CN101616787A - 加工复合材料的方法 - Google Patents

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Abstract

一种加工复合材料的方法，所述方法包括以高于与所述复合材料(1)接触的多孔层(3)的熔点的温度加热该多孔层，由此使所述多孔层(3)熔融并合并到所述复合材料中。所述材料可通过基质扩散过程形成。在这种情况下所述多孔层起分配层的作用。作为选择，也可将所述材料形成为预浸体的层堆。在这种情况下所述多孔层起通气层的作用。所述多孔层可包含聚砜或聚醚砜，其增加了所述材料的韧性。

Description

加工复合材料的方法
技术领域
本发明涉及加工复合材料的方法和设备，以及用在该方法中的装载物(charge)和多孔层。所述方法特别适用于对环氧树脂复合材料进行改性，但不局限于上述材料。
背景技术
关于环氧树脂复合材料的难题是所述树脂非常易碎。针对该难题的已知解决方案是向所述树脂添加专用改性剂，例如聚砜(PSu)或聚醚砜(PES)。
这些改性剂通常以粉末的形式添加到所述树脂中。这往往引起非常显著的树脂粘度的增加。虽然在将提供所述复合材料作为经预浸渍的部件(通常称为“预浸体”)时所述粘度增加可以是有益的，但所述粘度增加使得难以或无法在真空压力下将所述树脂输送到增强材料中，而这正是许多树脂浸注方法所要求的。
一种这样的树脂浸注方法是所谓的SCRIMP方法(西曼复合材料公司树脂渗入成型法)。这涉及树脂分配介质(RDM)的使用，RDM引导树脂越过和穿过支撑在单面模具上的组装的干燥纤维预成型体。使用过RDM后，将其丢弃。
发明内容
本发明的第一方面提供一种加工复合材料的方法，所述方法包括以高于与所述复合材料接触的多孔层的熔点的温度加热所述多孔层，由此使所述多孔层熔融并合并到所述复合材料中。
本发明的第二方面提供一种热塑性多孔层，所述多孔层适合用于本发明第一方面的方法中。
所述层的多孔性使其能够用于先前的加工步骤中，其中多孔层中的间隙体积被抽真空，并且多孔层传输流体态的基质，或者起通气层的作用。多孔层在并入之后典型地改进复合材料的物理性能。例如多孔层可改进复合材料的韧性、压缩强度和/或模量。
多孔层可以完全并入到所述复合材料中，也可以仅部分并入而使部分层保持原样。多孔层可溶入复合材料中以形成均相混合物，也可以分散入复合材料中作为分离相。
在本发明的某些实施方式中，所述方法还包括通过下述步骤形成所述复合材料：
将与所述多孔层接触的增强材料抽真空；和
用流体态的基质浸注经抽真空的所述增强材料，所述基质流经所述多孔层并进入所述增强材料。
在此情况下所述多孔层表现出双重功能：
·起到在浸注过程中传输流体基质的分配层的作用(例如，表现出与SCRIMP方法中的RDM相似的功能)；和
·在并入复合材料后改进所述复合材料的性能(例如韧性、压缩强度和/或模量)。
可在一对刚性模具间将所述增强材料抽真空(例如作为树脂传递模塑工艺的一部分)，但更优选在柔性真空袋下将所述增强材料抽真空。
本发明的第三方面提供一种用于制造复合材料的装载物，所述装载物包含与热塑性多孔层接触的干燥增强材料。
在本发明的其它实施方式中，所述方法还包括通过铺设多个经预浸渍的增强材料层片(通常称为“预浸体”)来形成所述复合材料。在这种情况下，通常不需要浸注步骤。优选的是，所述方法还包括对与多孔层接触的复合材料抽真空，通常在柔性真空袋下进行。在这种情况下所述多孔层在抽真空过程中可以起到“通气”层的作用。
本发明的第四方面提供一种用于制造复合材料的装载物，所述装载物含一个或多个层片，各个层片均包含以基质预浸渍的增强材料，这些层片中的至少一个与热塑性多孔层接触。
所述方法通常还包括在多孔层并入复合材料的同时对所述复合材料抽真空。在这种情况下，真空有助于多孔层并入复合材料中。可在一对刚性模具间对所述复合材料抽真空，但更优选的是在柔性真空袋下对所述复合材料抽真空。
通常，所述复合材料包含固化温度高于所述多孔层的熔点的热固性基质相，并且所述方法还包括固化所述基质相。
优选的是，所述方法还包括在多孔层并入之后冷却复合材料，由此并入的材料固化成颗粒阵列。
通常，所述多孔层由三维纤维网构成：例如编制网或针织网。
通常，形成所述多孔层的材料包含聚砜或聚醚砜。
所述多孔层可包括接触所述复合材料外表面的外层，或接触所述复合材料内表面的内层。可提供两个或更多个外层和/或内层，在这种情况下，这些层优选在一个或多个接触点相接触，所述接触点可在复合材料外部。
本发明的第四方面提供制造复合材料的设备，所述设备包括：
模具；
热塑性多孔层；和
用于形成密闭封套的柔性真空袋，所述真空袋具有用于对所述密闭封套抽真空的真空端口。
附图说明
现在参考附图对本发明的实施方式进行描述，在附图中：
图1为制造复合材料的第一方法的示意性截面图；
图2为制造复合材料的第二方法的示意性截面图；和
图3为制造复合材料的第三方法的示意性截面图，其采用预浸体装载物。
具体实施方式
图1显示制造复合材料的方法的第一变体。将预成型体1铺设在单面模具2上。预成型体1包含多层干燥碳纤维层，或多层其他任何适合的增强材料层。然后将树脂分配层3铺设在预成型体1上。
