CN104011276A - 无序毡和纤维增强复合材料 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种适于用作用于具有诸如肋的直立部的成型制品的预成型体的无序毡。以无序毡中包含的所有增强纤维计，无序毡包含50至100质量％的纤维长度为3mm以上并且小于5mm的增强纤维，和0至50质量％纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维，并且无序毡满足特定的基重和特定的开纤程度。

Description

无序毡和纤维增强复合材料
技术领域
本发明涉及一种用作用于纤维增强复合材料的成形制品的预成型体的无序毡、由该无序毡获得的成形制品、使用本发明的无序毡获得的纤维增强复合材料以及用于制造该纤维增强复合材料的方法。本发明特别涉及一种适于用作用于具有诸如肋的直立部的成形制品预成型体的无序毡。
背景技术
由于其高比强度和高比弹性，将碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等用作增强纤维的纤维增强材料已经被广泛用于飞机、机动车辆等的结构材料，一般工业和运动用途例如网球拍、高尔夫球杆和钓竿等。在这些应用中使用的增强纤维的形式包括由连续纤维形成的纺织物、由单向排列的平行纤维构成的UD片、使用切割纤维制造的无序片和无纺织物等。
一般来说，由于纤维的各向异性，采用连续纤维的织物或UD片等，被以各种角度例如0/+45/-45/90度堆叠，并且被例如平面对称堆叠，以防止成形制品翘曲。如此复杂的堆叠步骤是增加纤维增强复合材料的成本的因素之一。
因此，通过使用预先成为各向同性的无序毡，能够获得相对廉价的纤维增强复合材料。这种无序毡可以通过例如将切割的增强纤维单独地喷撒或将切割纤维和热固性树脂一起同时吹送到成形模具中的喷附方法(干法)，或向含有粘合剂的浆料中添加预先切割的增强纤维，然后进行造纸的方法(湿法)等来获得。然而，由于设备相对小，所以干式制造方法的使用使得能够以较低成本获得无序毡。
经常使用的干式制造方法的技术是，使用连续纤维、并且在切割时进行吹送的方法，并且在其中大多使用旋切机。然而，当加宽刀片间距以便加长纤维长度时，降低的切割频率引起纤维排料的不连续。因此，毡在单位面积纤维重量方面出现局部不均匀，特别是在制造具有低的单位面积纤维重量的毡时，这种厚度不均匀是严重的。因此存在毡的表面外观不良的问题。
同时，增加纤维增强复合材料的成本的另一个因素是成型时间长。通常，纤维增强复合材料通过使用压热釜对被称为预浸料坯的材料加热并加压2小时以上来获得，所述预浸料坯通过预先以热固性树脂浸渍增强纤维基材来获得。近年来，已提出了RTM方法并且已经实现了成型时间的显著缩短，在该方法中将未以树脂浸渍的增强纤维基材置于模具中，随后向其倾倒热固性树脂。然而，即使采用RTM方法的情况下，一个部件的成型也必需10分种以上的时间。
因此，使用热塑性树脂代替常规热固性树脂作为基质而获得的复合材料，已吸引了注意。然而，热塑性树脂与热固性树脂相比一般具有更高粘度，因此存在以树脂浸渍纤维基材需要长时间，导致成型前的节拍时间延长的问题。
作为解决上述问题的方法，已经提出了被称为热塑性冲压成型(TP-SMC)的方法。这是包括将预先用热塑性树脂浸渍的切割的纤维加热至熔点以上或使树脂可流动的温度以上、将其放入到模具的一部分中、将模具立即关闭、使纤维和树脂能够在模具中流动从而获得制品的形状、随后冷却并且成型的方法。在这种技术中，通过使用预先以树脂浸渍的纤维，能够在短至约1分钟的时间内完成成型。存在涉及切割的纤维束和用于制造成型材料的方法的专利文献1和2。这些方法是利用被称为SMC或可冲压片的成型材料的方法。然而，与采用热固性树脂作为基质的纤维增强复合材料的情况相比，热塑性冲压成型存在由于树脂分子量不同而导致的粘度高的缺点和由于通过流体化来进行成型，所以需要相对高的成型压力用于特别是将纤维和树脂填入诸如肋或凸台的复杂的形状的缺点。因此制造大的成形制品必须大量的设备投入和高额的维护成本。
引用列表
专利文献
专利文献1：JP-A-2009-114611
专利文献2：JP-A-2009-114612
发明内容
本发明要解决的问题
本发明的目的是提供：一种无序毡，该无序毡用作纤维增强复合材料的成形制品的预成型体，并且即使在低压条件下，也能够利用一体成型由该无序毡获得具有例如肋或凸台的直立部的三维复杂形状；一种由该无序毡获得的成形制品；使用本发明的无序毡获得的纤维增强复合材料；以及用于制造纤维增强复合材料的方法。另一个目的是提供一种无序毡，由该无序毡能够获得具有优异的各向同性的成形制品。
解决问题的手段
本发明已经发现一种由热塑性树脂和增强纤维构成的无序毡使得能够在成型期间控制其可流动性以便适合，所述增强纤维满足特定的结束或开纤条件并且具有在特定范围内的纤维长度。本发明由此完成。即，本发明是包含纤维长度为3～50mm的增强纤维并且满足下列i)至v)的无序毡、由该无序毡获得的成形制品、使用本发明的无序毡获得纤维增强复合材料、以及制造该复合材料的方法。
i)以无序毡中包含的所有的增强纤维计，纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维的含量为50至100质量％，并且以无序毡中包含的所有的增强纤维计，纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维的含量为0至50质量％；
ii)增强纤维的单位面积纤维重量为25至10,000g/m2；
iii)增强纤维包括小于临界单纤维数的增强纤维的单纤维，以及由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)，所述临界单纤维数由下式(1)定义；
iv)无序毡中包含的增强纤维束(A)与所有增强纤维的比率为50vol％以上并且小于99vol％；并且
v)增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)：
临界单纤维数＝600/D  (1)
1.5×104/D2＜N＜3×105/D2  (2)
(其中，D表示单增强纤维的平均纤维直径(μm))。
本发明的优点
本发明的无序毡适于用作用于纤维增强复合材料的成形制品的预成型体。由于无序毡在成型期间具有优异的可流动性，所以能够在相对低的压力下容易地形成诸如从水平部纵向地延伸的肋或凸台的、复杂三维形状的直立部。因此，能够以最小的必需材料量由本发明的无序毡形成制品的形状，并且能够省略修边步骤。因此能够期望相当量的节省的材料和得到的成本降低。此外，本发明的无序毡能够被用作各种构成部件的预成型体，例如用于机动车辆的内部片材、外部片材和构成部件，各种电气产品或电器的框架或壳体等。
附图说明
图1是切割步骤的示意图。
图2是旋转分离切割机的示意前视图和截面图。
图3是用于说明进刀角度的视图。
图4是示出具有与纤维方向平行的刀具的切割机的示意图。
图5示出连续改变刀片间距的旋切机。
图6是用于说明本发明的实施例的模具的示意图。
图7是用于说明本发明的实施例的成形制品的实例示意图。
图8示出在具有凸台和肋的成形制品中切出测试样品的部分。
参考标记说明
1   增强纤维
2   压紧辊筒
3   橡胶辊筒
4   旋切机主体
5   刀片
6   切割的增强纤维
7   刀片间距
8   与纤维方向平行的刀片
9   水平部
10  侧壁
11A 肋1
11B 肋2
11C 肋3
12A 凸台1
12B 凸台2
12C 凸台3
12D 凸台4
13用于拉伸模量测量的样本被切割出的肋部的部分
14用于拉伸模量测量的样本被切割出的水平部的部分
具体实施方式
[无序毡]
本发明的无序毡包含纤维长度为3至50mm的增强纤维，并且满足下列i)至v)：
i)以无序毡中所有的增强纤维计，纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维的含量为50至100质量％，并且以无序毡中所有的增强纤维计，纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维的含量为0至50质量％；
ii)增强纤维的单位面积纤维重量为25至10,000g/m2；
iii)增强纤维包括小于临界单纤维数的增强纤维的单纤维，以及由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)，所述临界单纤维数由下式(1)定义；
iv)无序毡中包含的增强纤维束(A)与所有增强纤维的比率为50vol％以上并且小于99vol％；并且
v)增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)：
临界单纤维数＝600/D  (1)
1.5×104/D2＜N＜3×105/D2  (2)
(其中，D表示单增强纤维的平均纤维直径(μm))。
在本发明中，存在以下情况，即无序毡中包含的增强纤维束(A)与所有增强纤维的比率(vol％)被表示为其与所有毡纤维的体积比率(vol％)。
在无序毡的平面中，增强纤维不在特定方向上排列，而是以随机方向分散地布置。
本发明的无序毡是平面内各向同性优异的材料。当由无序毡获得的成形制品时，在成形制品中维持无序毡中的增强纤维的各向同性。通过由无序毡获得成形制品并测定两个相互垂直的方向上的拉伸模量的比率，能够定量地评价无序毡的各向同性和由其所获得的成形制品的各向同性。当用在由无序毡获得的成形制品的两个方向上的模量中的较大值除以较小值获得的比率不超过2时，该成形制品被认为是各向同性的。在所述比率不超过1.3的情况下，该成形制品被认为具有优异的各向同性。
在无序毡中，增强纤维的单位面积纤维重量在25至10,000g/m2的范围内。无序毡可用作预浸料坯，并且其单位面积纤维重量可以根据所需的成型从宽范围内选择。其单位面积纤维重量优选为25至4,500g/m2，更优选为25至3,000g/m2。
[增强纤维]
无序毡中包含的增强纤维是不连续的，并且增强纤维包括纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维(在后文中常称作增强纤维(B))。增强纤维(B)是对成型期间的可流动性贡献极大的一组纤维。增强纤维(B)的纤维长度的范围优选为5至15mm，更优选为7至13mm，还更优选为7至10mm。以无序毡中包含的所有增强纤维计，增强纤维(B)的量为50至100质量％，优选为70至100质量％，更优选为90至100质量％。在稍后描述的优选的用于切割增强纤维的方法中，当将增强纤维切割为固定长度并且由其形成无序毡的情况下，平均纤维长度大致等于切割的纤维的长度。
