CN103347683B - 具有增强的表面和粘附性能的纤维增强复合部件的制造及修复 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种将纤维增强的层合层结合到表面(3)的方法，该方法包括：将熔融树脂的层施加到表面(3)上，树脂将空气从表面排除并在冷却时凝固在表面上，由此在表面上形成凝固树脂的层(7)，在所得到的凝固树脂的层上施加复合敷层(13)，以及加热树脂并使树脂熔融使得复合敷层浸没在熔融树脂中并且树脂随后被固化由此形成层合层(19)。

Description

具有增强的表面和粘附性能的纤维增强复合部件的制造及修复
技术领域
本发明涉及由纤维(如玻璃纤维和碳纤维)增强的热固化(thermocuring)或热硬化(thermo setting)树脂形成的复合部件的制造和修复。
背景技术
使用金属面加工(metal faced tooling)以提供用于形成复合部件如航空航天和汽车零件(例如，汽车的引擎盖和其它汽车面板)的模具。这样的金属面加工通常包括由碳纤维增强的背衬支撑的电镀形成的金属表面层或薄喷涂金属表面层。关于这种加工的问题是对金属层的任何损坏将使加工变得无效。不幸的是远离碳纤维背衬的金属层比较容易切碎。这是因为，薄金属层与支撑碳纤维复合背衬之间的粘附性主要是由层叠脆性的树脂促进的，因而该粘附性比较弱。已经尝试过粘合剂和糊剂(paste)，但这导致断裂点移动到具有层叠体的界面。它提高了粘附性能但不能消除该问题。有利地是能够提高金属层与碳复合背衬直接在表面处的粘附，因为这将消除界面和不连续性问题并且就表面光洁度和真空密封性(vacuumintegrity)而言有利于延长金属面加工的寿命。这种方法适合于表面粘附性会增强表面性能并从而增强在该领域的产品性能的大量产品。
在其他领域，特别是在受损的纤维增强复合板的修复中，特别是在航空航天复合结构中，也出现粘附性相关的问题。用于修复这种复合板的通常方法是在部件的受损区域上方施加树脂浸渍布形式的补片(patch)，并且使补片经受提高的压力和温度以使补片固化并且粘附到受损区域。用于提高补片对受损区域的粘附性的典型的方法是使受损区域周围的区域粗糙并且斜切(chamfer)区域背面以制造针对层叠体的厚度露出层叠体每一层的平滑成形的斜坡，以提供渐进的载荷传递并且从而提供更好的对于补片的机械结合。将底漆或表面处理施加到斜切的表面上并且将补片添加到顶部。使用这种机械结合的问题是，几乎不可能具有完全浸湿的表面并且空气被截留在表面和补片之间。然后，湿气可以通过层叠体被吸收，渗入到界面/表面上的结合面中，并且沿着界面/表面上的结合面移动，这可能会导致补片的剥离。因此，优选的是，能够首先通过提高对斜面的粘附来改善补片的粘附性，或者通过具有用于传递负荷的较小的斜面面积来节省大量时间。如果粘附性被显著地提高，则这是可能的。
因此，本发明的一个目的是提供提高纤维增强层与相邻表面的粘附性的方法。
考虑到这一点，本发明提供了新权利要求1。
将空气从表面排除有助于确保几乎没有气穴残留在表面与层合层之间的界面处，从而改善表面与层合层之间的粘附性。将复合敷层浸没到熔融树脂中也有助于驱出夹带在复合敷层内部的任何残留气体。形成的层合层因此可以是连续的而不存在不一致。
通过将纳米颗粒与熔融树脂一同施加进一步改善了粘附性，其中包含在树脂内的显著部分的纳米颗粒被驱向表面并且聚集在表面处并与所述表面相邻。
可以将纳米颗粒与施加到表面的树脂预混合。可替换地，最初可以将树脂施加到表面，随后将纳米颗粒分布在液体状态的树脂中。可以使用振动装置以进一步将分布纳米粒子在树脂中，并且因此使纳米颗粒集中到表面上或接近表面。
添加到树脂的纳米颗粒的量可以优选地小于树脂的2重量％。添加更大量的纳米颗粒会导致树脂的行为更像糊剂而不是液体。这将更难将树脂层施加到表面同时避免空气被截留在树脂“糊剂”与表面之间。施加混合有低浓度纳米颗粒的树脂使其可以被移动、喷涂并按层沉积到表面上。随后将复合敷层浸没到树脂中，这起以下作用：过滤并将树脂与纳米颗粒分离，所述纳米颗粒被驱向树脂层与表面之间的界面处的表面并且在树脂层与表面之间的界面附近聚集。纳米颗粒在表面上或在表面附近的这种聚集相当于糊剂但没有施加糊剂的困难并且没有不连续性。因此，从被接合的表面一直到层合层的外部表面，层合层可以一直是连续的。以这种方式，形成了在接合面与层之间没有任何不一致性的无孔隙的具有高强度和耐冲击性的层叠体。
