CN103261286A - 具有变形的树脂涂布纤维的复合材料 - Google Patents

Abstract

纤维增强树脂复合材料包括在纤维上的涂层，其提高纤维和周围树脂基体之间的负载转移。

Description

具有变形的树脂涂布纤维的复合材料

技术领域

本公开内容一般而言涉及纤维增强树脂复合材料，并且更具体而言，涉及具有用变形树脂涂布的纤维以便改进复合材料结构机械性能的复合材料。

背景技术

在纤维增强复合材料中，纤维和周围基体之间在微尺度水平上的负载转移的效能直接影响复合材料在连续水平上的整体机械性能。可大量受纤维存在影响的基体区域——有时被称作“相间(inter-phase)”区域——是直接包围纤维的基体的界面区域。在复合材料中，由于纤维和周围基体之间的弹性劲度不匹配，所以经受高剪切应变的是这种相间区域。

虽然已经开发了各种树脂基体制剂用于使聚合物树脂的变形能力最大化，但展现更高性能潜力的制剂可能具有局限性，比如有限的流体阻力，并且小于期望的预浸材料操作性质，比如不足的粘着性和/或预浸材料操作寿命。通过改进形成基体的本体聚合物树脂的化学性(chemistry)可部分地解决这些问题，然而这些改进可能需开发专用的单体或添加剂，这可增加产品成本。而且，虽然这些专用的制剂或添加剂可能提高基体树脂的流体阻力，但其可能降低复合材料的其它性能属性。

在使用被碳纤维增强的高温基体的复合材料中，因为在树脂-纤维界面处产生的相对高的热应变，纤维和基体之间足够的负载转移可能是尤其有问题的。这些热应变可增强微裂纹易发性(susceptibility)，其通常可产生具有少于期望的机械性质的固化复合材料。

因此，特别是当纤维具有相对高的模量并且基体由高温树脂形成时，需要纤维增强聚合物树脂复合材料，其在增强纤维和周围的树脂基体之间展现提高的负载转移能力。还需要制造这些复合材料的方法，其使用常规的本体树脂并且避免了对于树脂添加剂或特殊树脂制剂的需求。

发明内容

用聚合树脂涂布复合材料中的增强纤维，所述聚合树脂与形成基体的周围本体聚合物树脂相比具有相对高的变形畸变能力。涂层在纤维周围产生能量耗散的、变形的相间区域，其优化了树脂-纤维负载转移通过纤维间断或缺陷，从而提高复合材料的机械性质。用高变形树脂涂布纤维的过程可以在用本体基体树脂浸渍纤维之前进行，因而允许在现存的预浸材料生产过程中利用当前商业可得的纤维。通过变形纤维涂层可实现当前复合材料的机械性能的实质性改进，比如强度和/或应变提高以及分层和微裂纹抗性的潜在改善。使用被变形树脂涂布的纤维还可有助于减轻由于在高模量纤维比如但不限于碳纤维和高温树脂基体之间的树脂-纤维界面处产生的过热应变引起的负面影响。采用被高变形树脂涂布的增强纤维的复合材料结构可产生优化的复合材料设计，其可减少重量和成本。

根据一个公开的实施方式，提供了制造纤维增强聚合物树脂的方法，其包括用第一聚合树脂涂布增强纤维，并且将涂布的纤维嵌入第二聚合树脂中。第一聚合树脂的变形畸变能力大于第二聚合树脂的变形畸变能力，并且第一聚合树脂可以是各种树脂化学品中任意一种，比如环氧树脂，其被特别设计为展现高畸变能力。相对于第一聚合树脂的模量，所述纤维可具有高模量。所述方法进一步包括从碳纤维、玻璃纤维、有机纤维、金属纤维和陶瓷纤维中选择纤维。所述方法还包括在第一聚合树脂涂层上施加第三聚合树脂涂层，其中第三聚合树脂具有大于第一聚合树脂但小于第二聚合树脂的变形畸变能力。

根据另一个实施方式，提供了制造纤维增强聚合物复合材料的方法，其包括提供聚合树脂基体并且提供用于增强树脂基体的纤维。所述方法进一步包括将纤维嵌入基体中，并且在纤维和基体之间形成变形的相间区域用于提高纤维和基体之间的负载转移。形成相间区域包括用具有不同于树脂基体的至少一种性质的聚合变形树脂涂布纤维。所述至少一种性质选自流体阻力、增加的模量、高温性能、加工性能和操作性质。将纤维嵌入基体中包括用基体树脂浸渍纤维，并且将基体固化。提供纤维包括从碳纤维、有机纤维、金属纤维和陶瓷纤维中选择纤维。提供用于增强树脂基体的纤维包括提供分别具有不同模量的两组纤维，并且在纤维和基体之间形成变形的相间区域包括用不同的聚合树脂分别涂布每组纤维，所述聚合树脂分别具有高于本体基体树脂的变形畸变能力。

