不会产生通常这种材料所具有的悬垂性较差的缺点。

上面描述的实施例示出了本发明的单向纤维层，但是本发明也可以应用于其他连续的纤维层，如机织的、缝合的、编织的或针织的纤维织物。

图5示出了本发明的一个实施例，其中模塑材料32包括由连续的机织织物层34构成的纤维层，其具有如参照图4描述的短纤维的结构。

根据本发明短纤维的布置可使材料32具有超过传统机织织物的改进的悬垂性，同时具有机织织物所附有的多个优点。

应该理解，参考图2和3的实施例示出的短纤维的结构也可以很容易地适用于这种机织织物，实际上可以适用于其他连续的织物结构，如编织的、针织的和缝合的织物。

上面讨论的模塑材料特别地可适用于生产纤维增强的树脂复合材料以及由该复合材料制成的产品。因此模塑材料可以包括树脂材料(未示出)，该树脂材料大体上被全部注入到纤维层中、被部分注入到纤维层中，或者与纤维层的一面或两面连接。

树脂材料通常可根据预浸料坯和由此模制的产品的特性以及应用来进行选择。

可以使用热固性树脂，如环氧树脂、BMI、氰酸酯、酚醛树脂中的一种或多种。

可以使用热塑性树脂，如PES、PPIS、PI、PEI、PEEK中的一种或多种。

可以使用传统技术将纤维材料和树脂材料结合在一起。

采用传统技术，使用本发明的模塑材料可以制造产品。对于纤维增强的复合材料，树脂在模塑材料中通常是未固化的或者部分固化的，其通常被称为预浸料坯。通常是在升高的温度和/或压力的条件下，以常规的方式将模塑材料布置在模型或模具上，并使其经受一定的条件强化预浸料坯层和固化树脂材料。

如上所述，本发明的模塑材料显示出超越常规的连续纤维预浸料坯的改进的悬垂性，使得其更容易形成复杂的几何形状和减小已知的“跨接”问题。通常这些实施例中短纤维在材料上的均匀分布或布置可使材料均匀地在其整个区域上具有改进的悬垂性和一致性。

在纤维材料的预定和选择区域布置短纤维属于本发明的范围。这些区域通常是被预先确定成其中要求材料在模制过程中具有改进的可塑性以及符合相对综合或复杂的形状或轮廓的区域，或者是具有改进的悬垂性的区域。在其他未要求材料具有改进的可塑性的区域中，由于当模制材料时连续纤维材料的相对较差的悬垂性不会导致任何缺点，因此纤维仍然保持未切断。这样可以改进材料的性能特别是由材料模制的产品的性能。实际上在其他需要一些可塑性增强的区域中，但是在某种较低的程度上，可以减少或改变短纤维的数量、频率或者长度，从而在不会必然削弱材料和由材料制成的产品的情况下达到所需的变形和一致性的程度。

图7是根据本发明的第六实施例的模塑材料40的图形表示。该模塑材料40成形为在模制汽车机罩或发动机罩中使用。其包括连续的纤维材料(单向的或其他)，该纤维通常沿箭头X的方向延伸。

布置三个切除部42、44和46。切除部42预先确定为在模制材料过程中帮助形成进风以便形成机罩，切除部44和46用于布置前灯。在这些切除部42、44和46周围，以及在材料40周边的周围是被预定为这样的区域，即在这些区域连续中纤维材料的较差的原有悬垂性将令人不满意地阻碍材料的模制，因此在这些区域中选择性地形成短纤维C，以改进当材料处于模型或模具中用于模制时材料40的悬垂性和可塑性。

通常在中心区域R，在前灯切除部44和46之间，布置更加广泛分布的短纤维图案。该区域被确定为要求一定改进的悬垂性(超过未切断的纤维)，因为在该区域要求一定的模型的几何形状一致性，但是在悬垂性改进的程度上，所要求的一致性小于其他的区域，因此可以预先确定所要求的短纤维密度较小。

在材料40的其余部分，纤维一直保持连续(未切断)，因此在这里将连续纤维材料的原有悬垂性确定为不会在模制过程中阻碍模塑材料的性能，因此优选的是保持纤维的完整性以保持其原有的优点。

