CN104136675B - 无序毡和纤维增强复合材料成形制品 - Google Patents

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Abstract

提供一种各向同性和具有优异的机械强度的纤维增强复合材料成形制品以及用作该成形复合材料的中间材料的无序毡。该无序毡包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂，其中，增强纤维满足下列i)至iii)。i)增强纤维的重均纤维宽度(Ww)满足下式(1)。0mm<Ww<2.8mm (1)ii)增强纤维的平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)为1.00以上且2.00以下，该平均纤维宽度分布率(Ww/Wn)被定义为重均纤维宽度(Ww)与数均纤维宽度(Wn)的比率。iii)增强纤维的重均纤维厚度小于其重均纤维宽度(Ww)。

Description

无序毡和纤维增强复合材料成形制品
技术领域
本发明涉及一种用作将热塑性树脂用作基质的纤维增强复合材料成形制品的中间材料的无序毡，以及由该无序毡获得的纤维复合材料成形制品。
背景技术
从可成形性和加工便利的角度，各向同性的无序毡被用作纤维增强复合材料，在该纤维增强复合材料中，碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维等被用作增强纤维。例如，通过将切割的增强纤维单独或与热固性树脂一起吹入成型模具的喷附法(干法)，或者将预先切割的增强纤维添加到包含结合剂的浆液中、通过造纸法将该混合物形成为片材的方法(湿法)，能够获得这些无序毡。
已知的用于提高复合材料的机械性能的手段是提高增强纤维的体积含量比率Vf。然而，在采用切割纤维的无序毡的情况下，由于纤维在三维方向上定向、大量的纤维缠结等，所以一直难以提高增强纤维的体积含量比率。此外，与使用连续纤维的情况相比，在使用无序毡的情况下，由于纤维是不连续的，所以难以使增强纤维充分地展现其强度，并且一直存在如下问题：在获得的成形制品中，增强纤维的强度展现率低至理论值的50％。非专利文献1提及了由采用热固性树脂用作基质的碳纤维无序毡制成的复合材料。在该复合材料中，强度的展现率约为理论值的44％。
在采用热固性树脂作为基质的传统的复合材料的情况下，已经由被称为预浸坯料的中间材料、通过使用压热釜加热并压制该中间材料2小时以上而获得了成形制品，该预浸坯料通过预先以热固性树脂浸渍增强纤维基材而获得。近年来，已经提出了RTM法，在该RTM法中，将未浸渍树脂的增强纤维基材设定在模具中，然后向其浇铸热固性树脂，并且已经实现了成形时间的显著缩短。然而，即使在使用RTM法的情况下，每个部件的成形也需要10分钟以上的时间。
因此，使用热塑性树脂取代传统的热固性树脂作为基质而获得的复合材料引起了注意。
使用热塑性树脂作为基质的热塑冲压(TP-SMC)(专利文献1)是包括下列步骤的成型方法：将预先以热塑性树脂浸渍的短切纤维加热至熔点以上，将加热的纤维导入模具的某些空腔中，立即关闭模具，并且使纤维和树脂在模具内流动，由此获得制品的形状，随后冷却并成型。在该技术中，通过使用预先浸渍有树脂的纤维，可以在短至约1分钟的时间内完成成型。该技术是使用被称作SMCs或冲压片材的成型材料的方法。例如，热塑冲压存在如下问题：由于使纤维和树脂在模具内流动，所以不能成型薄壁制品并且纤维定向混乱且难以控制。
作为提高纤维增强的热塑性树脂成形制品的机械性能和各向同性的手段，专利文献2提出一种技术，其中，将组分碳纤维均匀地分散至单纤维形式，以避免在纤维束之间的空间处形成树脂富集部分或者树脂不能被浸渍至纤维束的内部而导致未浸渍部分的麻烦，并且从而提高机械性能和其各向同性。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利No.4161409
专利文献2：国际公布WO 2007/97436
非专利文献