根据又另一个公开的实施方式，纤维增强树脂复合材料包括聚合树脂基体、保持在基体中的增强纤维、以及在纤维上用于提高纤维和基体之间的负载转移的涂层。所述涂层包括具有大于树脂基体的变形畸变能力的聚合树脂。所述涂层包括分别具有每个大于树脂基体的变形畸变能力的不同变形畸变能力的第一层和第二层聚合树脂。纤维被基体树脂浸渍并且可包括分别具有不同劲度或强度的至少两组。

根据进一步的实施方式，纤维增强树脂复合材料包括聚合树脂基体、保持在基体中的增强纤维、以及相对于树脂基体具有高变形畸变能力的相间区域。相间区域由纤维上的至少第一聚合树脂涂层限定。相间区域可由在第一聚合涂层以上的第二聚合树脂涂层限定。第一聚合树脂涂层可以是高温树脂。

制造纤维增强聚合物树脂的方法，其包括，

用第一聚合树脂涂布增强纤维；并且

将涂布的纤维嵌入第二聚合树脂中。

所述方法，其中第一聚合树脂的变形畸变能力大于第二聚合树脂的变形畸变能力。

所述方法，其中第一聚合树脂是高温树脂。

所述方法，其中相对于第一聚合树脂的模量，纤维具有高模量。

所述方法进一步包括，

从以下选择纤维：

碳纤维，

玻璃纤维，

有机纤维，

金属纤维，和

陶瓷纤维。

所述方法进一步包括，

在第一聚合树脂的涂层上施加第三聚合树脂的涂层，其中第三聚合树脂具有大于第一聚合树脂但小于第二聚合树脂的变形畸变能力。

另一种制造纤维增强聚合物复合材料的方法，其包括，

形成聚合树脂基体；

提供用于增强树脂基体的纤维；

将纤维嵌入基体中；并且

在纤维和基体之间形成变形的相间区域用于提高纤维和基体之间的负载转移。

所述方法，其中形成相间区域包括用具有不同于树脂基体的至少一种性质的聚合变形树脂涂布纤维。

所述方法，所述至少一种性质选自：

流体阻力，

增加的模量，

高温性能，

加工性能，和

操作性质。

所述方法，其中将纤维嵌入基体中包括：

用基体树脂浸渍纤维，并且

将基体固化。

所述方法，其中提供纤维包括从以下中选择纤维：

碳纤维，

玻璃纤维，

有机纤维，

金属纤维，和

陶瓷纤维。

所述方法，其中：

提供用于增强树脂基体的纤维包括提供分别具有不同模量的两组纤维，并且

在纤维和基体之间形成变形的相间区域包括用不同的聚合树脂分别涂布每组中的纤维，所述聚合树脂分别具有高于基体树脂的变形畸变能力。

所述方法，其中：

形成相间区域包括用聚合变形树脂涂布纤维，所述树脂具有大于基体树脂的变形畸变能力，并且

将纤维嵌入基体中包括使用涂布的纤维形成纤维预制品并且用基体树脂浸制所述预制品。

具有提高的变形畸变能力的纤维增强树脂复合材料，其包括,

聚合树脂基体；

保持在基体中的增强纤维；以及

在纤维上的用于提高纤维和基体之间的负载转移的涂层。

纤维增强树脂复合材料，其中：

涂层包括具有大于树脂基体的变形畸变能力的聚合树脂。

纤维增强树脂复合材料，其中：

涂层包括分别具有不同变形畸变能力的第一层和第二层聚合树脂，所述第一层和第二层聚合树脂的变形畸变能力分别大于树脂基体的变形畸变能力。

纤维增强树脂复合材料，其中用基体树脂浸渍纤维。

纤维增强树脂复合材料，其中：

纤维包括分别具有不同劲度或强度的至少两组。

纤维增强树脂复合材料，其中纤维选自：

碳纤维，

玻璃纤维，

有机纤维，

金属纤维，和

陶瓷纤维。

另一种纤维增强树脂复合材料，其包括，

聚合树脂基体；

保持在基体中的增强纤维；以及

纤维周围的相间区域，其相对于树脂基体具有高变形畸变能力。

纤维增强树脂复合材料，其中相间区域由纤维上的至少第一聚合树脂涂层限定。

纤维增强树脂复合材料，其中相间区域由第一聚合涂层上的第二聚合树脂涂层限定。

纤维增强树脂复合材料，其中第一聚合树脂涂层是高温树脂。

制造展现提高的强度的纤维增强树脂复合材料的进一步方法，其包括：

提供第一组和第二组不同的增强纤维，包括从碳纤维、玻璃纤维、有机纤维、金属纤维和陶瓷纤维中分别选择第一组和第二组中的纤维；