可以手动地或自动地形成短纤维。例如，可以使用CNC复合切割机形成短纤维，同时或者之后切割出材料40的外部形状。

如该实施例所指示的，短纤维随着悬垂性的程度而变得密集，一致性变得更大，以及该区域的细节或几何形状变得更加复杂。

图8示出了根据本发明的第七实施例的模塑材料48。

该模塑材料48包括如上所述的连续的纤维材料，但是该纤维材料的形式为细长的带材，同时纤维通常沿带材的长度方向X延伸。

在中心区域RC布置短纤维图案，该短纤维通常相对方向X以大约45°延伸。这些短纤维通常与参考图4和5描述的那些短纤维相似。

在带材一端的另一区域RF中是通常与图3的实施例中的那些短纤维相似的短纤维图案。

可以根据各种参数如在各个区域RC、RF内的期望悬垂性和/或用于布置短纤维的技术或装置改变短纤维的精确图案或布置。

此外，可以改变其中沿带材或材料布置了短纤维的区域的位置和数量，并根据预定的应用进行确定。区域RC和RF是在多种可能的配置中简单示出的一种。

在中心区域RC布置短纤维可使区域RC具有增强的悬垂性和一致性。类似地，区域RF中的短纤维使该区域相对于材料48的其他区域具有改进的悬垂性和一致性。在各个区域中不同的切割图案使这些区域具有不同的悬垂性。

这使得能够将更加复杂的几何形状引入到材料48中的区域RF和RC，因为切口会倾向于展开并允许带材的外边缘遵循比内边缘更大的半径。

提供包括如上所述的多个模塑材料层属于本发明的范围。例如，可以将如在前面任一实施例中的描述的纤维层布置在同一实施例或其他实施例的另一个纤维层的上面。在形成这种多层材料包括预浸料坯或预成型坯的地方，优选的是连续层内的短纤维不重叠。实际上，优选的是短纤维定向成相对相邻层中的短纤维与其方向通常是垂直的。

图9示出了模塑材料100，其包括为了便于说明以“分解”视图移开示出的四个独立的层100a、100b、100c和100d。

四个层每一层都包括单向的纤维材料层。在纤维层100a中纤维的方向通常沿箭头a的方向，类似地在层100b、100c和100d中纤维的方向通常分别沿箭头b、c和d的方向。

上层100a具有短纤维图案110，其中每个切口通常垂直于纤维的方向a延伸。层100c中具有大体上相同的结构和短纤维图案120。一些或所有短纤维110、120一直延伸穿过相应的层100a和100c。层100b和100d中没有短纤维。

各个层100a、b、c和d彼此叠置。

按照传统技术层合模塑材料100，该传统技术包括应用压力、粘合剂和/或其他技术在各个层100a、b、c、d完全固化之前使其保持在一起。可以使材料100部分固化作为达到完全固化的中间步骤。

图10示出了模塑材料100，其包括为了便于说明同样以“分解”视图移开示出的四个层200a、b、c和d。

此外，每个层200a、b、c和d都包括通常分别沿箭头a、b、c和d的方向延伸的单向纤维。

上层200a包括在此交叉延伸的短纤维图案210。每个短纤维210以相对单向纤维的方向a成大约45度的角度延伸。

层200c具有相似的短纤维图案220，该短纤维以相对其内的单向纤维的一般方向c层45度的角度延伸，但是大体上垂直于层200a中的短纤维210。

短纤维210、220布置成在平面图中沿其长度的一点上彼此交叉地穿过，或者根据材料200的设计特性，移动图案使得短纤维不交叉。一些或所有短纤维210和/或220一直延伸穿过相应的层200a、200c。

层200b和200d没有短纤维。

正如在前面的实施例中的一样，按照传统的技术使层200a、b、c和d彼此层合。

上面是利用本发明能够实现的多种可能的多层结构中的两个实例。各个层中的任何一层或多层包括干纤维、树脂浸制纤维如预浸料坯，或侧预浸料坯(sided-prepregs)。各个层中的任何一层包括如上文所述的模塑材料。

可以使用带材铺放机形成叠层，包括多个模塑材料层，特别是形式为带材的模塑材料层。在通常宽度为5毫米至150毫米的辊子或带盒上提供模塑材料或带材。自动带材铺放头与CNC台架连接，并利用辊子和自动切割机自动地将带材放置到模型或心轴上，从而强化和修剪材料。

使用传统的带材铺放技术制造的大多数结构是较大的、形状简单的空间结构、翼梁、翼壳(wing skin)、整流罩等类似物。几何形状通常限定为连续的，特别地单向带材由于带材不能拉伸而不能被引入到复杂形状的周围，因此当将材料引入一定半径时，内部的纤维将聚成一团并起褶皱。这个问题会随着材料变宽以及半径变大而加剧。