同时，在本发明中存在以下情况，即以无序毡中包含的所有增强纤维的计，特定的增强纤维的wt％含量被表示为与所有毡纤维的质量比率(％)。
除了纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维(B)之外，还可以组合使用纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维(在后文中常简称作增强纤维(C))。由于增强纤维(C)具有相对大的纤维长度，所以能够确保其机械特性(尤其是长期疲劳强度)。然而，太长的增强纤维会损害可流动性。因此，增强纤维(C)的纤维长度的范围优选为17至40mm，更优选为20至30mm。增强纤维(C)与所有毡纤维的比率为0至50质量％，更优选为0至10质量％，还更优选为2至10质量％。
对获取这样的纤维长度分布的方法没有特别限制，其实例包括以稍后描述的用于形成无序毡的优选的方法来调整用于切割纤维束的刀片的间距的方法。通过使用刀片间距不同的多个刀片组或通过使用刀片间距连续地变化的旋切机，能够在连续地改变纤维长度的同时切割纤维。
纤维长度以通过测量包含在获得的无序毡中的增强纤维的纤维长度来确定纤维长度分布的形式来表述。测量纤维长度的方法的实例包括以游标卡尺等将随机抽取的100根纤维的长度测量至1mm单位并确定其分布的方法。通过采用稍后描述的用于切割增强纤维的优选的方法，无序毡中包含的增强纤维的长度能够被控制为固定长度或具有给定的长度分布。
优选的是，无序毡中包含的增强纤维是选自碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维中的至少一种纤维。这些纤维可以组合使用。从能够提供除了轻量之外还具有优异的强度的复合材料的角度，在这些纤维中，碳纤维是优选的。关于碳纤维，由聚丙烯晴纤维作为前体所制成的碳纤维(在后文中常被称作聚丙烯晴系碳纤维或PAN系碳纤维)是特别优选的。在碳纤维的情况下，其平均纤维直径优选为3至12μm，更优选为5至7μm。
优选的是，使用的碳纤维是附着有上浆剂的碳纤维。上浆剂的量为每100质量份增强纤维0至10质量份。
在玻璃纤维的情况下，其平均纤维直径优选为3至20μm，更优选为10至15μm。
[开纤程度]
本发明的无序毡的特征在于无序毡中包含的由临界单纤维数以上的增强纤维所构成的增强纤维束(A)与所有纤维的比率为50vol％以上并且小于99vol％，所述临界单纤维数由下式(1)定义：
临界单纤维数＝600/D  (1)
(其中，D表示单增强纤维的平均纤维直径(μm))。
除了增强纤维束(A)之外，存在于无序毡中的增强纤维还包括处于单纤维状态的纤维或由小于临界单纤维数的单纤维构成的纤维束。
即，本发明的无序毡的特征在于，由取决于平均纤维直径而定义的临界单纤维数以上的增强纤维所构成的增强纤维束(A)的存在量为50vol％以上并且小于99vol％，也就是说，在增强纤维束(A)中，增强纤维的开纤程度是受控的，并且增强纤维束由特定数量以上的增强纤维所构成；以及并且其它开纤的增强纤维以为特定比例开纤的增强纤维。例如，通过例如在稍后描述的优选的制造方法中在开纤步骤中调节吹入的空气的压力，能够将增强纤维束(A)的存在量控制为50vol％以上并且小于99vol％。或者，通过调节待经历切割步骤的纤维束的尺寸，诸如束的宽度或者每单位宽度的纤维数量，能够控制增强纤维束(A)的其存在量。其具体实例包括通过开纤等将纤维束加宽然后进行切割步骤的方法，以及在切割步骤之前设置分条步骤的方法。其实例还包括使用包括大量布置的短刀片的所谓分离刀来切割纤维束的方法，以及使用这样的分离刀对纤维束进行切割同时分条的方法。优选的条件在开纤步骤部分描述。
在增强纤维束(A)与所有纤维的比率小于50vol％的情况下，当成型本发明的无序毡时，存在获得具有优异的表面质量的复合材料的优点。然而，由于难以获得机械特性优异的纤维增强复合材料并且此外处于单纤维状态的增强纤维的比率高，所以纤维的缠结增加，损害可流动性。在增强纤维束(A)的比率为99vol％以上的情况下，尽管可流动性自身是满足的，但是纤维的缠结太少使得纤维之间的收缩力低。结果，沿着流动方向可靠地进行纤维排列并且无法确保各向同性。因此，这样的过高的比率无法实现本发明的目的。增强纤维束(A)的比率更优选为60vol％以上并且小于95vol％。
无序毡的特征还在于由临界单纤维数以上的增强纤维所构成的增强纤维束(A)的平均纤维数量(N)满足下式(2)：
1.5×104/D2＜N＜3×105/D2  (2)
(其中，D表示单增强纤维的平均纤维直径(μm))。
通过在稍后描述的优选的制造方法中调节待经切割步骤的纤维束的尺寸，诸如束的宽度或者每单位宽度的纤维数量，能够控制增强纤维束(A)的平均纤维数量(N)。其具体实例包括通过开纤等将纤维束加宽然后进行切割步骤的方法，以及在切割步骤之前设置分条步骤的方法。纤维束可以在切割的同时进行分条。
例如，通过在开纤步骤中控制吹入的空气的压力，来调节切割的纤维束的开纤程度，也能够控制增强纤维束(A)的平均纤维数量(N)。优选的条件将在开纤步骤和切割步骤部分中描述。
具体来说，在无序毡中包含的增强纤维的平均纤维直径为5至7μm的情况下，临界单纤维数为86至120；而在增强纤维的平均纤维直径为5μm的情况下，纤维束中的平均纤维数量在600至12,000的范围内，并且优选为1,000至9,000。在增强纤维的平均纤维直径为7μm的情况下，纤维束中的平均纤维数量在306至6,122的范围内，并且优选为500至4,900。
在增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)为1.5×104/D2以下的情况下，难以获得高纤维体积分数(Vf)。在增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)为3×105/D2以上的情况下，局部地形成厚部，容易成为空隙的因素，此外，在流体化之后，倾向于发展各向异性。因此，这样的情况无法实现本发明的目的。此外，在要获得薄至1mm以下的薄壁复合材料的情况下，使用简单分离的纤维导致密度的不均匀性增强，使得不能获得满意的性质。同时，在纤维已经完全开纤的情况下，易于获得薄壁制品，但纤维缠结增强并且这不仅使得不能获得具有高纤维体积分数的制品还会损害可流动性。因此不期望使用这样的纤维。
由于上述原因，在本发明中，对于纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维(B)来说，优选的是，由临界单纤维数的增强纤维构成的增强纤维束(AB)中的平均纤维数量(NB)满足下式(2B)，临界单纤维数由式(1)定义：
1.5×104/DB 2＜NB＜3×105/DB 2  (2B)
(其中，DB表示单增强纤维的平均纤维直径(μm))。
在本发明中，在纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维(C)不存在的情况下，毫无疑问，平均纤维数量(NB)等于平均纤维数量(N)。
此外，对于纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维(C)来说，优选的是，由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(AC)中的平均纤维数量(NC)满足下式(2C)，临界单纤维数由式(1)定义：
5.0×104/DC 2＜NC＜3×105/DC 2  (2C)
(其中，DC表示纤维长度为15mm以上并且50mm以下的单增强纤维的平均纤维直径(μm))。
增强纤维(C)是具有相对长的纤维长度的组分。在构成束的纤维数量相对大的情况下，不仅易于确保无序毡中纤维的线性度并且增强机械特性，而且还防止纤维缠结从而提高可流动性。
同时，在本发明中，在仅使用一种增强纤维的情况下，毫无疑问，纤维长度为3mm以上并且50mm以下的增强纤维(增强纤维(B))的平均纤维直径(DB)和纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维(增强纤维(C))的平均纤维直径(DC)等于式(1)和式(2)中包括的平均纤维直径D。
在本发明中，在纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维(增强纤维(C))的平均纤维直径与纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维(增强纤维(B))的平均纤维直径的比率为1.5至10的情况下，能够获得在可成型性和强度两方面都优异的成形制品，因此该比率范围是优选的。其比率更优选为1.5至5。
能够获得作为具有高特性和高可流动性的无序毡的包括增强纤维束(A)的无序毡，该增强纤维束(A)由临界单纤维数的增强纤维和处于单纤维状态的增强纤维或作为由小于临界单纤维数的增强纤维构成的束的增强纤维两者构成，临界单纤维数由式(1)定义。本发明的无序毡特别适于制造稍后描述的具有诸如肋或凸台的直立部的成形制品。
可以使本发明的无序毡具有不同的厚度。该无序毡适于用作用于获得厚度约为0.2至1mm的薄壁成形制品的预成型体。即，根据本发明能够获得具有各种所期望的成形制品的厚度的无序毡。尤其是，这样的无序毡作为薄壁成形制品，诸如夹层材料的表皮，的预成型体是有用的。通过稍后描述的优选的制造方法中的切割步骤和开纤步骤，能够控制增强纤维束(A)中的平均纤维数量。
此处，术语“夹层材料”表示通过将多个材料层叠三层以上，典型地为三层，而获得的构件。夹层材料的特别典型的实例为，由中心层材料(芯材)和与芯材不同的并且被层叠到芯材前后表面的材料(面材)所构成的，类似于作为食物的三明治的夹层材料。在广义中，该术语包括包括四层以上的层叠体以及芯材和面材由相同材料制成的层叠体。
[热塑性树脂]