在第一组中的每种纤维上施加至少一个第一聚合树脂的涂层；

在第二组中的每种纤维上施加至少一个第二聚合树脂的涂层；

其中，第一聚合物树脂和第二聚合物树脂中的每个分别具有不同的性质；

用聚合树脂浸渍第一组和第二组中的纤维，所述聚合树脂具有小于第一树脂和第二树脂中每个的变形畸变能力；并且

将浸渍的纤维固化以便形成具有纤维嵌入其中的基本上均匀的树脂基体，其中纤维和基体之间存在相间区域，其提高了纤维和基体之间的负载转移。

又另一种纤维增强树脂复合材料，其包括：

至少两组分别具有不同纤维特性的增强纤维，其中每组包括碳纤维、玻璃纤维、有机纤维、金属纤维和陶瓷纤维中的一种；

在第一组中的纤维上的第一聚合树脂涂层；

在第二组中的纤维上的第二聚合树脂涂层；

聚合树脂基体，其用于保持第一组和第二组的纤维并且具有小于第一聚合树脂和第二聚合树脂的变形畸变能力，纤维上的涂层形成相间区域，用于提高纤维和基体之间的负载转移。

附图简述

图1是采用涂布变形树脂的增强纤维的复合材料的功能框图图示。

图2是采用一束涂布变形树脂的较小直径纤丝的纤维束或线的截面图图示。

图3是图2中标定为“3”的区域的图示，并且是涂布变形树脂的纤丝的截面图。

图4是具有变形树脂涂层的单条纤丝的截面图图示。

图5是与图3类似的图示，但显示使用两种类型的增强纤维，其具有不同的模量或强度以及变形树脂涂层。

图6是具有多个变形树脂涂层的纤维的截面图图示。

图7是具有用变形树脂涂布的不连续增强纤维的复合材料的截面图图示。

图8是使用涂布变形树脂的纤维制造复合材料结构的方法的流程图图示。

图9是航空器生产和维护方法的流程图图示。

图10是航空器的方框图图示。

具体实施方式

参考图1-4，复合材料20包括嵌入本体树脂基体22中的增强纤维24。增强纤维24可以是连续或不连续的(例如，短切(chopped)纤维)并且可由各种材料中任意一种形成，包括但不限于碳、玻璃、有机物、金属、陶瓷等。根据公开的实施方式，纤维24在其上具有聚合变形树脂涂层26，其相比于周围本体树脂基体22的变形畸变能力具有相对高的变形畸变能力。变形的涂层26可引起复合材料20的机械性能显著改进，比如增加的极限强度和/或应变以及分层和微裂纹抗性的潜在改善。

树脂涂层26的变形畸变能力——其可用von Mises应变性能表示——相对于本体树脂基体22高，以便在纤维24和周围树脂基体22之间实现最佳的纤维-树脂负载转移能力。von Mises应变或应力是由材料中任何给定点处主应力的组合得到的指数，以测定材料中应力将造成故障的点。虽然通过较低von Mises应变性能展现出形成基体22的本体聚合物树脂可具有低于纤维24的变形能力，但由于每种纤维24周围产生了独特的变形相间区域25，复合材料20的整体机械性能可显著提高。由于纤维24和基体22的弹性劲度之间不匹配，所以相间区域25是复合材料20中经受高剪切应变的区域。聚合物树脂基体22对于施加力的变形的或偏离的响应可视为聚合物链的特定体积或片段响应于应变偏差的陡变切变或协同运动。特别是在基体22中使用高温树脂的复合材料20中，纤维24上的变形树脂涂层26还可有利于减轻由于相间区域25中产生的过热应变造成的横向微裂纹效果。

变形树脂涂层26可类似于美国专利号7,745,549中所述的聚合树脂，该专利的全部公开内容通过引用并入本文。上述美国专利中公开的聚合树脂展现了增加的变形畸变和/或减少的膨胀负载，如von Mises应变关系中所表达的。如这一现有美国专利中讨论的，纤维性能可受到已知复合材料中所用的热固性树脂的低基体-临界变形能力(lowmatrix-critical distortional capability)限制。这一现有专利中公开的复合材料聚合物基体展现改进的(即，增加的)变形畸变和/或减少的(即，降低的)膨胀负载，这增加von Mises应变并且提供增强的复合材料机械性能。