非专利文献1：Composites Part A(复合材料A)38(2007)pp.755至770
发明内容
本发明要解决的技术问题
然而，在上述的现有技术中，没有对机械强度均一、具有优异的拉伸强度、并且相对于理论强度具有高强度展现率的纤维增强复合材料成形制品进行研究。
本发明的目的是提供一种各向同性的且具有优异的机械强度的纤维增强复合材料成形制品，以及用作其中间材料的无序毡。具体而言，本发明提供一种由无序毡获得的纤维增强复合材料成形制品，并且在该纤维增强复合材料成形制品中，所包含的增强纤维毡的厚度不均匀性小，该纤维增强复合材料成形制品的机械强度均一、并具有优异的拉伸强度和高强度展现率。
解决问题的技术方案
本发明人已经发现通过包含热塑性树脂和不连续的增强纤维的无序毡能够提供在机械强度、其各向同性以及强度展现方面优异的纤维增强复合材料成形制品，所述增强纤维具有特定值的重均纤维宽度、平均纤维宽度分布率和重均纤维厚度。由此完成本发明。更具体地，本发明人已经发现通过将增强纤维限制为具有小且相似的纤维宽度，增强纤维能被致密地填充至无序毡中，并且能够提供均一且具有优异的机械强度和高强度展现率的纤维增强复合材料成形制品。
即，本发明为一种无序毡以及通过对该无序毡进行成形而获得的纤维增强复合材料成形制品，该无序毡包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂；其中，所述增强纤维满足以下i)至iii)。
i)增强纤维的重均纤维宽度Ww满足下式(1)。
0mm<Ww<2.8mm (1)
ii)增强纤维的平均纤维宽度分布率Ww/Wn1.00以上且2.00以下。
iii)增强纤维的重均纤维厚度小于其重均纤维宽度Ww。
本发明的效果
根据本发明，在包含热塑性树脂和增强纤维的无序毡中，无序毡中所包含的该增强纤维具有特定的纤维宽度分布。即，本发明的无序毡包含纤维宽度小且相似的增强纤维、在纤维的增强作用的展现率方面是优异的、是均一的、并且具有优异的机械强度。此外，由于纤维不在特定的平面内方向上排列，所以本发明的无序毡是各向同性的，并且当用作中间成型材料时表现出非常优异的可成型性。
因此，由本发明的无序毡获得的纤维增强复合材料成形制品具有优异的机械强度并且在其各向同性方面是优异的。因此，该成形复合材料可用作各种组成构件，例如机动车辆的内板、外板和组成构件，或各种电子产品或机器的框架或外壳等。
附图说明
图1为示出采用旋切机的切割步骤的一个实例的示意图。
图2为图解地示出优选的旋切机的一个实例的前视图和截面图的示意图。
图3为示出拓宽/分离方法的优选实例的示意图。
附图标记列表
1：增强纤维
2：压紧辊
3：橡胶辊
4：旋切机主体
5：刃
6：切割的增强纤维
7：刃的节距
8：拓宽的增强纤维
9：拓宽装置
10：纤维宽度控制辊
11：用于分离的分条机
12：分离的增强纤维
具体实施方式
以下，将顺序地描述本发明的实施方式。以下，尽管将在本发明中频繁地使用术语“重量”，但“重量”每次出现时都表示“质量”。
本发明涉及一种包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂的无序毡，其中，增强纤维满足下列i)至iii)。
i)增强纤维的重均纤维宽度Ww满足下式(1)。
0mm<Ww<2.8mm (1)
ii)增强纤维的平均纤维宽度分布率Ww/Wn为1.00至2.00，该平均纤维宽度分布率Ww/Wn被定义为重均纤维宽度与数均纤维宽度的比率。
iii)增强纤维的重均纤维厚度小于其重均纤维宽度Ww。
由从无序毡中取出的足够大的数量的增强纤维(从被切割至100mm×100mm尺寸的无序毡片优选取出200至1,000根纤维，更优选300至1000根纤维，例如300根纤维)的每根纤维的宽度(以下，有时由纤维宽度或Wi表示)和重量(以下，有时由纤维重量或wi表示)，以及所取出的增强纤维的总重量w，利用下式(5)能够确定本发明的无序毡所包含的增强纤维的重均纤维宽度Ww。
Ww＝Σ(Wi×wi/w) (5)