本发明的无序毡还包含作为用于获得纤维增强复合材料的预成型体的热塑性树脂。优选的是，在无序毡中，热塑性树脂以纤维和/或颗粒形式存在。在纤维和/或颗粒形式的热塑性树脂以与增强纤维的混合物而存在的情况下，该无序毡的特征在于，在成型期间，无需使纤维和树脂在模具中流体化，就能够容易地浸渍热塑性树脂。优选的是，热塑性树脂由纤维状或颗粒状形式构成。可以使用两种以上种热塑性树脂，并且纤维形式和颗粒形式可以组合使用。
在纤维状热塑性树脂的情形中，纤度为100dtex至5,000dtex的热塑性树脂是优选的，并且纤度为1,000dtex至2,000dtex的热塑性树脂是更优选的。其平均纤维长度优选为0.5mm至50mm、更优选为1mm至10mm。
在颗粒状热塑性树脂的情况下，优选的实例包括球形、小片或诸如球粒的圆柱形。在球形的情况下，其优选的实例包括全圆形或椭圆形回转体或类似卵形的形状。在使用球形颗粒的情况下，其平均粒径优选为0.01至1,000μm。其平均粒径更优选为0.1至900μm、还更优选为1至800μm。对其粒径分布没有特别限制。但从获得更薄的成形制品的角度，集中的分布是更加优选的。但是，可以通过诸如分类的操作来调整所期望的粒径分布。
在小片的情况下，其形状的优选实例包括圆柱状例如球粒、棱柱状或鳞片状。在此情况下，颗粒可以具有一定的纵横比。但是，其优选的长度大致与纤维状树脂的长度相同。
热塑性树脂的实例包括氯乙烯树脂、偏氯乙烯树脂、乙酸乙烯酯树脂、聚乙烯醇树脂、聚苯乙烯树脂、丙烯腈-苯乙烯树脂(AS树脂)、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯树脂(ABS树脂)、丙烯酸树脂、甲基丙烯酸树脂、聚乙烯树脂、聚丙烯树脂、聚酰胺6树脂、聚酰胺11树脂、聚酰胺12树脂、聚酰胺46树脂、聚酰胺66树脂、聚酰胺610树脂、聚缩醛树脂、聚碳酸酯树脂、聚对苯二甲酸乙二酯树脂、聚萘二甲酸乙二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂、聚萘二甲酸丁二酯树脂、聚芳酯树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂、聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚醚醚酮树脂以及聚乳酸树脂。
这些热塑性树脂可以单独或其两种以上组合使用。
优选地，无序毡中热塑性树脂的存在量为每100质量份增强纤维50至1,000质量份。热塑性树脂的量更优选为每100质量份增强纤维55至500质量份，还更优选为每100质量份增强纤维60至300质量份。
[其他试剂]
只要不损害本发明的目的，本发明的无序毡可以包含任意不同纤维状或非纤维状填充剂诸如玻璃纤维和有机纤维，以及添加剂例如阻燃剂、抗UV剂、颜料、脱模剂、软化剂、增塑剂以及表面活性剂。
[制造方法]
以下描述用于获得本发明的无序毡的优选方法。本发明的无序毡优选地经过下列步骤1至3来形成：
1.切割增强纤维束的步骤；
2.将切割的增强纤维导入管中并且纤维束进行开纤的步骤；
3.由增强纤维和热塑性树脂形成无序毡的步骤。
即，本发明涉及制造无序毡的方法，该制造方法包括上述步骤1至3。
以下详细描述每一个步骤。
[切割步骤]
具体而言，本发明的方法中的切割增强纤维的方法是使用刀具切割增强纤维的步骤。优选的用于切割的刀具为，例如，旋切机。优选的旋切机是配备有以特定角度布置的螺旋刀或者配备有其中布置了大量短刀的所谓分离刀的旋切机。示出切割步骤的示意图如图1所示。具有螺旋刀的旋切机的实例如图2所示，而具有分离刀的旋切机的实例如图3所示。
优选的是，通过调节待经历切割步骤的纤维束的尺寸，诸如束的宽度或者每单位宽度的纤维数量，将增强纤维束(A)的平均纤维数量(N)控制在本发明的优选范围内。
作为待经历切割步骤的纤维束，优选地使用增强纤维束的数量预先落入式(2)所示的范围内的纤维束。然而，一般来说，纤维束数量越小，纤维价格越昂贵。因此，在使用可以廉价地获得的纤维束的数量大的增强纤维束的情况下，优选地在调整其宽度或单位宽度的纤维数量之后，再使纤维束经历切割步骤。其具体实例包括通过开纤等将纤维束细致地加宽，然后对其进行切割步骤的方法，以及在切割步骤之前设置分条步骤的方法。在设置分条步骤的方法中，由于在将纤维束供应至切割步骤之前使其预先变细，可以使用没有特殊装置的常规平面刀片或螺旋刀片等作为切割机。
其实例还包括使用分离刀切割纤维束的方法和使用具有分条功能的切割机对纤维束进行切割同时分条的方法。
在使用分离刀的情况下，通过使用刀具宽度窄的分离刀能够获得减小的平均纤维数量(N)，而通过使用刀具宽度宽的分离刀能够获得增大的平均纤维数量(N)。
作为具有分条功能的切割机，图4示出分离切割机的实例，该分离切割机除了垂直于纤维方向的刀具以外还同时具有具有分条功能并且的平行于纤维方向布置的刀具。在图4的切割机中，垂直于纤维方向的短刀以一定间隔螺旋地布置。能够以这些短刀切割纤维，并且同时能够以垂直于纤维方向的刀具对纤维束进行分条。在图4所示分离切割机中，图中所示的旋切机的周向方向与刀具的布置方向之间的角度θ是恒定的。此外，在诸如图2所示分离刀的情况下，与纤维方向平行的刀具可以布置在分离刀之间。
为了获得用于增强热塑性树脂的无序毡，该无序毡具有优异的表面外观，纤维密度方面的不均匀性表现出相当的影响。在使用布置有普通的平面刀片的旋切机的情况下，纤维切割是不连续的并且将切割的纤维原样导入涂布步骤中导致单位面积纤维重量的不均匀性。因此，通过使用被调节为特定角度的刀地连续切割纤维而不间断切割的纤维的供应，密度的不均匀性小的涂布变得可能。由使用的增强纤维的宽度和刀片间距几何地计算用于连续切割增强纤维的刀的角度，该关系优选地符合下式(3)。沿着周向方向的刀片间距原样反映在增强纤维的纤维长度上。
增强纤维的纤维长度(刀片间距)＝增强纤维股的宽度×tan(90-θ)  (3)
(在该式中，θ表示周向方向与刀的布置方向之间的角度)
图2至4示出以如此的特定角度的布置的刀的实例，图中示出配置在每个切割机的实例中，周向方向与刀的布置方向之间的角度θ。
在无序毡中包含的增强纤维的纤维长度是其两种以上的情况下，准备多个上述的切割设备，并且以这些切割设备切割的纤维能够利用在稍后描述的开纤设备或涂布设备混合。在此情况下，通过稍后描述的开纤设备利用空气压力等能够适当地控制开纤程度、增强纤维束(A)的含量以及增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)。为多个切割设备分别设置开纤设备，每个开纤设备的空气压力都不同，从而能够在每种纤维长度中获得适合的增强纤维束(A)的含量和增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)的值。对适合于每种纤维长度的增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)没有特别限制。然而，如式(2C)所示，纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维(C)的由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束中的平均纤维数量的值大于纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维(B)的值。即，优选的是，平均纤维数量(NC)大于平均纤维数量(NB)。由于增强纤维(C)倾向于具有比增强纤维(B)大的纵横比，所以其纤维束倾向于更具弹性并且倾向于缠结，导致损害可流动性的可能性。
此外，在无序毡中所包含的增强纤维的长度的纤维长度分布相对宽的情况下，通过使用刀片间距连续变化的旋切机，诸如图5所示的切割机，能够在连续地改变纤维长度的同时切割纤维。
[开纤步骤]
本发明的方法中的开纤步骤是将切割的增强纤维束导入管中并对纤维束进行开纤的步骤。通过向纤维吹送空气，能够适当地对纤维束进行开纤。通过调节空气的压力等能够适当地控制开纤的程度、增强纤维束(A)的含量和增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)。在开纤步骤中，优选地通过压缩空气吹出孔将空气以1m/sec至1,000m/sec的风速直接吹向纤维束，能够对增强纤维进行开纤。风速更优选为5至500m/sec，还更优选为大于50m/sec并且500m/sec以下。具体来说，在增强纤维通过的管的管壁中形成多个直径约为1至2mm的孔，并从外部施加0.01至1.0MPa、更优选为0.2至0.8MPa的压力，从而将压缩空气直接吹向纤维束。通过降低风速，可以保留大量纤维束，相反，通过增加风速，可以将纤维束开纤直至单纤维状态。
[形成无序毡的步骤]
该步骤是将切割并开纤的增强纤维在空气中铺展，并且同时与增强纤维一起供应纤维状或颗粒状形式的热塑性树脂(在后文中统称为“热塑性树脂颗粒等”)的步骤。由此将增强纤维与热塑性树脂颗粒等一起喷撒在设置于开纤设备的下方的透气支撑物上，并且使增强纤维和热塑性树脂颗粒等以其混合的状态以特定的厚度沉积在支撑物上并且在其上固定以形成无序毡。
在该步骤中，用气体开纤的增强纤维与从其它路径供应的热塑性树脂颗粒等同时向透气支撑物喷撒，以其大致均匀地混合的状态以毡的形式沉积在透气支撑物上，并以该状态固定。在此情况下，当透气支撑物利用由网制成的传送带构成并且在连续地在一个方向上移动传送带的同时在传送带上执行沉积时，能够连续地形成无序毡。此外，可以使用支撑物在前后方向和左右方向上移动从而获得均匀沉积的方法。
在此，优选的是，将增强纤维和热塑性树脂颗粒等喷撒成二维定向。为了在形成二维定向的同时涂布开纤的纤维，优选地使用朝向下游侧变大的锥形管，例如圆锥形管。在该锥形管中，由于吹向增强纤维的气体扩散，以降低管内的流速，所以在此时赋予增强纤维以旋转力。利用该文丘里效应，能够将开纤的增强纤维与热塑性树脂颗粒等一起均匀的喷撒，而不会导致不均匀。从稍后描述的固定步骤的角度，优选地将增强纤维和树脂喷撒在其下方具有抽吸装置的可移动透气支撑物(例如，网状传送带)上，并且以无序毡的形式沉积。
在该步骤中，热塑性树脂颗粒等的供应速率优选地为每100质量份增强纤维50至1,000质量份。相对于每100质量份增强纤维的热塑性树脂的量更优选为55至500质量份，还更优选为60至300质量份。