假定当纤维经受负载时，变形能力提高的树脂能够沿着纤维的纵轴转移纤维中微尺度裂纹周围的负载，所述裂纹可被认为是纤维中的故障起始位置。这种将裂纹周围的负载重新分配的能力可允许纤维继续维持负载而无故障。聚合物基体对于施加力进行变形响应的能力的分子基础理论上是由于聚合物链特定体积或片段的协同运动。因此，能够与施加力共形调节的分子结构将增强聚合物经历和增加其变形响应的能力。

图2图解了用树脂预浸渍的单个纤维束23，所述树脂形成基体22(图1)并且包括许多单个的纤丝或纤维24，其分别具有被基体树脂包围的变形涂层26。可用各种常规技术的任意一种，包括但不限于蘸涂和喷涂，将变形树脂涂层26施加到纤维24。涂层26的厚度“t”(图4)将取决于复合材料20的具体应用和性能要求。本体树脂基体22可包括各种用于高性能结构复合材料的聚合树脂中任意一种。

如之前讨论的，在纤维增强复合材料中，增强纤维24和周围基体22之间微尺度水平上的负载转移效率大量影响复合材料20的整体机械性能。基体20受纤维24的存在影响的临界区域是相间区域25。由于纤维24的相对高弹性劲度和周围基体22的相对低弹性劲度之间的不匹配，所以该相间区域25经受相对高的剪切应变。

形成基体22的聚合树脂可以是任何合适的商业或定制的(custom)树脂系统，其具有不同于变形树脂涂层26的期望的物理性质。这些物理性质的差别使得变形树脂涂层26比基体22具有更高的变形能力。例如并且没有限制，用于基体22的本体聚合树脂的可影响其变形能力的典型物理性质包括但不限于：相对于变形树脂涂层26优异的流体阻力、增加的模量、增加的高温性能、提高的加工性能和/或操作性质(比如粘着程度和粘着寿命)。

当由预浸材料生产复合材料20时，可在用形成基体22的本体树脂浸渍纤维24之前将聚合变形树脂涂层26施加到纤维24。通过在施加涂层26之后浸渍纤维24，可用各种众所周知的工艺涂布纤维24。在固化之后，将浸渍、涂布树脂的纤维24嵌入周围基体22中。通过用基体树脂浸制涂布变形树脂的纤维预制品(未显示)也可生产复合材料20。在将浸制树脂的预制品固化期间，涂布变形树脂的纤维嵌入基体22中。

图5图解了具备两组分别有高模量和低模量的增强纤维24a，24b的复合材料20。具有不同模量的纤维24a，24b的复合材料20有时被称作混杂复合材料。纤维24a，24b的不同模量导致这些纤维24a，24b之间的热不匹配，其可造成复合材料20中产生微裂纹。然而根据公开的实施方式，施加在纤维24a，24b上的变形树脂涂层26通过变形涂层26的分子水平排列调节热应变不匹配。在一些实施方式中，可将不同的涂层26a，26b分别施加到具有不同物理特性的纤维24a，24b，其有助于调节热应变不匹配。

参考图6，在一些应用中可期望在纤维24上施加分别具有不同变形畸变能力的多个变形树脂的涂层26，28，以形成过渡区域，该区域增加纤维24和周围形成基体22的本体树脂之间的负载转移能力。在该实例中，外涂层28的变形畸变能力可大于内涂层26的变形畸变能力。

图7图解了包括用不连续纤维30增强的聚合基体22的复合材料20，所述纤维有时被称作短切纤维，其分别具有变形涂层26。

现将注意力放到图8，其宽泛地图解了用之前描述的复合材料20制造复合材料结构(未显示)的方法的步骤。在32处开始，提供了适用于所述应用的增强纤维24，如之前所述，其可以是连续的或不连续的。在34处，用变形聚合树脂涂布纤维24，所述树脂具有大于形成基体22的聚合树脂的变形能力。

在一个实施方式中，在步骤36，用本体基体树脂浸渍涂布的纤维24，并且在步骤37，浸渍、涂布的纤维24被形成为预浸材料，其可包括预浸束、预浸带或预浸织物。在38处，用预浸材料铺设和形成复合材料结构。在另一个实施方式中，如步骤40中所示，使用涂布树脂的纤维24生产干燥或基本干燥的纤维预制品，其在步骤42使用例如真空辅助的树脂传递成型工艺被本体基体树脂浸渍。最后，在44处，结构被固化。在固化期间，涂布变形树脂的纤维被嵌入周围基体22中，在纤维24和基体22之间产生之前所述的相间区域25。