在式(5)中，i为1至从无序毡中取出的增强纤维的数量的自然数。
对于本发明的无序毡来说，如式(1)所示，增强纤维的重均纤维宽度Ww为小于2.8mm，优选为小于2.0mm。其重均纤维宽度Ww优选为大于0.1mm且小于2.0mm，即，由下式(2)表示：
0.1mm<Ww<2.0mm (2)
并且更优选为大于0.2mm且小于1.6mm，还更优选为大于0.2mm且小于1.4mm，特别优选为大于0.3mm且小于1.2mm。在增强纤维的重均纤维宽度Ww为2.8mm以上的情况下，这些增强纤维不是小的且因此难以致密地填充至无序毡中。因此存在以下情况：无序毡具有性能(强度)展现差的问题，且损害无序毡的均一性。增强纤维的重均纤维宽度Ww没有特别的下限。然而，在拓宽并分离增强纤维以将Ww减小至过小的情况下，存在例如导致难以控制纤维宽度分布率的可能性。
在本发明的无序毡中，包含在其中的增强纤维的平均纤维宽度分布率Ww/Wn为1.00以上且2.00以下，该平均纤维宽度分布率Wn被定义为重均纤维宽度Ww与数均纤维宽度Wn的比率，优选为1.30以上且1.95以下，更优选为1.40以上且1.90以下。在该平均纤维宽度分布率(Ww/Wn，以下经常简称为“分布率”)为1.00以上且2.00以下的情况下，增强纤维的纤维宽度相似，并且提供具有增强的均一性且强度展现率更高的无序毡。同时，由于该定义，所以Ww/Wn的下限为1。例如，除了增强纤维完全开纤至单纤维的情况，为了获得Ww/Wn精确地为1的增强纤维，必需执行诸如将除所期望的纤维之外的增强纤维进行分选的步骤或者预先精确地限制并固定纤维宽度的操作，这导致非常麻烦的制造步骤。然而，从均一性角度而言，Ww/Wn＝1的无序毡是更优选的。从加工和分选增强纤维的操作容易的角度而言，平均纤维宽度分布率Ww/Wn优选为大于1，更优选为1.30以上。
此处，通过上述关于重均纤维宽度Ww的方式从无序毡取出足够大的数量(I)的增强纤维、测量这些纤维的每根纤维的宽度Wi、并利用下式(4)计算Wn的值来确定数均纤维宽度Wn。
Wn＝ΣWi/I (4)
本发明的无序毡所包含的增强纤维的重均纤维厚度小于其重均纤维宽度Ww。期望其重均纤维厚度为其重均纤维宽度Ww的1/5以下，优选为1/10以下，更优选为1/20，还更优选为1/50以下。在增强纤维的重均纤维厚度等于其重均纤维宽度Ww的情况下，这些增强纤维不仅在平面内方向上，而且也在厚度方向上不期望地定向，并且存在引起由于纤维缠结而使得难以提高增强纤维的体积含量比率的问题的可能性。
在本发明中，在沿除增强纤维的长度方向之外的两个方向的尺寸中，较短的尺寸被称作“厚度”，而另一个被称作“宽度”。在分别沿着垂直于增强纤维的纵向方向的截面中的两个垂直方向的尺寸彼此相等的情况下，将沿着两个方向的任意方向的尺寸取作增强纤维的宽度，而将沿着另一个方向的尺寸取作增强纤维的厚度。
本发明的无序毡中所包含的增强纤维的重均纤维厚度优选为0.01mm以上且0.30mm以下，更优选为0.02mm以上且0.20mm以下，还更优选为0.03mm以上且0.15mm以下，特别优选为0.03mm以上且0.10mm以下。只要增强纤维的重均纤维厚度为0.01mm以上，就不需要对纤维执行拓宽至非常大的宽度，并且所得到的纤维厚度的不均匀性倾向于轻微。从以热塑性树脂作为基质的浸渍的角度而言，优选的是，增强纤维的重均纤维厚度应为0.30mm以下。
同时，经由测量通过执行以上关于重均纤维宽度Ww所示的操作而从无序毡取出的所有增强纤维的每根纤维的纤维厚度ti和纤维重量wi，并且进一步测量取出的增强纤维的总重量w，然后使用下式(7)计算t的值，能够确定增强纤维的重均纤维厚度t。
t＝Σ(ti×wi/w) (7)
在本发明的无序毡的平面内，增强纤维不在任何特定方向上排列，而是已经分散地布置在随机方向上。本发明的无序毡是具有平面内各向同性的中间材料。在通过对本发明的无序毡进行加工而获得的成形制品中，无序毡中的增强纤维的各向同性得以维持。通过由无序毡获得成形制品并确定相互垂直的两个方向之间的拉伸模量比率，能够定量地评价无序毡的各向同性和由其获得的成形制品的各向同性。在通过以由无序毡获得的成形制品中的两个方向上的模量的值中的较大值除以较小值所获得的比率不超过2的情况下，该成形制品被视作为各向同性的。在该比率不超过1.3的情况下，该成形制品被视为具有优异的各向同性。