无序毡的形成步骤包括固定增强纤维和热塑性树脂颗粒等的步骤。即，该固定步骤是沉积的增强纤维和热塑性树脂颗粒等被固定的步骤。优选的是，通过在透气支撑物的下部抽气来固定增强纤维。通过在树脂为纤维状的情况下或即使在树脂为颗粒状的情况下但是伴随增强纤维的情况下抽气，也能够在混合的同时固定与增强纤维一起喷撒的热塑性树脂。
通过由此从沉积表面的下部抽气，能够获得二维定向度高的无序毡。此外，此处产生的负压能够被用于抽吸热塑性树脂颗粒等，并且利用管内产生的扩散流能够使树脂容易地与增强纤维混合。在如此获得无序毡中，热塑性树脂颗粒等均匀地存在于无序毡中所包含的增强纤维的间隙中以及增强纤维附近。结果，在稍后描述的加热、浸渍和压制步骤中，树脂的移动距离变短，树脂能够在相对短的时间内被浸渍到无序毡中。
在构成透气支撑物的片、网等的开口尺寸太小或者某些热塑性树脂颗粒等穿过支撑物而不保留在无序毡中的情况下，可以使用防止这一问题的方法，在该方法中，在支撑物的表面上设置无纺织物等，并且将增强纤维和热塑性树脂颗粒等吹向无纺织物并固定于该无纺织物。在此情况下，当无纺织物由与热塑性树脂颗粒等相同的树脂制成时，无纺织物无需从沉积的毡剥离，并且能够在下一步骤中被加热并压制以将无纺织物用作作为复合材料的基质的热塑性树脂的一部分。
在本发明的方法中，通过将增强纤维股切割至给定长度、然后将在切割期间所得到的股片和被分离为单纤维的增强纤维供应至用于抽吸传送带的输送路径、从设置在输送路径中部或其出料端处的喷气嘴向增强纤维吹送空气、从而将切割的股片分离并开纤为所期望的尺寸(厚度)的增强纤维束、并且同时将增强纤维与热塑性树脂颗粒等一起吹向在一定方向上连续地或间歇地移动的透气支撑物(在后文中有时称作“固定网”)以沉积并固定增强纤维和树脂，来形成无序毡。优选的是，输送路径由弹性管构成，例如弹性管或软管，并且在其末端连续地设置锥形管。在此情况下，喷气嘴可以设置在塑料管与锥形管的结合部处。在此情况下，优选的是，用于热塑性树脂颗粒等的供应路径设置在锥形管的内壁中。
[纤维增强复合材料]
在本发明中，术语纤维增强复合材料在广义上表示在其中以增强纤维增强树脂的材料。然而，在狭义上，该术语表示由所述材料构成的用于成型的中间体(待成型的基材)，诸如预浸料坯。根据本发明的狭义的纤维增强复合材料如下所述。
通过对作为预成型体的本发明的无序毡进行加热和压制，能够获得由增强纤维和热塑性树脂构成的纤维增强复合材料。关于用于加热和压制的方法，加热和压制可以分开执行。然而，优选地利用压制成型和/或热成型来成形无序毡。在此情况下，本发明的纤维增强复合材料可以被称作板状制品。由于本发明的无序毡具有热塑性树脂能够被容易地浸渍的特点，能够通过诸如热压法的方法有效地由其获得纤维增强复合材料。具体而言，优选地，将无序毡中的热塑性树脂在压力下熔化并浸渍到增强纤维束中和单增强纤维的间隙中，并且将获得的材料冷却，然后加热并压制。优选地在模具中执行该加热和压制操作。
关于用于获得纤维增强复合材料的压制条件，压力优选为小于10MPa，更优选为8MPa以下，还更优选为5MPa以下。在压制压力小于10MPa的情况下，可以使用廉价的或一般的成型设备并且即使在制造大的成形制品的情况下也能够降低设备投入和维护成本。因此这样的压制压力是优选的。
为了将无序毡转化为纤维增强复合材料，将本发明的无序毡加热至如下温度。优选的是，当树脂为结晶体时该温度为无序毡中所包含的热塑性树脂的熔点以上并且其分解温度以下，而当树脂为无定形时该温度为树脂的玻璃化转变温度以上并且其分解温度以下。更优选的是，当树脂为结晶体时该温度应为热塑性树脂的熔点以上并且低于其分解温度，而当树脂为无定形时该温度应为玻璃化转变温度以上并且低于其分解温度。同时，在本发明中，热塑性树脂的分解温度优选地表示在空气中测得的热分解温度。
由此，能够在短时间内有效地获得诸如板状的纤维增强复合材料(成形板)。该板状纤维增强复合材料用作用于三维成型的预浸料坯，特别是用作用于压制成型的预浸料坯是有用的。具体过程如下。当树脂为结晶体时将板状纤维增强复合材料加热至其所包含的热塑性树脂的熔点以上，或当树脂为无定形时将板状纤维增强复合材料加热至热塑性树脂的玻璃化转变温度以上。根据要获得的成形制品的形状，将一片该加热的复合材料或其多片的堆叠放入模具内，当树脂为结晶体时将模具保持在低于热塑性树脂的熔点的温度下，或当树脂为无定形时将模具保持在低于热塑性树脂的玻璃化转变温度的温度下。随后，对纤维增强复合材料进行压制并冷却。由此，能够通过所谓的冷压来获得成形制品。
或者，将板状纤维增强复合材料放入模具中，当树脂为结晶体时将板状纤维增强复合材料加热至其所包含的热塑性树脂的熔点以上的温度，或当树脂为无定形时将板状纤维增强复合材料加热至热塑性树脂的玻璃化转变温度以上的温度，并且同时执行压制成型。随后，当树脂为结晶体时将模具冷却至低于热塑性树脂的熔点的温度，或当树脂为无定形时将模具冷却至低于热塑性树脂的玻璃化转变温度的温度。由此，能够通过所谓的热压来获得成形制品。
即，本发明包括由无序毡获得的纤维增强复合材料和通过对纤维增强复合材料进行成型而获得成形制品这两者。如上所述，并发明的无序毡具有由于增强纤维和热塑性树脂相互混合并且相互靠近存在的特点，所以无需使纤维和树脂在模具中流体化并且热塑性树脂能够被容易地浸渍。此外，在由本发明的无序毡获得的纤维增强复合材料和通过对纤维增强复合材料进行成型而获得的成形制品中，能够维持增强纤维在无序毡中的状态，即各向同性。
本发明提供一种复合材料，该复合材料的特征在于包括增强纤维和热塑性树脂，其中，增强纤维包括：平均纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维，以所有的毡纤维计，该增强纤维的量为50至100质量％；以及平均纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维，以所有的毡纤维计，该增强纤维的量为0至50质量％，并且其中，增强纤维已经大致二维无序定向，并且关于由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)，增强纤维束(A)与所有纤维的比率为50vol％以上并且小于99vol％，临界单纤维数由下式(1)定义，并且增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)。
临界单纤维数＝600/D  (1)
1.5×104/D2＜N＜3×105/D2  (2)
(式中，D表示单增强纤维的平均纤维直径(μm)。)
通常，在由热塑性树脂单独构成成形制品的情况下，由于通过在成型期间升高熔融温度或使树脂流入窄的通路例如剪切流来降低其熔融黏度，所以能够将肋、凸台等形成得更高更薄。此外，当树脂单独流动时，能够将树脂形成为复杂形状，并且能够通过在减小整个成形制品的整体的厚度的同时，最大化凸台或肋的效果以更小的树脂量赋予成形制品更高的增强效果。然而，在成形制品由复合材料构成的情况下，作为增强材料的纤维倾向于损害可流动性。尤其是在纤维增强复合材料中，由于增强纤维具有高纵横比，所以材料倾向于具有相当降低的可流动性。尽管减小增强纤维的长度以降低纵横比能够提高材料的可流动性，但是获得的成形制品整体机械性能降低。迄今为止，在具有高可流动性的复合材料中，存在高的作为增强材料的纤维在流动方向上排列的趋势，以及尽管在流动方向上非常坚固，但是成形制品在垂直于材料的流动方向的方向上的强度不足，并且由此物理性质方面显示出各向异性的趋势。由于这些原因，为了使碳纤维复合材料能够具有各向同性的物理性质，成形制品必须是厚壁的以便消除诸如肋或凸台的增强部的必要性。此外，关于诸如肋和凸台的直立部，当形成直立部时，难以使材料能够在高度方向上流过长距离。相反，在由本发明的无序毡获得成形制品的情况下，由于各向同性地流动高的无序毡用作构成材料，所以能够更容易地形成诸如肋和凸台的直立部。此外，能够更薄地形成更复杂的形状，并且能够更高地形成直立部。因此，能够以少量材料赋予增强整个成形制品的效果。
[直立部]
如上所述，根据本发明，能够有利地提供具有直立部的成形制品。术语“直立部”表示从上述的水平部纵向地延伸的部分，其实例包括壳体或板状构件的侧壁、肋、凸台、峰(mounts)以及铰链等。尽管对直立部的高度没有特别限制，但是其高度优选为1至300mm，更优选为5至100mm。直立部的高度无需均一，可以局部地增大或减小。对直立部的高度能够增大或减小的范围没有特别限制，并且优选为最大高度的10至90％，更优选为20至80％。对直立部的厚度没有特别限制，可以与水平部的厚度相同或不同。由于与水平部相比直立部经常需要具有更复杂的形状，所以直立部的厚度优选为0.2至100mm，更优选为1至50mm。直立部的厚度无需均一，可以局部地增大或减小。在此情况下，对其厚度能够增大或减小的范围没有特别限制。然而该范围优选为基础直立部的厚度的20至500％，更优选为50中200％。其厚度可以阶段性的改变，或者可以通过给定锥度或曲率而连续地变化。然而，从避免应力集中的角度，优选的是连续地改变其厚度。
直立部从成形制品的水平部以任意角度在纵向方向上延伸。直立部从水平部延伸的角度优选为30至90度，更优选为40至85度。在角度小于30度的情况下，尽管有利于从模具中脱离，但是需要大量的材料。此外，在不脱离本发明的主旨的情况下，可以向直立部引入所期望的任意的倒角或曲率。对倒角和曲率的尺寸没有具体限制。然而，在倒角的情况下，C值优选为0.2至10mm，而在曲率的情况下，R值优选为0.2至10mm。在不脱离本发明的主旨的情况下，还优选为直立部设置用于确保拔模的角度。拔模角度优选为1至45度，更优选为5至10度。直立部可以部分不均匀或起泡(beads)。然而，在此情况下，必须注意确保拔模角度。
术语“肋”表示成形制品中的凸出增强部分，诸如用于电子/电气应用的壳体的边缘、侧壁等，出于在不增加其壁厚的情况下增加成形制品的强度或刚度的目的或出于防止或减少具有大的平坦表面的成形制品的变形，例如翘曲或扭曲，的目的而设置肋。同时，术语“凸台”表示当需要增大成形制品的一部分的高度时设置的凸出部分，出于增强形成在成形制品中的孔的周围的目的，以及确保当该成形制品与另一个成形制品或部件组合时所需的插入余量或改进成形制品的摇晃状态的目的而设置凸台。在本发明的实施例中具体示出的实施方式是具有作为直立部的肋和/或凸台的成形制品，但本发明不限于此。
