CN101960202A - 树脂浸渍的结构化纤维缆绳 - Google Patents

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Abstract

一种树脂浸渍的结构化纤维缆绳，包括：设置成料束的多条丝束，所述多条丝束每一条包括多条结构化纤维；和浸渍到所述料束中的未固结聚合树脂。所述多条结构化纤维每一条相对于所述缆绳的中轴线限定的角度不大于大约10度。

Description

树脂浸渍的结构化纤维缆绳
技术领域
本发明涉及纤维加强的复合材料。
背景技术
特殊的一类纤维加强的复合材料包括狭窄的平整带材，所述带材包括多条基本上平行的结构化纤维，这些纤维以未固结的聚合树脂浸渍，这种带材也称为“预浸渍带材”。这种带材通常利用自动化的纤维布置过程组装或“铺设”成料层，以形成未固结的复合组件，所述复合组件随后通常利用热量和压力强化并固结，形成纤维加强的复合工件。这种带材通常呈现宽高比较大的矩形截面。
通常希望复合工件料层中的结构化纤维相对于工件具有特定取向，以使工件在特定区域具有充分的结构强度。通常希望工件特定料层中的结构化纤维的取向在工件不同区域发生变化。为了实现期望的纤维取向，预浸渍带材在沿着预定路径铺设过程中发生转向。但是，这种预浸渍带材的结构化纤维赋予了带材显著的刚性，这样限制了带材可以转向的程度。这种限制也称为材料的可允许“转向半径”。试图将预浸渍带材转向超过可允许转向半径，即沿着半径小于可允许转向半径的路径转向，将导致带材打结或褶皱，这是非常不希望看到的情形。
已经进行过尝试来利用包括多条基本上平行的结构化纤维且纤维具有较小宽高比的复合预浸渍型材，诸如横截面大致为圆形的型材来制造纤维加强的复合工件。由于这种型材包括较少的结构化纤维，所以这些型材刚性小于宽高比较大的型材。但是，自动化设备，诸如自动化纤维布置设备，难于馈送宽高比较小的型材，因为它们刚性较小。
本领域存在树脂浸渍的结构化纤维型材的众多设计方案，但是仍然存在显著的缺陷。
附图说明
被认为是本发明新颖特征的特征在附带的权利要求书中论述。但是本发明本身以及优选使用模式以及本发明的进一步目标和优势，在结合附图阅读以下详细描述时，将得到最好的理解，在附图中，附图标记最左侧的有效数字指代首次出现该附图标记的附图，在附图中：
图1描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳的第一例述性实施方式的类型化侧视立面图；
图2描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳的第二例述性实施方式的类型化侧视立面图；
图3描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳的第三例述性实施方式的类型化侧视立面图；和
图4描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳的第四例述性实施方式的类型化侧视立面图。
具体实施方式
虽然本发明容易构造各种改型方案和替代形式，但是在附图中作为示例示出了本发明的具体实施方式，并在以下详细描述。但是，应该理解，具体实施方式的描述的目的并不是将本发明限制于所公开的特定形式，而是相反，本发明将覆盖落入附带的权利要求书所限定的本发明的精神和范围内的全部改型方案、等同方案和替代方案。
以下描述本发明的例述性实施方式。为了清晰，并非实际实施方案的全部特征都在说明书中描述。当然应该理解，随着任何这些实际实施方案的发展，必须针对具体实施方案做出各种决策，以实现开发者的具体目标，诸如符合与系统相关和与商业相关的约束，这些约束从一种实施方案到另一种实施方案并不相同。此外，应该理解，任何这种开发工作可能复杂且耗费时间，但是仍然是从本公开内容受益的本领域技术人员所从事的常规工作。
在本说明书中，由于在附图中描绘了设备，所以可能针对各种部件之间的空间关系以及部件各个方面的空间取向进行讨论。但是，在完整阅读本申请之后，本领域技术人员应该理解，文中描述的设备、构件、装置等可以定位成任何期望的取向。因此，使用术语诸如“上方”、“下方”、“上部”、“下部”或类似术语来描述各种部件之间的空间关系或者描述这些部件的各个方面的空间取向，应该理解为分别描述部件之间的相对关系，或者所述部件各个方面的空间取向，因为文中所述设备可以取向为任何期望的取向。
树脂浸渍的结构化纤维缆绳包括多条松散地彼此扭绞、松散地编织或者松散地编辫的丝束。所述缆绳以未固结的聚合树脂浸渍。随着所述缆绳沿着轮廓表面铺设，所述丝束相对于彼此移动。丝束之间的这种相对移动允许缆绳沿着小半径铺设而不会褶皱或打结。在一种特定实施方式中，所述缆绳大致为圆形截面。编织或扭绞丝束有助于缆绳具有足够的刚性，以便缆绳可以用于自动化的纤维布置过程。此外，扭绞或编织丝束有助于将丝束保持在它们的缆绳配置中，因此免于需要衬底材料，所述衬底材料阻止传统的纤维加强的聚合物带材在存放滚轮上发生劈分。
图1描述了树脂浸渍的结构化纤维缆绳101的第一示例实施方式的类型化的侧视立面图。在该示例实施方式中，缆绳101包括多条丝束103、105和107。应该注意，缆绳101的端部109向外张开以更好地揭示丝束103、105和107。每条丝束103、105和107都包括一束扭绞或未扭绞的结构化纤维。这种结构化纤维的示例包括但不限于碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维等。缆绳101通过将丝束103、105和107彼此扭绞而形成，以使由丝束103、105和107的任意纤维与缆绳101的中轴线111所限定的角度A的绝对值不超过大约10度，优选不超过大约5度。