如上所述，通过包含增强纤维和热塑性树脂而构成本发明的无序毡，该增强纤维具有特定值的重均纤维宽度、平均纤维宽度分布率和重均纤维厚度。优选的是，通过包含增强纤维毡和热塑性树脂构成本发明的无序毡，该增强纤维毡由增强纤维构成。本发明的术语“增强纤维毡”是指不包含作为基质的热塑性树脂且由不连续的增强纤维构成的平面体(毡状物)。本发明的增强纤维毡可以是增强纤维在毡形成期间包含少量的上浆剂或结合剂的增强纤维毡。优选的是，增强纤维毡是增强纤维已经在平面内方向上随机定向、并且平面内纵向方向和横向方向在材料性能方面大致彼此相同的增强纤维毡。
对增强纤维的种类没有特别限制，并且增强纤维可以一种，或者两种以上的混合物。
关于本发明的无序毡中的热塑性树脂的形式，无序毡可以是包含粉末状、纤维状或块状等形式的热塑性树脂的无序毡，或者可以是利用作为基质的热塑性树脂来保持增强纤维毡的无序毡，或者可以是片状或膜状等形式的热塑性树脂已经放置在增强纤维毡上或层叠至增强纤维毡的无序毡。无序毡中的热塑性树脂可以为熔融状态。
显而易见的是，在本发明的无序毡所包含的增强纤维毡被检测以确定其重均纤维宽度Ww和纤维宽度分布率Ww/Wn等的情况下，这些值能够被视为无序毡的值。
本发明的无序毡自身可以用作获得具有最终形式的成形的纤维增强材料(以下经常简称为“成形制品”)的预成型体。或者，无序毡可以以通过加热等浸渍热塑性树脂以获得预浸坯料的方式使用，该预浸坯料用于获得具有最终形式的成形制品。本发明的无序毡包括浸渍有热塑性树脂的预浸坯料。
此处，术语“具有最终形式的成形制品”表示：通过压制并加热无序毡或由无序毡形成的成形板而获得的、并且未经历进一步加热或压制(即，进一步成型)以熔化作为基质的热塑性树脂并赋予其其他形状或厚度的成形制品。
因此，以下制品为具有最终形式的成形制品：通过将压制并加热无序毡等而获得的成形制品切割为另一种形状所制造的制品，或者通过研磨该成形制品以减小其厚度或将树脂等涂布至成形制品以增加其厚度而获得的制品。这是因为这样的加工既不包括加热也不包括压制。此外，作为用于切割或加工的热的使用并不被视为此处的加热。
在对已经向其供应熔融状态的热塑性树脂的无序毡进行成型、同时将所供应的热塑性树脂保持在熔融状态下的情况下，例如，通过仅包括加压的成型来获得成形制品。
本发明的无序毡自身可以作为预成型体进行成型，或者可以转化为成形板然后进行成型。能够根据所期望的成型，在宽范围内选择单位面积纤维重量。然而，期望无序毡中的单位面积增强纤维重量为25至10,000g/m2，优选为50至4,000g/m2，更优选为600至3,000g/m2，还更优选为600至2,200g/m2。
由于本发明的无序毡所包含的增强纤维具有特定值的重均纤维宽度、平均纤维宽度分布率和重均纤维厚度，所以无序毡的平面包含小且尺寸相似的纤维，并且无序毡所包含的增强纤维毡具有的厚度不均匀性低。因此，通过对无序毡进行成型而获得的纤维增强复合材料成形制品是均一的并且在增强纤维的性能展现方面是优异的。作为厚度不均匀性的指数，能够使用变差系数CV(％)。确定无序毡所包含的增强纤维毡的厚度的CV(％)的过程的一个实例如下所示。
首先，从无序毡切割出具有适合尺寸，例如100×100mm的正方形板状测试片，并且使热塑性树脂与其分离。将该增强纤维毡放入减压至-0.09MPa以下的密封袋中。在覆盖测试片的密封袋上以10mm间隔的格网图案进行标记，以千分尺将其厚度测量至1/1,000mm单位。在5行×5列，即25个点上进行测量。从每个测量厚度减去密封袋的厚度，并计算平均值和标准偏差。能够使用下式计算增强纤维毡的厚度的变差系数CV(％)。
变差系数CV(％)＝[(标准偏差)/(平均值)]×100 (3)