复合敷层(也被称为“预层合层(pre pack)”)可以由一个或更多个纤维束层形成。复合敷层还可以包括至少一个纳米颗粒控制层用于随着将复合敷层浸没到熔融树脂层中辅助纳米颗粒朝着表面的驱动。纳米颗粒控制层可以是例如已知为“Kevlar”(DuPont的注册商标)膜的对位芳纶合成纤维的形式、或复合敷层的控制机构形成部件的其他形式。
可以通过金属面加工模具的金属层的内面来提供表面。可替换地，表面可以是受损的纤维增强复合板的表面。然而，本发明并不限于这些应用，还可以设想需要改善粘附性的其它应用。
可以优选通过喷涂工序将熔融树脂施加到表面，将树脂施加到表面的优点是最大限度地减少或消除紧邻表面的气穴的形成。可以以粉末形式提供用于喷涂工序的树脂。在喷涂工序期间，粉末状的树脂熔融并溅落在表面上方以驱走夹带在表面中的任何空气并且由此在表面上方形成得到的树脂层。但是，还设想可以通过利用涂敷垫(applicator pad)或辊的泵送、或者通过刷子或其它装置手动地施加该树脂。
可以对复合敷层和树脂层施加热和压力以使树脂熔融并随后使用已知的方法使树脂固化。例如，在本申请人的澳大利亚专利第697678号、第2001237133号和第2002227779号中描述了一种使用具有可置换的接面(abutment face)的压力室的装置，其中在升高的压力和温度下使流体循环通过压力室以实现复合敷层补片的压实和固化。
虽然本发明可以应用的表面在打磨和研磨后呈现出平滑，但是这种处于纳米尺度的表面事实上很粗糙。因此，被驱动到树脂与表面之间界面下并且集中在树脂与表面之间的界面上的纳米颗粒的提供用于插入表面中并且从而嵌入表面，使得表面与树脂之间的有效粘附被提高。据估计，由于层合层与表面之间的剪切强度的提高，所以可以实现粘附性增加十倍。
纳米颗粒可以由多种不同的材料(包括碳、硅、金属或其它电介质和半导体材料)形成。术语“纳米颗粒”也包括没有处于纳米尺度的颗粒如作为小的玻璃微纤维的针状体或金刚石粉末。通常使用碳以形成石墨烯或长纳米管(elongate nanotube)。因为石墨烯和碳纳米管的相对较高的热导率，所以这种石墨烯或碳纳米管也可以潜在地提高表面与相邻层合层之间的传热速率。添加金刚石粉末也可以提高热传递性能。
附图说明
参照示出了根据本发明的优选实施方案的方法的附图来进一步描述本发明将会是方便的。本发明的其它实施方案是可能的，因此不能将附图的特殊性理解为取代本发明的前面描述的一般性。
在附图中：
图1是根据本发明的第一步骤的模具和树脂层的示意性局部侧横截面视图；
图2是示出了本发明的随后步骤的图1的模具和树脂层的示意性局部侧横截面图；以及
图3是示出了本发明的最后步骤的模具和最后层合层的示意性的局部侧横截面图。
具体实施方式
附图示出了根据本发明的纤维增强的层合层与表面的结合的方法的各种步骤。本发明将参照其在金属面加工模具的制造中的应用来进行描述，但是本发明同样地适用于纤维增强复合板的修复或其它应用。
首先参照图1，其中示出了金属面加工模具的金属层1。金属层1具有用于提供模具表面的外部表面5。金属层1还具有需要粘附到在最终完成模具中的碳纤维增强的层合层的内表面3。
本发明的预备步骤涉及在内表面3上施加树脂层。可以使用喷涂设备施加树脂因为这有助于确保在模具内表面3与树脂层7之间的界面处不形成气泡或几乎不形成气泡。可以使用各种不同的树脂以形成树脂层7，基本的标准是树脂通常在室温下是固态的并且可以熔融为液相而不固化从而可以被施加到表面3。因此，在树脂已经被施加到内表面3之后，树脂层7中的树脂凝固。纳米颗粒9(通过虚线示意性地示出)分布在树脂层7中。纳米颗粒9可以在施加到表面3之前与熔融树脂预混合。可替换地，可以将纳米颗粒9分布到仍然为液态的树脂层7中。还可以使用振动装置(未示出)以促进纳米颗粒9重新遍布树脂层7。