在直立部为肋的情况下，对肋的形状、长度和高度均没有特别限制，可以根据目的适当地设定。例如，在增强成形制品的边缘或侧壁的情况下，可以在要增强的每个部分都设置具有矩形或三角形等的肋，使得肋具有几毫米至几百毫米的长度和高度。其高度通常优选为1至300mm，更优选为5至100mm。太小的高度可能导致难以获得增强效果的情况。在防止成形制品产生翘曲或扭曲的情况下，可以设置从成形制品的一端延伸到另一端的连续的肋。在此情况下，其高度可以是恒定的或者可以在肋的某处增大或减小。其高度能够增大或减小的范围优选为最大高度的10至90％，更优选为20至80％。对肋的厚度没有特别限制，可以与水平部的厚度相同或不同。由于肋具有比水平部更复杂的形状，所以其厚度优选为0.2至100mm，更优选为1至50mm。其厚度小0.2mm可能导致无法展示足够的增强效果的情况。相反，从利润率和减重的角度，不期望其厚度大于50mm。肋的厚度无需均一，可以局部地增大或减小。在此情况下，对其厚度能够增大或减小的范围没有特别限定。然而，该范围优选为基础厚度的20至500％，更优选为50至200％。其厚度可以阶段性的改变，或者可以通过给定锥度或曲率而连续地变化。然而，从避免在负载下应力集中的角度，优选的是连续地改变其厚度。肋的形状、长度、高度和厚度各自影响成形制品的增强和对其变形的防止。肋越大、越长、越高并且越厚，则其增强效果也变得越强。然而，在这样的情况下，形成这样的肋必须要更大量的材料，因此从利润率和减重的角度是不利的。因此，根据增强和防止变形所需的水平来将每个肋的形状和尺寸设定成均衡的。肋可以具有用于通风等的通孔。这样的孔可以在成型期间以模具中的剪切机器形成，或者可以在后续加工中通过钻孔、冲压或切割等形成。
在直立部为凸台的情况下，对凸台的形状没有特别限制，可以是诸如棱柱状或圆柱状的任何形状。然而，从增强效果的角度，圆柱状是更优选的。尽管取决于成形制品的尺寸，但是其高度优选为0.1至300mm，更优选为0.2至100mm。在其高度小于0.1mm的情况下，难以获得增强效果。在其高度超出300mm的情况下，需要大量的材料，从利润率和减重的角度这是不利的。其厚度根据所期望的增强水平来适当地设定，并且可以与水平部的厚度相同或不同。由于凸台具有比水平部更复杂的形状，所以在例如出于改善成形制品的摇晃状态的目的而将凸台设置为实心凸台的情况下，其厚度优选为0.5至100mm，更优选为1至50mm。在螺钉或轴要插入增强孔的情况下，设置空心凸台，并且在此情况下其壁的厚度优选为0.2至50mm，更优选为1至20mm。实心凸台的情况下太小的厚度或空心凸台的情况下太小的壁厚可能导致难以获得增强效果的情况。在其厚度或壁厚太大的情况下，需要大量的材料，从利润率和减重的角度这是不利的。凸台的厚度或壁厚无需均一，可以局部地增大或减小。在此情况下，对其厚度或壁厚能够增大或减小的范围没有特别限定。然而，最厚的部分与最薄的部分之差优选地在5倍之内，更优选为2倍之内。其厚度可以阶段性的改变，或者可以通过给定锥度或曲率而连续地变化。然而，从避免在负载下应力集中的角度，优选的是连续地改变其厚度。凸台可以是诸如螺母的金属部件已经通过嵌件成型而并入内部的凸台。
由于许多成形制品适于实际应用，所以本发明的成形制品的优选实例是如图7所示的具有多个凸台和多个肋的成形制品。更优选的是大致长方体形状的盒状物，该盒状物至少在四个角的每一个处都具有凸台并且具有布置成将盒状物的内部分隔成两个以上部分的肋。
[制造成形制品的方法]
对使用本发明的无序毡来制造成形制品的方法没有特别限制，其实例包括以下方法。
即，所述方法是包括下列步骤A-1)至A-3)以执行浸渍～成型的方法和包括下列步骤B-1)至B-4)以执行浸渍～成型的方法。
A-1)当树脂为结晶体时，将无序毡加热至热塑性树脂的熔点以上并且其分解温度以下的温度，或当树脂为无定形时，将无序毡加热至树脂的玻璃化转变温度以上并且其分解温度以下的温度，并且对加热的无序毡进行压制以将热塑性树脂浸渍到增强纤维束中，从而获得作为纤维增强复合材料的预浸料坯的步骤。
A-2)将在A-1)中获得的预浸料坯布置在模具中，使得由下式(4)表达的装料比为5至100％，并且对预浸料坯进行压制的步骤，当树脂为结晶体时模具被调整至树脂的熔点以下的温度或者当树脂为无定形时模具被调整至树脂的玻璃化转变温度以下的温度。
A-3)当树脂为结晶体时将模具调整至热塑性树脂的熔点以下的温度或者当树脂为无定形时将模具调整至树脂的玻璃化转变温度以下的温度，以完成成型的步骤。
B-1)将无序毡布置在模具中，使得由下式(3)所表达的装料比为5至100％的步骤。
B-2)当热塑性树脂为结晶体时将模具加热至热塑性树脂的熔点以上并且其热分解温度以下的温度，或者当树脂为无定形时将模具加热至热塑性树脂的玻璃化转变温度以上并且其热分解温度以下的温度，同时对无序毡进行压制的步骤(第一压制步骤)。
B-3)对无序毡进行一个以上阶段的压制，使得最后阶段中的压力为第一压制步骤中的压力的1.2至100倍的步骤(第二压制步骤)。
B-4)当树脂为结晶体时将模具调整至热塑性树脂的熔点以下的温度或者当树脂为无定形时将模具调整至树脂的玻璃化转变温度以下的温度，以完成成型的步骤。由此，有利地制造成形制品。
包括步骤A-1)至A-3)以执行浸渍～成型的方法是所谓的冷压法。包括步骤B-1)至B-4)以执行浸渍至成型的方法是所谓的热压法。尽管步骤A-2)和B-3)是向诸如预浸料坯或无序毡的基材施加压力，以获得期望的成形制品的步骤，但是对成型压力没有特别限制。然而，每模腔投影面积(per mold-cavity projected area)所施加的压力优选为小于10MPa，更优选为8MPa以下，还更优选为5MPa以下。由于特别是对于制造大的成形制品而言需要设备方面的大量投入和高额维护成本，所以10MPa以上的成型压力是不期望的。尽管两种压制成型方法都可以应用于本发明的成形制品，但是从进一步缩短成型时间的角度，冷压法是更优选的。
此处，装料比是由下式(4)所定义的值。
装料比＝100×(基材面积(mm2))/(模腔投影面积(mm2))(4)
(此处，基材面积是布置的所有无序毡或预浸料坯在拔模方向的投影面积，而模腔投影面积是在拔模方向上的投影面积。)
在本发明中，对装料比没有特别限制。然而，在以相对低的装料比执行成型的情况下，基材易于填入复杂形状。具体而言，其装料比优选为5至100％，更优选为20至95％。基材的装料比还更优选为50至90％。在基材的装料比小于5％的情况下，存在当在成型期间基材流体化时基材冷却使得不能获得具有所期望的厚度的成形制品的可能性。相反，在基材的装料比超出100％的情况下，无法展现本发明的通过使基材在某种程度上流体化来执行成型的特征。此外，因为除了增加基材的损失之外，后续加工诸如修剪等也变成必须，所以从生产效率和成本的角度，超出100％的基材装料比是不利的。
实施例
以下示出实施例，但本发明不应被视为限于以下实施例。实施例中使用的碳纤维为PAN系碳纤维。
实施例和比较例中所是用的热塑性树脂如下所示。
·聚碳酸酯(玻璃化转变温度，150℃；热分解温度(空气中)，350℃)
·聚酰胺66(熔点，265℃；热分解温度(空气中)，300℃)
·聚酰胺6(熔点，225℃；热分解温度(空气中)，300℃)
1)无序毡中的增强纤维束的分析
将无序毡切割至大约100mm×100mm的尺寸。用镊子从已切割的无序毡中抽出全部纤维束，测量并记录增强纤维束(A)的数量(I)以及每个纤维束的长度(Li)和质量(Wi)。太小而无法使用镊子抽出的纤维束最后放在一起并进行称重(Wk)。对于质量测量来说，使用能够测量至1/100mg的天平。根据无序毡中使用的增强纤维的纤维直径(D)来计算临界单纤维数，并将增强纤维划分为由临界单纤维数以上的增强纤维构成的增强纤维束(A)和其他增强纤维。在使用两种以上的增强纤维的情况下，将纤维分成相应的种类，并对每种纤维进行测量和评价。
增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)以下列方式确定。
由所使用的增强纤维的纤度(F)，通过下式来确定每个增强纤维束中的纤维数量(Ni)：
Ni＝Wi/(Li×F)
增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)，可以由增强纤维束(A)的数量(I)，通过下式来确定：
N＝∑Ni/I
毡中增强纤维束(A)与所有纤维的比率(VR)，可以由增强纤维的密度(ρ)，通过下式来确定：
VR＝∑(Wi/ρ)×100/((Wk+∑Wi)/ρ)
2)无序毡或纤维增强复合材料(成形板)中包含的增强纤维的平均纤维长度的分析
使用游标卡尺和小型放大镜，将从无序毡或纤维增强复合材料随机抽取的100根增强纤维的长度测量至1mm的单位并记录。从测量的所有增强纤维的长度(Li)，通过下式来确定平均纤维长度(La)。在复合材料的情形中，将该复合材料在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，随后从其抽取增强纤维。
La＝∑Li/100
3)纤维增强复合材料(成形板)中的增强纤维束的分析
将通过热压无序毡而获得的纤维增强复合材在料烘箱内在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后以与上述无序毡相同的方式进行测量。
4)具有凸台和肋的成形制品的纤维体积分数的分析
将成形制品在料烘箱内在500℃下加热约1小时以烧尽树脂，并且在处理之前和之后测量样品的质量以计算纤维组分的质量和树脂组分的质量。随后，用每种组分的比重来计算纤维体积分数。
5)凸台和肋的填充特性的评价
出于评价无序毡和复合材料的可流动性和可成型性的目的，目测评价成形制品的外观，尤其是肋和凸台的末端。
在该评价中，将通过热压无序毡获得的纤维增强复合材料(成形板)，该纤维增强复合材料在期望的条件下被加热，在120℃下如图5所示在布置在模具中的水平部上，以便使装料比为80％，并且在期望的压力下冷压60秒。
材料填充到肋和凸台中直到其末端并且在成形制品中未观察到缺陷的情形由+表示；观察到轻微缺陷的情形由±表示；而填充不足并且观察到清楚的缺陷的情形由-表示。
6)具有凸台和肋的成形制品中纤维定向的分析
出于评价肋部中纤维定向的目的，从如图8所示的具有凸台和肋的成形制品的水平部和肋部切割出条样测试片，进行拉伸测试以测量拉伸模量。确定通过用测得的拉伸模量中的较大值除以其较小值所获得的比率(Eδ)。弹性模量的比率越接近1，则材料的各向同性越好。在实施例中，弹性模量的比率为1.3以下的情形被评价为各向同性。