在一种实施方式中，丝束103、105和107分别沿着与缆绳101的扭绞方向相反的方向扭绞，以保持缆绳101处于扭绞配置。例如，如果缆绳101为右旋扭绞缆绳，则在这种实施方式中，丝束103、105和107为左旋扭绞丝束。相反，在这种实施方式中，如果缆绳101是左旋扭绞缆绳，则丝束103、105和107为右旋扭绞丝束。浸渍到丝束103、105和107中的未固结树脂进一步有助于将缆绳101保持在扭绞配置。
浸渍到丝束103、105和107内的树脂可以包括任何适当的聚合材料。所述材料的示例包括但不限于热塑性聚合物、热固性聚合物、液晶聚合物、环氧、聚酰胺-酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚酯、乙烯基酯等。
虽然缆绳101的特定实施方式包括三条丝束，即丝束103、105和107，但是本发明的范围并不限于此。相反，树脂浸渍的结构化纤维缆绳可以包括任何期望的、适当数量的丝束，诸如丝束103、105、107和109。例如，图2描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳201的类型化侧视立面图。在该例述实施方式中，缆绳201包括多条丝束203、205、207、209和211。应该注意，缆绳201的端部212向外扩张，以更好地解释丝束203、205、207、209和211。每条丝束203、205、207、209和211包括一束扭绞或未扭绞的结构化纤维。所述结构化纤维的示例包括但不限于碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维等。在例述实施方式中，缆绳201通过围绕丝束211扭绞丝束203、205、207和209形成，以使由丝束203、205和207的任意纤维与缆绳201的中轴线215所限定的角度B的绝对值不超过大约10度，并优选不超过大约5度。
在一种实施方式中，至少丝束203、205、207和209分别沿着与缆绳201扭绞方向相反的方向扭绞，以帮助将缆绳201保持在扭绞配置。例如，如果缆绳201为右旋扭绞缆绳，则在这种实施方式中，丝束203、205、207和209为左旋扭绞丝束。相反，在这种实施方式中，如果缆绳201为左旋扭绞缆绳，则丝束203、205、207和209为右旋扭绞丝束。浸渍到丝束203、205、207、209和211中的未固结树脂进一步协助将缆绳201保持在扭绞配置。
浸渍到丝束203、205、207、209和211内的树脂可以包括任何适当的聚合材料。所述材料的示例包括但不限于热塑性聚合物、热固性聚合物、液晶聚合物、环氧聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、聚芳醚酮聚合物、聚醚醚酮聚合物、聚酰亚胺聚合物、聚苯硫醚聚合物、聚酯聚合物、乙烯基酯聚合物等。
分别在图1和2中使出的缆绳101和201具有扭绞形式。但是，本发明的范围并不限于此。相反，树脂浸渍的结构化纤维缆绳可以包括具有网纹或编织配置的多条丝束。例如，图3描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳301的第三例述性实施方式的类型化侧视立面图。在该例述性实施方式中，缆绳301包括多条丝束，诸如丝束303。每条丝束包括一束扭绞或未扭绞结构化纤维。优选，每条丝束包括一束未扭绞结构化纤维。这种结构化纤维的示例包括但不限于、碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维等。缆绳301通过编织丝束形成，以使由丝束的任意纤维诸如纤维303与缆绳301中轴线305所限定的角度C的绝对值不超过大约10度，并优选不超过大约5度。
浸渍到丝束诸如丝束303内的树脂可以包括任何适当的聚合材料。所述材料的示例包括但不限于热塑性聚合物、热固性聚合物、液晶聚合物、环氧、聚酰胺-酰亚胺、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚酯、乙烯基酯等。
本发明还考虑了除图3所示之外的网纹或编织形式。例如，图4描绘了树脂浸渍的结构化纤维缆绳401的第四例述性实施方式的类型化侧视立面图。在该例述性实施方式中，缆绳401包括多条丝束，诸如丝束403。每条丝束包括一束扭绞或未扭绞结构化纤维。优选，每条丝束包括一束未扭绞结构化纤维。这种结构化纤维的示例包括但不限于、碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维等。缆绳401通过对丝束编辫而形成，以使由丝束诸如丝束403的任意纤维与缆绳401中轴线405所限定的角度C的绝对值不超过大约10度，并优选不超过大约5度。
树脂浸渍的结构化纤维缆绳101、201、301和401横截面大致为圆形，当然本发明也考虑了其他横截面形状。例如，树脂浸渍的结构化纤维缆绳可以具有大致卵形、圆角矩形等横截面形状。在一种特定实施方式中，缆绳101、201、301和401呈现大致圆形横截面形状，该横截面的直径小于大约2毫米。在另一种实施方式中，缆绳101、201、301和401呈现大致圆形横截面形状，该横截面的直径范围为大约0.7毫米到大约1.6毫米之间。
本发明带来显著优势，包括：(1)能利用自动化的纤维布置过程沿着小半径布置纤维；(2)能通过自动化的纤维布置过程制造比当前所能实现的部件更为复杂的部件；和(3)能向自动化的纤维布置设备提供材料而不需要衬底材料。
以上公开的特定实施方式仅为例述性质，因为本发明可以通过从本发明教导受益的本领域技术人员容易理解的不同但等同的方式改动和实践。此外，除了以下权利要求书中所述之外，对于文中显示的构造和设计细节不做限制。因此，显然以上公开的特定实施方式可以替换或改动，并且所有这些变形应该认为落入本发明的范围和精神之内。因此，本申请寻求保护的范围在以下的权利要求书中叙述。显然，具备显著优势的发明已经描述和例示清楚。虽然本发明以有限数量的形式示出，但是并不限于这些形式，而是在不脱离本发明精神的前提下，容易进行各种变化和改动。