在热塑性树脂不能与无序毡分离、使得不能确定增强纤维毡的厚度不均匀性的情况下，在通过与将在后面描述的纤维增强复合材料成形制品相同的方式利用加热去除热塑性树脂后，再进行测量。
同时，对于通过对无序毡进行成型而获得的纤维增强复合材料成形制品所包含的增强纤维来说，无序毡中增强纤维毡的厚度不均匀性的程度得以维持。
[增强纤维]
无序毡所包含的增强纤维是不连续的，并且其特征在于由于包含长至某种程度的增强纤维而能够展现增强作用。以通过测量获得的无序毡中的增强纤维的长度而确定的平均纤维长度的形式来表示纤维长度。确定平均纤维长度的方法的实例包括以游标卡尺等将随机取出的100根纤维的长度测量至1mm单位并确定其平均值的方法。
本发明的无序毡中的增强纤维的平均纤维长度为3mm以上且100mm以下，期望为5mm以上且80mm以下，优选为10mm以上且80mm以下，更优选为10mm以上且60mm以下，还更优选为12mm以上且45mm以下。对于纤维长度分布来说，纤维可以具有单一长度，或者可以为两种以上长度不同的纤维的混合物。
在通过后述的用于增强纤维切割的优选方法将增强纤维切割至固定长度并且使用该切割纤维制造无序毡的情况下，平均纤维长度等于该切割纤维的长度。
优选的是，增强纤维应为选自碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维所组成的组中的至少一种纤维。从能够以其提供轻量但具有优异的强度的复合材料的角度而言，优选的是，构成无序毡的增强纤维应为碳纤维。作为碳纤维，聚丙烯腈系碳纤维(以下，简称为PAN系碳纤维)、石油沥青系碳纤维、煤沥青系碳纤维、人造丝系碳纤维、纤维素系碳纤维、木质素系碳纤维、酚系碳纤维、和气相生长系碳纤维等是众所周知的。在本发明中，这些碳纤维的任何一种都是适用的。特别优选的是PAN系碳纤维。可以单独使用这些种类的碳纤维中的一种，或者可以使用两种以上的混合物。本发明的无序毡中使用的增强纤维可以是仅碳纤维，或者出于，例如引入耐冲击性的目的，可以是包括玻璃纤维、芳纶纤维或其它纤维的纤维。
在碳纤维的情况下，其平均纤维直径优选为1至50μm，更优选为3至12μm，还更优选为5至9μm，仍然还更优选为5至7μm。
优选的是，使用的碳纤维应为附着有上浆剂的碳纤维。以100重量份的碳纤维计，上浆剂的量优选为大于0重量份且不超过10重量份。
本发明的增强纤维可以处于开纤至单纤维形式的状态，或者可以处于每个都由组合在一起的多个单纤维所组成的纤维束的形式，或者可以处于单纤维与纤维束并存的形式。
[基质树脂]
本发明的无序毡中所包含的基质树脂为热塑性树脂。热塑性树脂的种类的实例包括选自下列组中的一种以上：氯乙烯树脂、偏氯乙烯树脂、醋酸乙烯酯树脂、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、聚丙烯酸酯、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、聚萘二甲酸丁二酯树脂、聚对苯二甲酸丁二酯树脂、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、以及聚乳酸树脂等。在本发明中，这些树脂可以单独使用或作为其两种以上的混合物使用，或者可以在转化为共聚物或改性物之后使用。
以100重量份的增强纤维计，基质树脂的含量期望为10至800重量份，优选为20至300重量份，更优选为20至200重量份，还更优选为30至150重量份，特别优选为50至100重量份。
增强纤维的含量与热塑性树脂的含量之间的关系也可以由下式所定义的增强纤维的体积含量比率(以下经常简称为Vf)来表示。
增强纤维的体积含量比率(vol％)＝100×[增强纤维的体积/[(增强纤维的体积+热塑性树脂的体积)]]
增强纤维的体积含量比率Vf与由以100重量份增强纤维计的重量份所表示的热塑性树脂的含量通过利用增强纤维的密度和热塑性树脂的密度来转换。
本发明的无序毡可以包含多种纤维状、包括有机纤维或无机纤维，或非纤维状填料，以及诸如阻燃剂、耐UV性改进剂、颜料、脱模剂、软化剂、塑化剂和表面活性剂的添加剂，只要这些成分不脱离本发明的目的即可。