[实施例1]
使用通过将由Toho Tenax Co.，Ltd.制造的碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24KS(平均纤维直径，7μm；纤维宽度，10mm)加宽至20mm的宽度而获得碳纤维作为增强纤维。使用表面上布置有硬质合金的螺旋刀的旋切机作为切割设备。在该操作中，下式(3)中的θ的值为68度，刀片间距为8mm使得增强纤维被切割至8mm的长度：
增强纤维的纤维长度(刀片间距)＝(增强纤维股的宽度)×tan(90-θ)  (3)
(其中，θ表示周向方向与每个刀之间的角度)
作为开纤设备，通过将直径不同的由SUS304制成的套管焊接以准备双管。在内管中形成小孔，并且通过压缩机向内管与外管之间的空间供应压缩空气。在此阶段中，经过小孔排出的空气的风速为150m/sec。将该管紧邻旋切机的下方设置，并将锥形管焊接到其下部。从锥形管的侧壁供应基质树脂。通过将由Teijin Chemicals Ltd.制造的聚碳酸酯球粒“Panlite”(注册商标)L-1225L冷冻粉碎并且以20目和100目的筛分类所获得的颗粒用作基质树脂。该聚碳酸酯粉末具有约710μm的平均粒径。随后，将在XY方向上可移动的平台设置在锥形管出口的下方，并通过吹风机从平台的下部进行抽吸。将增强纤维和基质树脂的供应速率分别设定为180g/min和480g/min，并且运行设备。由此，获得其中增强纤维与热塑性树脂(聚碳酸酯粉末)混合的无序毡。获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为8mm，增强纤维的单位面积纤维重量为200g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为61％，增强纤维(B)的束中的平均纤维数量(NB)为1,500，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为1,500。观察了获得的无序毡的表面，结果，增强纤维并未在平面内的特定方向上排列，并且随机分散。此外，聚碳酸酯粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至300℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为4.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.03并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的成形板。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。成形制品的部分具有如下尺寸：
水平部(9)的长度为400mm，宽度为200mm，厚度为2mm，
侧壁(10)的高度为50mm，厚度为2mm，
肋1(11A)的高度为50mm，厚度为2mm，
肋2(11B)的高度为30至50mm，厚度为2mm，
肋3(11C)的高度为30至50mm，厚度为1mm，
凸台1(12A)的高度为50mm，中空直径为5mm，壁厚为2mm，
凸台2(12B)的高度为40mm，中空直径为5mm，壁厚为2mm，
凸台3(12C)的高度为50mm，中空直径为5mm，壁厚为1mm，并且
凸台4(12D)的高度为40mm，中空直径为5mm，壁厚为1mm。
关于获得的成形制品，从如图8所示的水平部和肋部切割出条样测试片，进行拉伸测试。评价结果如表1所示。
[实施例2]
使用由Toho Tenax Co.，Ltd.制造的碳纤维“Tenax”(注册商标)IMS60-12K(平均纤维直径，5μm；纤维宽度，6mm)作为增强纤维。使用与实施例1中相同的、刀片间距为8mm旋切机作为切割设备。出于获得更小的纤维束的目的，以0.8mm的间隔向旋切机设置与纤维方向平行的刀片。使用与实施例1中相同的开纤设备，经过小孔排出的空气的风速设定为100m/sec。将该管紧邻旋切机的下方设置，并将锥形管焊接到其下部。从锥形管的侧壁供应基质树脂。将干切至2mm的PA66纤维(T5尼龙，由Asahi Kasei Fibers制造；纤度，1,400 dtex)用作基质树脂。随后，将与实施例1中相同的在XY方向上可移动的平台设置在锥形管出口的下方，并通过吹风机从平台的下部进行抽吸。将增强纤维和基质树脂的供应速率分别设定为270g/min和550g/min，并且运行设备。由此，获得其中增强纤维与热塑性树脂(PA66纤维)混合的无序毡。增强纤维的单位面积纤维重量为300g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为120，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为93％，增强纤维(B)的束中的平均纤维数量(NB)为1,900，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为1,900。尼龙纤维(PA66纤维)以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至280℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4.0MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为5.9mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。对获得的成形板进行沿0度和90度方向的拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.07并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此，与实施例1一样获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。
对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[实施例3]
与实施例1相同，使用通过将由Toho Tenax Co.，Ltd.制造的碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24KS(平均纤维直径，7μm；纤维宽度，10mm)加宽至20mm的宽度而获得碳纤维作为增强纤维。使用其表面上设置有硬质合金螺旋刀的两台旋切机(切割设备a和b)作为切割设备。在切割设备a中，式(3)中的θ值和刀片间距分别设定为45度和20mm，使得增强纤维能够被切割至20mm的纤维长度。在切割设备b中，式(3)中的θ值和刀片间距分别设定为68度和8mm，使得增强纤维能够被切割至8mm的纤维长度。
同样关于开纤设备，准备每个都与实施例1中相同的两个套管并且分别紧邻切割设备a和b的下方设置。在该阶段中，经过小孔排出的空气的风速设定为150m/sec。另外，将与实施例1中相同的锥形管焊接到紧邻切割设备a的下方设置的套管的下部。除了供应基质树脂的孔之外，还在实施例3的锥形管的侧壁中面向用于供应基质树脂的孔的位置形成一孔，该孔以内径为1.5mm的橡胶软管连接到紧邻切割设备b的下方设置的套管的下部。由此，以切割设备b切割的经过软管移动并且被供应至锥形管，在锥形管中，以切割设备a切割的纤维与以切割设备b切割的纤维相互混合。使用PA6粉末(A1030FP，由Unichika制造)作为经过锥形管的侧壁供应的基质树脂。随后，将与实施例1中相同的在XY方向上可移动的平台设置在锥形管出口的下方，并通过吹风机从平台的下部进行抽吸。将来自切割设备a的增强纤维的供应速率和来自切割设备b的增强纤维的供应速率分别设定为81g/min和189g/min，而将基质树脂的供应速率设定为550g/min。在这些条件下运行设备。由此，获得其中增强纤维与热塑性树脂(PA6粉末)混合的无序毡。增强纤维的单位面积纤维重量为300g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为86％，增强纤维(B)的束中和增强纤维(C)的束中的平均纤维数量(分别为NB和NC)分别为1,500和2,200，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为1,800。聚酰胺粉末(PA6粉末)以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至260℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4.0MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为5.9mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.05并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此，与实施例1一样获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。
对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[实施例4]