作为本发明的特殊实例，模塑材料可以由两层重量相对轻(每平方米70克)的模塑材料48构成。一层48层合在另一层上，同时区域RC中的短纤维以+45°和-45°彼此叠置，使得其不会重叠，尽管他们在一个点交叉。然后可以将这样制得的140克带材在区域RC和RF容易地引入更加复杂的形状或半径，因为短纤维将会展开并允许带材的外表面遵循比内表面更大的半径。

带材铺放机可以在层合之前切断各个层。

参考图7，可以使两个或多个模塑材料40的层彼此层合，因此使切除部42、44和46重叠。然而，短纤维C可以布置成不直接重叠。在图7中，如果切除部C相对方向X成+45°，则在层合于该层之上的层中短纤维将以相对方向X成大约-45°的角度垂直地延伸。

图6是模塑材料36的图形表示，其包括参考图2描述的实施例中的两个模塑材料层14a、b。最下层14a的第一纤维层16a定向成如图2所示的，同时纤维沿长度L延伸，并在位置P1至P12处布置短纤维，该短纤维在材料36的宽度W上延伸。第二最上层16b布置在层16a的上面，使得其中的纤维通常相对最下层16a中纤维的方向垂直地在其方向延伸，并且与这些纤维交叉的短纤维在位置P13至P17向下延伸材料的长度L。

特别地，关于参考图2描述的实施例，以这种方式提供两个纤维层有助于稳定模塑材料的结构，同时还可以提供具有改进悬垂的材料并由此模制寻求的特性。

在不脱离本发明的精神或范围的条件下可以进行各种修改。

在上述的实施例中，短纤维一般描述成是均匀间隔的。提供不规则间隔的至少一些或所有短纤维以及提供不规则的或仅仅部分规则图案的短纤维也属于本发明的范围。该短纤维可以根据特定模塑材料的期望应用和预定用途进行布置和确定尺寸。可以使一些或者可能是所有的短纤维仅延伸到达层或材料厚度的一半。短纤维相对于纤维的方向的角度可以是20°至110°，可以是介于20°和60°之间，该角度可以根据短纤维对材料特性的期望作用进行确定。

单向纤维层的纤维容积率的数量级为40-70％，优选地是55至60％。当纤维层是机织的、缝合的、针织的或编织的时候，纤维容积率大约为30-65％，或者优选地为40-55％。

当然可以将本发明的任意合适数量的材料彼此层设，以提供具有期望数量的层的叠层。可以在本发明的材料层之间设置中间层或板。各个层中短纤维的数量、定向、位置、图案和深度可以相同或不同，从而使材料能够设计成具有预定的特性，特别是悬垂特性。

尽管已经在前面的说明中努力勾画出了在本发明中被认为是特别重要的那些特征，但是应该理解，本申请人要求保护任何可专利性的特征或者在上文中提到的和/或在附图中示出的特征的组合，而无论其是否被着重地强调。

Claims (36)

1.一种预浸模塑材料，包括:

纤维材料的两个相邻层，以及

树脂材料，

其中所述树脂材料至少部分注入到纤维材料的所述层中，

其中每层包括纤维材料，所述纤维材料具有连续的增强纤维，至少一些增强纤维沿其长度具有短纤维，以提供长度介于5至100毫米的多个纤维分段，

所述短纤维是直的，并且在纤维材料的一个或多个区域选择性地布置短纤维，该一个或多个区域被预先确定成其中要求所述预浸模塑材料在模制过程中符合相对综合或复杂的形状或轮廓的区域，

所述短纤维有利于材料符合上述综合或复杂的形状或轮廓，材料中的纤维是单向的并且沿一个方向延伸，并且所述短纤维以相对单向纤维的方向成20°至110°的角度延伸，

所述至少两个相邻层定向成使得所述单向纤维在所述层中彼此交叉并且所述短纤维在所述相邻层中不直接与其他短纤维叠合或叠置。

2.如权利要求1所述的模塑材料，至少一些分段通常沿纤维的长度对齐。

3.如权利要求2所述的模塑材料，其中每个长度相对短的纤维具有15至75毫米的长度。

4.如在前的任何一个权利要求所述的模塑材料，其中短纤维以相对单向纤维的方向成45°的角度延伸。

5.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中所述短纤维的一个或多个在5至50％上的所述纤维上延伸。