[纤维增强复合材料成形制品]
本发明的无序毡还具有以下优势：由于构成物碳纤维具有上述特征，所以无序毡具有高可成形性。本发明的无序毡能够因此被有利地用作用于获得纤维增强复合材料成形制品的中间材料。
即，作为本发明的一个方面，本发明包括由无序毡获得的纤维增强复合材料成形制品。
优选的是，本发明的纤维增强复合材料成形制品包含平均纤维长度为3至100mm的增强纤维和热塑性树脂，其中，增强纤维满足下列i)至iii)。
i)增强纤维的重均纤维宽度Ww满足下式(1)。
0mm<Ww<2.8mm (1)
ii)增强纤维的分布率Ww/Wn为1.00以上且2.00以下，该分布率被定义为重均纤维宽度Ww与数均纤维宽度(Wn)的比率。
iii)增强纤维的重均纤维厚度小于其重均纤维宽度Ww。
优选地通过控制所包含的增强纤维的单位面积重量和热塑性树脂的含量，可以将本发明的纤维增强复合材料成形制品的厚度限制为在适当的范围内的值。
对构成本发明的纤维增强复合材料成形制品的增强纤维的种类没有特别限制，并且其优选的实例包括上述在无序毡的说明中增强纤维部分中所列举的纤维。
对构成本发明的纤维增强复合材料成形制品的树脂的种类没有特别限制，并且其优选的实例包括上述在无序毡的说明中的基质树脂部分中所列举的树脂。
与上述关于无序毡中热塑性树脂的量所述的一样，以100重量份的增强纤维计，期望本发明的纤维增强复合材料成形制品中热塑性树脂的存在量为10至800重量份，优选为20至300重量份，更优选为20至200重量份，还更优选为30至150重量份，特别优选为50至100重量份。
对本发明的纤维增强复合材料成形制品的形状没有特别限制。其形状可以为片状或板状并且可以具有弯曲部，或者可以为诸如具有T形、L形、U形或草帽形截面的直立平面的形状。此外，成形制品可以具有包括这些形状的三维形状。
可以将本发明的纤维增强复合材料成形制品制成具有选自宽范围，例如0.2至100mm的壁厚的壁厚。然而，即使当成形制品具有较小的壁厚时，其性能和外观也非常优异。特别是，成形制品的壁厚可以为0.2至2.0mm(如需严格限定，则以25℃下测量的壁厚的形式)。
期望纤维增强复合材料成形制品中的单位面积增强纤维重量为25至10,000g/m2，优选为50至4,000g/m2，更优选为600至3,000g/m2，还更优选为600至2,200g/m2。
本发明还包括将至少一种本发明的纤维增强复合材料成形制品用作中心材料或表层材料的层叠体。本发明的层叠体可以进一步包括至少一种连续的增强纤维在其中布置为单向排列的单向纤维增强复合材料，作为中心材料或表层。此外，本发明的层叠体可以包括至少一种除了本发明的纤维增强复合材料成形制品之外或除了该单向的纤维增强复合材料之外的纤维增强复合材料成形制品(以下简称“其它纤维增强复合材料成形制品”)。本发明的层叠体还可以包括至少一种不包含增强纤维的树脂，作为中材料心或表层。
单向纤维增强复合材料或其它纤维增强复合材料成形制品的基质树脂、以及不包含增强纤维的树脂可以为热固性树脂或热塑性树脂。
由于本发明的纤维增强复合材料成形制品是包含在其中的增强纤维具有特定值的重均纤维宽度、平均纤维宽度分布率和重均纤维厚度的纤维增强复合材料成形制品，所以包含在其中的增强纤维毡具有非常低的厚度不均匀性。作为厚度不均匀性的指数，能够使用变差系数CV(％)。
确定纤维增强复合材料成形制品中所包含的增强纤维毡的CV(％)的过程的一个实例如下所示。
首先，从平板状成形制品切割出具有适合尺寸，例如100mm×100mm的测试片，并且将该测试片在烘箱内在500℃下加热约1小时以去除树脂。测量已经去除了树脂的测试片的尺寸，并且将测试片放置在光滑平板上。随后，将其上放置有测试片的平板放入密封袋中，并以上述关于无序毡中所包含的增强纤维毡的厚度不均匀性的确定中的方式在25个点上测量厚度。从每个测量的厚度值减去密封袋和平板两者的厚度。由获得的测试片的净厚度值，使用式(3)能够确定纤维增强复合材料成形制品中的增强纤维的厚度的变差系数。同时，纤维增强复合材料成形制品中的增强纤维毡的厚度不均匀性的程度也维持在无序毡中的增强纤维的厚度不均匀性的程度。