使用由Nippon Electric Glass Co.，Ltd.制造的玻璃纤维EX-2500(平均纤维直径，15μm；纤维宽度，9mm)作为增强纤维。作为切割设备，使用其表面设置有硬质合金螺旋刀并且以短刀相对于纤维成90度的角度倾斜地布置的旋切机。每个刀的宽度为1mm，并且出于获得更小的纤维束的目的，在刀之间设置与纤维方向平行的刀片。在该操作中，式(3)中的θ值为42度并且刀片间距为10mm，从而将增强纤维切割至10mm的纤维长度。使用与实施例1中相同的设备作为开纤设备，通过降低压缩机的压力，将经过小孔排出的空气的风速设定为250m/sec。将该管紧邻旋切机的下方设置，并将锥形管焊接到其下部。从锥形管的侧壁供应基质树脂。通过将由Teiiin Chemicals Ltd.制造的聚碳酸酯球粒“Panlite”(注册商标)L-1225L冷冻粉碎并且以30目和200目的筛分类所获得的粉末用作基质树脂。该粉末具有360μm的平均粒径。随后，将在XY方向上可移动的平台设置在锥形管出口的下方，并通过吹风机从平台的下部进行抽吸。将增强纤维和基质树脂的供应速率分别设定为300g/min和600g/min，并且运行设备。由此，获得其中增强纤维与热塑性树脂(聚碳酸酯粉末)混合的无序毡。增强纤维的单位面积纤维重量为300g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为40，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为63％，增强纤维(B)的束中的平均纤维数量(NB)为300，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为300。聚碳酸酯粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至300℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4.0MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为5.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.14并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此，与实施例1一样获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。
对获得的成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[实施例5]
以与实施例1相同的方式形成无序毡，区别在于将增强纤维的供应速率改变为315g/min并且将基质树脂的供应速率改变为390g/min。由此，获得无序毡的增强纤维的平均纤维长度为8mm，并且增强纤维的单位面积纤维重量为350g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为66％，增强纤维(B)的束中的平均纤维数量(NB)为1,600，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为1,600。观察了获得的无序毡的表面，结果，发现增强纤维随机分散，而未在平面内的特定方向上排列。聚碳酸酯粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至300℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为4.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.05并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此，与实施例1一样获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。
对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[实施例6]
在实施例3中，将来自切割设备a的增强纤维(纤维长度，20mm)的供应速率、来自切割设备b的增强纤维(纤维长度，8mm)的供应速率和基质树脂的供应速率分别设定为450g/min、450g/min和1,830g/min。由此，获得在其中增强纤维与聚酰胺6混合的无序毡。增强纤维的单位面积纤维重量为1,000g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为87％，增强纤维(B)的束和增强纤维(C)的束中的平均纤维数量(分别为NB和NC)分别为1,700和2,300，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为2,000。观察了获得的无序毡的表面，结果，发现增强纤维随机分散，而未在平面内的特定方向上排列。此外，聚酰胺粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至260℃的压制设备，将三片获得的无序毡在4MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为6.0mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.02并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此，与实施例1一样获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[实施例7]
在实施例3中，使用的两台切割设备被两台实施例4中所使用的旋切机替代，该两台旋切机都具有纤维切割长度不同的分离刀和与纤维方向平行的刀片。在切割设备a中，式(3)中的θ值和刀片间距分别设定为45度和20mm，使得增强纤维能够被切割至20mm的纤维长度。在切割设备b中，式(3)中的θ值和刀片间距分别设定为68度和8mm，使得增强纤维能够被切割至8mm的纤维长度。
同样关于开纤设备，准备每个都与实施例1中相同的两个套管并且两个套管分别紧邻切割设备a和b的下方设置。在该阶段中，在每个设备中经过小孔排出的空气的风速设定为150m/sec。此外，将与实施例1中相同的锥形管焊接到紧邻切割设备a的下方设置的套管的下部。除了用于供应基质树脂的孔之外，还在实施例3的锥形管的侧壁中面向用于供应基质树脂的孔的位置形成一孔，该孔以内径为1.5mm的橡胶软管连接到紧邻切割设备b的下方设置的套管的下部。由此，以切割设备b切割的经过软管移动并且被供应至锥形管，在锥形管中，以切割设备a切割的纤维与以切割设备b切割的纤维相互混合。使用PA6粉末(A1030FP，由Unichika制造)作为经过锥形管的侧壁供应的基质树脂。随后，将与实施例1中相同的在XY方向上可移动的平台设置在锥形管出口的下方，并通过吹风机从平台的下部进行抽吸。将来自切割设备a的增强纤维的供应速率和来自切割设备b的增强纤维的供应速率分别设定为81g/min和189g/min，并且将基质树脂的供应速率设定为550g/min。在这些条件下运行设备。结果，获得在其中增强纤维与聚酰胺混合的无序毡。增强纤维的单位面积纤维重量为300g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为80％，增强纤维(B)的束中和增强纤维(C)的束中的平均纤维数量(分别为NB和NC)分别为500和800，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为600。此外，聚酰胺粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至260℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4.0MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为5.9mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.03并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒。由此，与实施例1一样获得如图7所示的具有凸台和肋的成形制品。
对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[比较例1]
以与实施例1相同的方式形成无序毡，区别在于将经过小孔排出的风速调节至450m/sec。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为43％，增强纤维(B)的束中的平均纤维数量(NB)为800，并且增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)为800。
获得的无序毡中存在的纤维束薄并且随机分散，而未在平面内的特定方向上排列。聚碳酸酯粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以与实施例1同样的方式，以加热至300℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为4.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.02并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒以获得成形制品。然而，纤维和树脂未充分地填充到凸台和肋部中。对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[比较例2]
以与实施例1相同的方式形成无序毡，区别在于将旋切机的螺旋刀的角度θ变为45度并且将其刀片间距变为20mm。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为71％，增强纤维(C)的束中的平均纤维数量(NC)为2,200，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为2,200。观察了获得的无序毡的表面，结果，发现增强纤维随机分散，而未在平面内的特定方向上排列。聚碳酸酯粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至300℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为4.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.03并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被发定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以使使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒以获得成形制品。然而，纤维和树脂大致未填充到凸台和肋部中。因此，尽管尝试以与实施例1相同的方式来评价该成形制品的拉伸模量和Vf，但无法进行测量。