层3由单丝纤维的针织织物或编织织物形成，所述纤维由特定级别的功能活性聚砜(PSu)、聚醚砜(PES)，或其他任何适合的热塑性材料形成。适合的聚合物的实例为得自Solvay Advanced Polymer的RadelA105P。通常，所述材料被羟基、胺或羧基官能化。
所述纤维的直径通常为0.1mm～0.2mm，所述层的重量通常为约120gsm，并且所述层的厚度通常在1.6mm～1.8mm的范围内。
适合的织物是“N1031”，可由英国纽伯里的Newbury EngineeredTextiles Limited获得。
然后由离型膜或剥离层片(未示出)来完成铺设物。
然后将柔性真空袋4铺设在离型膜上以在所述铺设物上方形成封套。利用围绕所述铺设物边缘延伸的密闭件5向着模具4封闭所述封套。
真空袋4具有真空端口7和浸注端口10，真空端口7通过树脂收集器(未示出)连接于真空装置6，浸注端口10用于将储存于树脂槽8中的环氧树脂基质9引入所述封套中。
然后通过下列步骤浸注和固化所述预成型体：
1.开动真空装置6以将密闭封套部分抽空。这使真空袋4压向所述铺设物并压缩预成型体1。然而，由于树脂分配层3(由相对刚性的三维纤维网形成)可承受至少一个大气压的压力，因而可被压缩至较小的程度并且保持其多孔性。
2.将所述铺设物和环氧树脂9加热到约50℃的浸注温度。
3.通过将环氧树脂9引入经抽真空的封套中来浸注预成型体。所述树脂流过树脂分配层3的多孔结构的经抽真空的间隙体积，并自上而下润湿预成型体1。当所述树脂前端到达真空端口7时，它被输出到树脂收集器中(未示出)。
4.当无气体的树脂在真空端口7连续输出时，浸注完成。
5.浸注完成后，将树脂分配层3加热到其熔点以上(通常为约150℃)，由此使其熔融并溶入经基质浸注的预成型体中。在该步骤过程中保持真空压，真空(辅以加热)迫使溶解材料并入部件中。溶解材料相对均匀地分布于所述部件的厚度中。任何不均匀都有可能导致朝向所述部件的上表面浓度增加，如果所述表面需要增加的韧性，那么这可能是有利的。
6.将温度进一步升高到约180℃，此时所述树脂固化。溶解材料从所述树脂中析出以形成细微液滴的阵列。这种材料在所述固化温度对所述树脂是化学稳定的。
7.将所述复合物冷却到低于溶解在所述树脂中的PSu或PES的熔点的温度。结果，该复合物固化为颗粒阵列，增加了所述树脂的韧性。
8.释放真空，并将真空袋从经固化的复合部件上剥离。
9.将所述复合部件从模具2中移除。
在图1的实例中，仅使用一层树脂分配层3，其铺设并接触于预成型体1的上部外表面。
在图2所示的第二变体中，形成铺设物的还有另外两个树脂分配层3a、3b。在图1和图2中，以相同的附图标记表示相同的要素。
首先将下层的树脂分配层3a铺设在模具4上，并将预成型体1a的下半部铺设在它顶上。需注意，预成型体1a比图1中的预成型体1厚。与上层3相同，下层3a接触预成型体1a的外表面。除了外层3、3a之外，内部树脂分配层3b嵌于预成型体1a的内部。当预成型体的下半部已铺设在模具上时铺设层3b，预成型体的上半部铺设在层3b之上。
从图2中可以看到，层3、3a、3b由增强材料隔开，但聚向预成型体外部的接触点11。这确保了一致和均匀的真空，从而均匀输送树脂通过三个层3、3a和3b。
与图1相比，图2的布置中的更多数量的树脂分配层使得溶解材料的浓度更高，并在预成型体的厚度中更均匀地分布。
图3的第三种变体使用由多个预浸带层构成的复合装载物1b，与图1和2中所用的干燥纤维预成型体装载物1、1a不同。使用与图1和图2中相同的附图标记表示相同的要素。
需注意，图3中省略了浸注端口和树脂槽，但包含真空袋4(和相关的真空体系)以在固化过程中固定所述装载物。在常规的预浸体铺设物中，将通气层(例如AirweaveTM布)布置在预浸体和真空袋之间以提供气体流动通道，使得能够在固化过程中除去空气和其他气体。在图3的变体中所述通气层用层3c代替，层3c具有与图1和图2中所示的树脂分配层3类似的特性：即，是单丝纤维的针织织物或编织织物，所述纤维由特定级别的功能活性聚砜(PSu)、聚醚砜(PES)或其他任何适合的热塑性材料形成。
然后通过下述步骤固化装载物1b：
1.开动真空装置6以对密闭封套抽真空。这使真空袋4压向铺设物并压缩装载物1b。
2.层3c起通气层的作用，使得气体能够通过铺设物的经抽真空的间隙体积流出所述铺设物。
3.将层3c加热到其熔点之上(通常为约150℃)，由此使其熔融并溶于预浸体装载物中。真空压(辅以加热)迫使所述溶解材料并入部件中。
4.将温度进一步升高到约180℃，此时树脂固化。所述溶解材料从所述树脂中析出以形成细微液滴的阵列。这种材料直至所述固化温度下对所述树脂是化学稳定的。
5.将所述复合物冷却到低于溶解在所述树脂中的PSu或PES的熔点的温度。结果，所述复合物固化为颗粒阵列，增加了所述树脂的韧性。
6.释放真空，并且将真空袋从经固化的复合部件中剥离。
7.将所述复合部件从模具2中移除。
需注意，所述过程并不涉及浸注步骤：因此层3c并不表现出图1和2中等同的层3的树脂分配功能。但层3c的多孔性使其成为传统通气层的适宜替代品。
尽管参考一个以上的优选实施方式对本发明进行了上述描述，但应当认识到，可以对本发明做出各种改变和修改而不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围。