Claims (13)

1.一种树脂浸渍的结构化纤维缆绳，包括：设置成料束的多条丝束，所述多条丝束每一条包括多条结构化纤维；和浸渍到所述料束中的未固结聚合树脂，其中所述多条结构化纤维每一条相对于所述缆绳的中轴线限定的角度不大于大约10度。
2.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条结构化纤维每一条相对于所述缆绳的中轴线限定的角度不大于大约5度。
3.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条丝束彼此扭绞。
4.如权利要求3所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条丝束每一条的纤维彼此扭绞。
5.如权利要求4所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条丝束每一条的纤维沿着与所述缆绳扭绞方向相反的方向彼此扭绞。
6.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条丝束彼此编织。
7.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条丝束彼此编辫。
8.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条纤维包括从以下材料构成的组群中选择的材料：热塑性聚合物、热固性聚合物和液晶聚合物。
9.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条纤维包括从以下材料构成的组群中选择的材料：环氧聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、聚芳醚酮聚合物、聚醚醚酮聚合物、聚酰亚胺聚合物、聚苯硫醚聚合物、聚酯聚合物、乙烯基酯聚合物。
10.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述缆绳呈现大致圆形的横截面。
11.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述缆绳的直径小于大约2毫米。
12.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述缆绳的直径范围为大约0.7毫米到大约1.6毫米。
13.如权利要求1所述的树脂浸渍的结构化纤维缆绳，其特征在于，所述多条结构化纤维包括从以下材料构成的组群中选择的材料：碳纤维、石墨纤维、玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维。
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