[比较例3]
在实施例3中，将来自切割设备a的增强纤维(纤维长度，20mm)的供应速率、来自切割设备b的增强纤维(纤维长度，8mm)的供应速率和基质树脂的供应速率分别设定为216g/min、54g/min和550g/min，以运行设备。结果，获得在其中增强纤维与聚酰胺6混合的无序毡。增强纤维的单位面积纤维重量为300g/m2。
检测获得的无序毡的增强纤维束(A)的比率以及其平均纤维数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为85％，增强纤维(B)的束中和增强纤维(C)的束中的平均纤维数量(分别为NB和NC)分别为1,500和2,200，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为2,100。观察了获得的无序毡的表面，结果，发现增强纤维随机分散，而未在平面内的特定方向上排列。此外，聚酰胺粉末以未导致显著不均匀性的状态分散在增强纤维中。
以加热至260℃的压制设备，将八片获得的无序毡在4MPa下堆叠并加热3分钟，以获得厚度为4.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.02并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，其检测结果与无序毡的测量结果之间没有差异。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒以获得成形制品。然而，纤维和树脂未充分地填充到凸台和肋部。
对获得的成形板和成形制品以与实施例1相同的方式进行评价，其结果如表1所示。
[比较例4]
将聚酰胺6树脂(1013B，由Ube Industries制造)作为基质树脂供应至被调节至260℃的螺旋式挤出机的料斗中，利用齿轮泵的转速以预定量测量熔融树脂，并且利用被设定在260℃下的挤出机(FS50，由Ikegai制造)供应至用于浸渍的直角机头模。同时，通过将由TohoTenax Co.，Ltd.制造的碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24KS(平均纤维直径，7μm；纤维宽度，10mm)加宽至20mm的宽度而获得碳纤维作为增强纤维供应至用于浸渍的直角机头模的上游侧，该用于浸渍的十字头模具在下游端配备有具有槽状缝隙的缝隙模。由此，以对增强纤维进行树脂浸渍和脱气，并且将从下游缝隙排出的并且由增强纤维和聚酰胺6构成的带状预浸料坯冷却并缠绕在卷盘上。在该带状预浸料坯中，增强纤维的体积分数为30％。
将获得的带状预浸料坯分成宽度为10mm的条，随后切割至10mm，并随机散布在平板模具中。以加热至260℃的压制设备，在4MPa下将预浸料坯加热3分钟，以获得厚度为5.8mm的纤维增强复合材料(成形板)。对获得的成形板进行超声波探伤测试。结果，没有观察到未被浸渍的部分和空隙。
对获得的成形板沿0度和90度方向进行拉伸模量检测。结果，模量的比率(Eδ)为1.13并且大致未观察到纤维排列。由此，能够获得维持各向同性的材料。此外，将该成形板在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂，然后检测增强纤维束(A)的比率及其纤维平均数量(N)。结果，由式(1)定义的临界单纤维数为86，增强纤维束(A)与所有毡纤维的比率为97％，增强纤维(B)的束中的平均纤维数量(NB)为11,000，并且增强纤维束(A)中平均纤维数量(N)为11,000。
此外，使用由NGK Kiln Tech制造的红外烘箱，将获得的成形板在300℃下加热，布置在被设定为120℃的模具中的如图6所示的水平部上以便使装料比为80％，并且在5MPa的压力下冷压60秒以获得具有凸台和肋的成形制品。对获得的成形制品进行评价，其结果如表1所示。水平部和肋部的拉伸模量比率为1.53，显示出成形制品的各向同性轻微不良。
表1
*增强纤维的种类：CF＝碳纤维；GF＝玻璃纤维
**热塑性树脂：PC＝聚碳酸酯；PA66＝聚酰胺66；PA6＝聚酰胺6
工业应用型
本发明的无序毡适于用作用于纤维增强复合材料的成形制品的预成型体。由于无序毡在成型期间具有优异的可流动性，所以能够在相对低的压力下容易地形成从水平部纵向地延伸的、诸如肋或凸台的、复杂三维形状的直立部。因此，能够以最小的必须材料量由本发明的无序毡形成制品的形状，并且省略修边步骤。因此能够期望相当量的节省的材料和可得的成本降低。此外，本发明的无序毡能够被用作各种构成部件的预成型体，例如用于机动车辆的内部片材、外部片材和构成部件，各种电气产品或电器的框架或壳体等。
尽管已经参考其具体实施方式对本发明进行了详细的描述，但对本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，能够对其作出各种改变和修改。
本申请基于2011年12月22日提交的日本专利申请(申请号2011-281509)，其内容通过引用并入于本文。

Claims (16)

1.一种包含增强纤维的无序毡，所述增强纤维具有3至50mm的纤维长度并且满足下列i)至v)：
i)以所述无序毡中包含的所有的所述增强纤维计，纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维的含量为50至100质量％，并且以所述无序毡中包含的所有的所述增强纤维计，纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维的含量为0至50质量％；
ii)所述增强纤维的单位面积纤维重量为25至10,000g/m2；
iii)所述增强纤维包括由小于临界单纤维数的所述增强纤维构成的纤维束、单纤维、以及由所述临界单纤维数以上的所述增强纤维构成的增强纤维束(A)，所述临界单纤维数由下式(1)定义；
iv)所述无序毡中包含的所述增强纤维束(A)与所有的所述增强纤维的比率为50vol％以上并且小于99vol％；并且
v)所述增强纤维束(A)中的平均纤维数量(N)满足下式(2)：
临界单纤维数＝600/D  (1)
1.5×104/D2＜N＜3×105/D2  (2)
其中，D表示单增强纤维的平均纤维直径(μm)。
2.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维是选自碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维中的至少一种纤维。
3.根据权利要求1或2所述的无序毡，
其中，以所述无序毡中包含的所有的所述增强纤维计，所述纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维的含量为90至100质量％，并且
以所述无序毡中包含的所有的所述增强纤维计，所述纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维的含量为0至10质量％。
4.根据权利要求1至3的任意一项所述的无序毡，
其中，关于所述纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维，由所述临界单纤维数以上的所述增强纤维构成的增强纤维束(AB)中的平均纤维数量(NB)满足下式(2B)：
1.5×104/DB 2＜NB＜3×105/DB 2  (2B)
其中，DB表示单增强纤维的平均纤维直径(μm)。
5.根据权利要求1至4的任意一项所述的无序毡，
其中，关于所述纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维，由所述临界单纤维数以上的所述增强纤维构成的增强纤维束(AC)中的平均纤维数量(NC)满足下式(2C)：
5.0×104/DC 2＜NC＜3×105/DC 2  (2C)
其中，DC表示单增强纤维的平均纤维直径(μm)。
6.根据权利要求5所述的无序毡，
其中，所述平均纤维数量(NC)大于所述平均纤维数量(NB)。
7.根据权利要求1至6的任意一项所述的无序毡，
其中，所述纤维长度为15mm以上并且50mm以下的增强纤维的平均纤维长度与所述纤维长度为3mm以上并且小于15mm的增强纤维的平均纤维长度的比率为1.5至10。
8.根据权利要求1至7的任意一项所述的无序毡，
其中，所述无序毡中包含的所述热塑性树脂的量为每100质量份所述增强纤维50至1,000质量份。
9.一种纤维增强复合材料，该纤维增强复合材料通过对根据权利要求8所述的无序毡进行加热和压制而获得。
10.一种成形制品，该成形制品通过对根据权利要求8所述的无序毡或根据权利要求9所述的纤维增强复合材料进行成型而获得。
11.根据权利要求10所述的成形制品，该成形制品包括直立部。
12.一种用于制造纤维增强复合材料的方法，该方法包括：
使用根据权利要求8所述的无序毡；
浸渍所述热塑性树脂；以及
加热并压制所述无序毡。
13.根据权利要求12所述的用于制造纤维增强复合材料的方法，
其中，在小于10MPa的压力下执行所述压制。
14.一种用于制造成形制品的方法，该方法的特征在于，
在小于10MPa的压力下对根据权利要求8所述的无序毡或根据权利要求9所述的纤维增强复合材料进行压制成型。
15.根据权利要求14所述的制造成形制品的方法，
其中，所述成形制品具有多个凸台和多个肋部。
16.根据权利要求14或15所述的用于制造成形制品的方法，
其中，所述成形制品为大致长方体形状的盒状物，并且
所述盒装物至少在四个角的每一个处都具有凸台，并且具有布置成将所述盒状物的内部分隔成两个以上部分的一个以上肋部。
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