6.如权利要求5所述的模塑材料，其中所述短纤维的一个或多个在15至30％的所述纤维上延伸。

7.如权利要求5所述的模塑材料，其中所述短纤维的一个或多个在所有的单向纤维上延伸。

8.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中在纤维材料上布置重复的短纤维的图案。

9.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中纤维材料的形式为薄片或层，其中纤维材料层包括纤维容积率为40至70％的单向材料。

10.如权利要求9所述的模塑材料，其中纤维层包括纤维容积率为30％至65％的机织的、缝合的、针织的或编织的织物。

11.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中模塑材料包括支撑部件，用于支撑纤维材料。

12.如权利要求11所述的模塑材料，其中该支撑部件用于切断材料中的纤维，从而有助于使其保持对齐并由此保持材料的完整性。

13.如权利要求11所述的模塑材料，其中支撑部件包括支撑材料层，该支撑材料层上带有纤维材料。

14.如权利要求11所述的模塑材料，其中纤维材料与支撑部件可剥离地连接。

15.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中所述树脂材料布置在未浸渍的纤维材料的至少一个表面上。

16.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中模塑材料包括处于所述纤维材料一侧的第二纤维材料。

17.如权利要求1-3之一所述的模塑材料，其中模塑材料包括多个纤维材料层，所述层中的至少一层相对其他层或其他层中的至少一层定向，使得纤维的方向相交叉。

18.如权利要求17所述的模塑材料，所述纤维的方向是各个层中的单向纤维的方向。

19.如权利要求17所述的模塑材料，其中纤维通常相互垂直地交叉。

20.一种制造模塑材料的方法，该模塑材料包括纤维材料的两个相邻层，每层包括纤维材料和至少部分注入到纤维材料中的树脂材料，每层中的纤维材料具有连续的增强纤维，该方法包括：

在沿其长度上切断至少一些所述连续的增强纤维成短纤维，以提供具有介于5至100毫米长度的多个纤维分段，所述短纤维是直的并且在纤维材料的一个或多个区域选择性地布置短纤维，该一个或多个区域被预先确定成其中要求材料在模制过程中符合相对综合或复杂的形状或轮廓的区域，使得该短纤维延伸穿过所述层，材料中的纤维是单向的并且沿一个方向延伸，并且使得所述短纤维以相对单向纤维的方向成20°至110°的角度延伸，以及

定向所述两个相邻层使得所述单向纤维在所述层中彼此交叉并且所述短纤维在所述相邻层中不直接叠合或叠置。

21.如权利要求20所述的方法，其中纤维被切割成15至75毫米的长度。

22.如权利要求20所述的方法，其中以相对单向纤维成45°的角度形成所述短纤维的一个或多个。

23.如权利要求20所述的方法，其中使所述短纤维的一个或多个在材料中5至50％的所述纤维上延伸。

24.如权利要求23所述的方法，其中使所述短纤维的一个或多个在15％至30％的纤维上延伸。

25.如权利要求20所述的方法，其中使所述短纤维的一个或多个在所有的单向纤维上延伸。

26.如权利要求20所述的方法，其中纤维材料的形式为纤维层或薄片，其中纤维层包括纤维容积率为40至70％的单向材料。

27.如权利要求26所述的方法，其中所用的纤维材料包括其纤维容积率为30％至65％的机织的、缝合的针织的或编织的织物。

28.如权利要求20所述的方法，其中所述模塑材料包括支撑部件，该支撑部件用于支撑纤维材料。

29.如权利要求28所述的方法，其中该支撑部件用于切断材料中的纤维以使其保持所述对齐，由此保持材料的完整性。

30.如权利要求28所述的方法，其中所用的支撑部件包括支撑材料层，其上带有纤维材料。

31.如权利要求20所述的方法，其中所述树脂材料设置在具有局部浸渍或未浸渍的纤维材料的至少一个表面上。

32.如权利要求31所述的方法，其中所用的树脂材料包括支撑部件。

33.如权利要求20所述的方法，其中模塑材料是使用多层纤维材料制造的，所述多层纤维材料中的至少一层相对至少一个其他层定向，使得纤维的方向是相互垂直的。

34.如权利要求33所述的方法，其中所述纤维的方向是各层中的单向纤维的方向。

35.一种使用如权利要求1至19中的任何一项限定的模塑材料形成的模制产品。

36.一种使用如权利要求1至19中的任何一项限定的模塑材料模制产品的方法，该方法包括在模型或模具上布置一层或多层所述模塑材料，使所述材料经受一定的条件以便模制所述材料，所述一定的条件包括提升温度和/或压力的条件。