[制造无序毡的方法]
制造本发明的无序毡的优选方法包括下列步骤1至4。
1.切割增强纤维的步骤(切割步骤)
2.利用切割的增强纤维导入管中、利用空气输送、并喷撒的步骤(喷撒步骤)
3.固定喷撒的增强纤维以获得增强纤维毡的步骤(固定步骤)
4.向增强纤维毡添加热塑性树脂以获得无序毡的步骤(热塑性树脂添加步骤)
<切割步骤>
描述切割增强纤维的步骤。优选的作为待切割的增强纤维是所谓的线股，该线股为长单纤维束的形式，这是由于线股容易获得和使用。增强纤维的切割方法优选为使用诸如旋切机的刀具切割增强纤维的步骤。使用旋切机的切割步骤的实例如图1所示。对用于连续切割增强纤维的刀具角度没有特别限制。可以使用与纤维成90度角布置的普通刃，或者可以使用倾斜地布置的刃或者螺旋地布置的刃。具有螺旋刀具的旋切机的实例如图2所示。
由于如上所述本发明的无序毡的特征在于增强纤维具有受控的小尺寸，所以优选地利用下述的拓宽方法和分离方法中的任意一种(同样参见图3)，来控制将待进行切割步骤的增强纤维的诸如纤维宽度和纤维厚度的尺寸。
对用于拓宽纤维的方法没有特别限制。其实例包括将诸如凸销等的拓宽拉布机推向纤维的方法、通过在纤维的行进方向的交叉方向上穿过气流从而弯曲纤维以使纤维顺风拱起的方法、以及振动纤维的方法等。优选的是，应通过在较后阶段设置用于限制纤维宽度的控制辊来限制拓宽的增强纤维，以具有期望的纤维宽度。
还优选的是，在本发明的无序毡的制造中，应将已经被如此拓宽的增强纤维分离，以获得更小的增强纤维宽度。
对用于分离纤维的方法没有特别限制，其实例包括以分条机将线股划分为细纤维束的方法。在使用分条机分离纤维的情况下，用于获得具有所需的纤维宽度的纤维的适合方法为：限制分条间隔。此外，对于分条刃来说，更优选的用于控制纤维宽度的方法为：使具有一定纤维宽度的增强纤维通过刀状分条刃从而分离纤维，或者使这些纤维通过梳状分条机以整理纤维。还能够为增强纤维选择上浆剂并分离增强纤维，从而使获得具有所需的平均纤维数量的增强纤维变得容易。
通过以上述方式在纤维拓宽之后进行纤维分离，能够将增强纤维控制为纤维宽度小且相似。因此，无序毡中所包含的增强纤维表现出优异的增强功能展现，并且获得的无序毡具有提高的均一性，减小的厚度不均匀性以及优异的机械强度。
<喷撒步骤>
随后，进行将切割的增强纤维导入位于切割机的下游侧的锥形管中并喷撒的步骤。对用于将增强纤维输送至锥形管的方法没有特别限制。然而，优选为在锥形管中产生吸引风速以利用空气将增强纤维输送至锥形管中。
还优选的是，在喷撒步骤中，将压缩空气直接吹向增强纤维，从而适当地拓宽增强纤维宽度的分布。可以通过限制吹送的压缩空气的压力来控制分布的宽度。
优选的是，应将输送的增强纤维喷撒在布置于喷撒设备下方的透气片材上。另外，从下述的固定步骤的角度而言，优选将增强纤维喷撒在具有抽吸装置的可移动透气片材上。
在喷撒步骤中，可以将切割的增强纤维与纤维状或粉末状的热塑性树脂同时喷撒在片材上。该方法适合用于获得包含增强纤维和热塑性树脂两者的无序毡。
<固定步骤>
随后，将喷撒的增强纤维固定以获得增强纤维毡。特别地，优选的方法为通过从透气片材的下方抽气来固定喷撒的增强纤维，以获得增强纤维毡。此外，甚至在纤维状或粉末状热塑性树脂与增强纤维同时喷撒的情况下，热塑性树脂也与增强纤维被一起固定。固定步骤中的加工可以在喷撒步骤中与增强纤维的喷撒等连续地进行。
<热塑性树脂添加步骤>
热塑性树脂添加步骤可以与上述步骤1至3同时进行。例如，可以在喷撒步骤中喷撒粉末状或其它形式的热塑性树脂。在上述步骤1至3期间不添加热塑性树脂而制造增强纤维毡的情况下，可以将片状或膜状等形式的热塑性树脂放置在增强纤维毡上或层叠至增强纤维毡，以获得本发明的无序毡。在此情况下，片状或膜状形式的热塑性树脂可以为熔融状态。
同时，如上述情况所述，片状、膜状或粉末状等形式的热塑性树脂可以放置在无序毡上或层叠至无序毡，该无序毡通过在喷撒步骤中喷撒粉末状或其他形式的热塑性树脂而获得。