在一些应用中，在固化过程期间控制变形树脂涂层26的迁移可能是有必要的。针对该问题的一个解决方案涉及配制变形聚合树脂涂层26使之具有高于形成基体22的本体树脂的粘度。在固化期间，由于其较高的粘度和减弱的流动能力，所以变形树脂26保留在纤维表面上。针对该问题的另一个解决方案包括在纤维24被涂布之后将变形涂布的纤维24暴露于合适的升温以便轻微地交联(固化)变形树脂，从而增加其粘度和其对于纤维24的粘附。

接下来参考图9和10，本公开内容的实施方式可用在图9所示的航空器制造和维护方法46和图10所示的航空器48的情况中。在生产前期间，示例性方法46可以包括航空器48的规格和设计50以及材料采购52。在生产期间，进行航空器48的部件和子组件的制造54以及系统整合56。在步骤54期间，可使用公开的方法和装置制造复合材料部件，其形成随后在步骤56组装的部件。其后，航空器48可经受认证和交付58以便投入使用60。在消费者使用的同时，航空器48可安排进行日常维修和保养62(其还可以包括改进、重新配置、整修等等)。

方法46的每个过程可以通过系统整合人员、第三方和/或操作者(例如，消费者)执行或实施。出于该描述的目的，系统整合人员可以包括但不限于诸多航空器制造商和主要系统转包商；第三方可以非限制性地包括诸多销售商、转包商和供应商；以及操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图10所示，通过示例性方法46生产的航空器48可以包括具有多个系统66的机体64和内部68。公开的方法和设备可用于制造形成机体64或内部68的复合材料部件。高水平系统66的实例包括一个或多个推进系统70、电力系统72、液压系统74和环境系统76。可以包括任意数量的其它系统。虽然显示航空航天的实例，但本公开内容的原理还可适用于各种其它的工业，比如汽车工业。

可以在生产和维护方法46的任意一个或多个阶段期间利用本文实施的装置。例如，对应于生产过程54的部件或子组件可以以与使用航空器48时生产的部件或子组件类似的方式构造或制造。另外，例如通过大幅加快航空器48的装配或减少航空器48的成本，可以在生产阶段54和56期间利用一个或多个装置实施方式。类似地，当航空器48在使用中，例如但不限于，用于维修和保养62时，可以利用一个或多个装置实施方式。

虽然本公开内容的实施方式已经关于某些示例性的实施方式进行了描述，但应当理解特定实施方式是出于说明而非限制的目的，本领域技术人员将想到其它变型。

Claims (12)

1.制造纤维增强聚合物树脂的方法，其包括：

用第一聚合树脂涂布增强纤维；并且

将所述涂布的纤维嵌入第二聚合树脂中。

2.权利要求1所述的方法，其中所述第一聚合树脂的变形畸变能力大于所述第二聚合树脂的变形畸变能力。

3.权利要求2所述的方法，其中所述第一聚合树脂是高温树脂。

4.权利要求2所述的方法，其中相对于所述第一聚合树脂的模量，所述纤维具有高模量。

5.权利要求1所述的方法，进一步包括，

从以下选择纤维：

碳纤维，

玻璃纤维，

有机纤维，

金属纤维，和

陶瓷纤维。

6.权利要求1所述的方法，进一步包括，

将第三聚合树脂的涂层施加在所述第一聚合树脂的所述涂层上，其中所述第三聚合树脂具有大于所述第一聚合树脂但小于所述第二聚合树脂的变形畸变能力。

7.具有提高的变形畸变能力的纤维增强树脂复合材料，其包括，

聚合树脂基体；

保持在所述基体中的增强纤维；以及

在所述纤维上的用于提高所述纤维和所述基体之间的负载转移的涂层。

8.权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料，其中：

所述涂层包括具有大于所述树脂基体的变形畸变能力的聚合树脂。

9.权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料，其中：

所述涂层包括分别具有不同变形畸变能力的第一层聚合树脂和第二层聚合树脂，所述第一层聚合树脂和第二层聚合树脂的变形畸变能力分别大于所述树脂基体的变形畸变能力。

10.权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料，其中用所述基体树脂浸渍所述纤维。

11.权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料，其中：

所述纤维包括分别具有不同劲度或强度的至少两组。

12.权利要求7所述的纤维增强树脂复合材料，其中所述纤维选自：

碳纤维，

玻璃纤维，

有机纤维，

金属纤维，和

陶瓷纤维。

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