Claims (28)

1.一种加工复合材料的方法，所述方法包括以高于与所述复合材料接触的多孔层的熔点的温度加热所述多孔层，由此使所述多孔层熔融并合并到所述复合材料中。
2.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过下述步骤形成所述复合材料：
对与所述多孔层接触的增强材料抽真空；和
用流体态的基质浸注经抽真空的所述增强材料，所述基质流经所述多孔层并进入所述增强材料。
3.如权利要求2所述的方法，其中，在柔性真空袋下对所述增强材料和所述多孔层抽真空。
4.如权利要求1所述的方法，所述方法还包括通过铺设多层经预浸渍的增强材料层片来形成所述复合材料。
5.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括对与所述多孔层接触的所述复合材料抽真空。
6.如权利要求5所述的方法，其中，在柔性真空袋下对所述复合材料和所述多孔层抽真空。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述多孔层并入所述复合材料的同时对所述复合材料抽真空。
8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述复合材料包含固化温度高于所述多孔层的熔点的热固性基质相，其中，所述方法还包括固化所述基质相。
9.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括在所述多孔层熔融之后冷却所述复合材料，由此，分散的所述材料固化成颗粒阵列，这增强了所述复合材料的韧性。
10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多孔层由三维纤维网形成。
11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，形成所述多孔层的材料包含聚砜或聚醚砜。
12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多孔层包括接触所述复合材料的外表面的外层。
13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述多孔层包括接触所述复合材料的内表面的内层。
14.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括以高于与所述复合材料接触的两层或更多层分离的多孔层的熔点的温度加热这些多孔层，由此使它们熔融并合并到所述复合材料中。
15.如权利要求14所述的方法，其中，两层或更多层所述多孔层在所述复合材料中分离，并聚向所述复合材料外部的一个或多个接触点。
16.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法还包括对所述多孔层中的间隙体积抽真空。
17.一种复合材料，所述复合材料通过前述权利要求中任一项所述的方法制造。
18.一种热塑性多孔层，所述层适用于前述权利要求中任一项所述的方法。
19.如权利要求18所述的层，所述层由三维纤维网形成。
20.如权利要求19所述的层，其中，所述网为编织网或针织网。
21.如权利要求18～20中任一项所述的层，其中，形成所述层的材料包含聚砜或聚醚砜。
22.一种用于制造复合材料的装载物，所述装载物包含与热塑性多孔层接触的干燥的增强材料。
23.一种用于制造复合材料的装载物，所述装载物包含一个或多个层片，每个层片均包含经基质预浸渍的增强材料，这些层片中的至少一个与热塑性多孔层接触。
24.如权利要求22或23所述的装载物，其中，所述多孔层包括所述装载物的外层。
25.如权利要求22或23所述的装载物，其中，所述多孔层包括所述装载物的内层。
26.如权利要求22～25中任一项所述的装载物，所述装载物包含在一个或多个接触点相接触的两层或更多层多孔层。
27.如权利要求26所述的装载物，所述装载物包含两层或更多层多孔层，所述多孔层在所述装载物中分离，并聚向所述装载物外部的一个或多个接触点。
28.一种制造复合材料的设备，所述设备包含：
模具；
热塑性多孔层；和
用于形成密闭封套的柔性真空袋，所述真空袋具有用于对所述密闭封套抽真空的真空端口。
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