一旦树脂层7凝固，就可以将纳米颗粒控制层11覆盖在树脂层7上。该控制层11的功能随后描述。然后将复合敷层13(也被称为“预层合层”)覆盖到控制层11上方。预层合层13可以通过一个或更多个纤维束层15来形成。这些纤维束层15可以通过施加少量或更大量树脂保持在一起使得完全润湿层叠体而不阻止树脂/气流通过层叠体。在层15之间的熔融树脂的量的目的是一旦凝固就将预层合层13保持在一起并且一旦熔融就完全润湿层叠体。
在如图2所示的根据本发明的下一步骤中，将真空袋17覆盖在预层合层13上方，并且抽出真空袋17下方的空气以压实预层合层13并将大部分空气抽出预层合层13。
图3示出了本发明的再下一步骤，其中向树脂层7和预层合层13施加热和压力。申请人已开发出用于制造和修复纤维增强的复合部件的各种方法和装置，如例如在澳大利亚专利第697678号、第2001237133号和第2002227779号所示出的。还可以设想使用用于对预层合层13施加压力和热的其它更加常规的方法。
参照图3，由于向树脂层7施加了热，所以树脂熔融并且预层合层13被迫向下进入并且浸没在现已熔融的树脂层7内部。纳米颗粒控制层11也被迫向下趋向模具的内表面3。该控制层7用于将纳米颗粒9从熔融树脂“过滤”出使得纳米颗粒9集中在内表面3与树脂7之间的界面处。一些纳米颗粒9可以穿过控制层7并且移动通过预层合层13。这些纳米颗粒9将有助于对于最终纤维增强的层合层19提供沿着通常与内面3水平的方向的增强。然而，大多数纳米颗粒9将集中在邻近表面3的区域中。还可以设想不使用纳米颗粒控制层11，而是预层合层13本身代替纳米颗粒控制层11用于驱动纳米颗粒到表面上。在该阶段施加到树脂的热量完全使树脂固化由此形成最终纤维增强的层合层19。
邻近内表面3的纳米颗粒9的聚集起以下作用：使现在固化的纤维增强的复合层锚固到内表面3上从而使最终纤维复合层合层19对金属层1的粘附性提高。
此外，纳米颗粒9还起以下作用：改善内表面3和相邻层合层19之间的热传递，特别是在使用热导率非常高的石墨烯或碳纳米管的情况下。
所附权利要求所要求保护的本发明的范围包括被本领域技术人员视为显而易见的修改和变化的技术方案。

Claims (10)

1.一种将纤维增强的层合层结合到表面的方法，包括：将熔融树脂的层施加到所述表面上，所述树脂将空气从所述表面排除并在冷却时凝固在所述表面上，由此在所述表面上形成凝固树脂的层，在所得到的凝固树脂的层上施加复合敷层，以及加热所述树脂并使所述树脂熔融，使得所述复合敷层浸没在熔融树脂中并且所述树脂随后被固化由此形成所述层合层，该方法还包括将纳米颗粒与熔融树脂一同施加，其中包含在所述树脂内的至少显著部分的所述纳米颗粒被驱向所述表面并且聚集在所述表面处并与所述表面相邻。
2.根据权利要求1所述的方法，其中将所述纳米颗粒在施加之前与所述树脂预混合。
3.根据权利要求1所述的方法，包括在施加树脂层后将所述纳米颗粒施加到所述树脂层上。
4.根据权利要求2或3所述的方法，包括在熔融的同时振动所述树脂以促进所述纳米颗粒遍布所述树脂。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中将所述树脂喷涂到所述表面上。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述复合敷层还包括至少一个纳米颗粒控制层以辅助将所述纳米颗粒驱向所述表面。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述纳米颗粒控制层是Kevlar(DuPont的注册商标)膜。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中将小于2重量％的纳米颗粒添加到所述树脂。
9.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述表面是金属面加工模具的金属层的内表面。
10.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其中所述表面是纤维增强的复合板的受损表面。
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