[纤维增强复合材料成形制品的制造]
能够通过成型本发明的无序毡来获得纤维增强复合材料成形制品。用于获得纤维增强复合材料成形制品的方法的实例包括：利用压制机等对以上述方式获得的无序毡进行加热和压制、以获得成形制品的方法。尽管对用于获得本发明的纤维增强复合材料成形制品的方法没有特别限制，但是适合的用于获得成形制品的方法为，利用例如真空成型、液压成型、热压或冷压来成型无序毡。在这些方法中，适合的用于获得本发明的纤维增强复合材料成形制品的方法为通过冷压成型，在该冷压中，将无序毡加热至包含在其中的热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变点以上、然后将无序毡夹在模具之间从而获得形状，该模具被保持在不高于树脂的熔点或玻璃化转变点的温度。
在无序毡的成型中，优选的是，应预先将无序毡加热至一温度，在树脂为结晶体的情况下，该温度为作为基质的热塑性树脂的熔点以上的温度；在树脂为无定形的情况下，该温度为热塑性树脂的玻璃化转变点以上的温度；并且该温度优选为不高于热塑性树脂的分解温度。可以将加压介质限制为具有作为基质的热塑性树脂的熔点以上或玻璃化转变点以上的温度，或者限制为具有其熔点以下或玻璃化转变点以下的温度。此外，通过在成型期间适当地添加热塑性树脂，能够根据目的而获得不同厚度的纤维增强复合材料成形制品。对添加的热塑性树脂没有特别限制，其具体实例包括在基质树脂部分中列举的同样的热塑性树脂。此外，对于树脂的形式而言，可以使用熔融的树脂，或纤维状、粉末状或膜状等形式的树脂。
本发明的这些无序毡自身可以用作预成型体，或者可以转化为成形板然后转化为具有最终形式的成形制品。
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。对增强纤维及其测试片而言，除非另有说明，否则纤维长度、纤维宽度和纤维厚度的单位为mm，而重量的单位为g。在下列实施例和比较例中使用的碳纤维和热塑性树脂的密度如下所示。
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K：1.75g/cm3
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)IMS60-24K：1.80g/cm3
PAN系碳纤维"Tenax"(注册商标)HTS40-12K：1.76g/cm3
PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UTS50-24K：1.79g/cm3
PAN系碳纤维"Tenax"(注册商标)HTS40-6K：1.76g/cm3
聚丙烯：0.91g/cm3
聚碳酸酯：1.20g/cm3
聚酰胺6：1.14g/cm3
[确定无序毡中增强纤维的数均纤维宽度和重均纤维宽度的方法]
将无序毡切割至100mm×100mm，并且用镊子随机取出300根增强纤维。对于取出的增强纤维，测量并记录每根纤维的纤维宽度Wi、纤维重量wi和纤维厚度ti。使用能够测量至1/100mm的游标卡尺测量纤维宽度和纤维厚度。使用能够测量至1/100mg的天平测量重量。对于太小而无法测量其重量的增强纤维而言，将具有相同纤维宽度的增强纤维收集起来并称重。在使用两种以上的增强纤维的情况下，对纤维进行分类，并对每种纤维进行测量和评价。
在测量所有取出的纤维的纤维宽度Wi和纤维重量wi后，通过下式4确定数均纤维宽度Wn。
Wn＝ΣWi/I (4)
I为增强纤维的数量，除了小于300的情况外，该纤维数量为300。
此外，使用下式(5)由增强纤维的总质量w确定增强纤维的重均纤维宽度Ww。
Ww＝Σ(Wi×wi/w) (5)
在增强纤维和热塑性树脂不能分离而提高测量难度的情况下，例如，通过在500℃下加热无序毡约1小时以去除热塑性树脂，随后执行测量。
[确定增强纤维的分布率Ww/Wn的方法]
使用下式(6)由获得的增强纤维的数均纤维宽度Wn和重均纤维宽度Ww来计算平均纤维宽度分布率Ww/Wn。
平均纤维宽度分布率Ww/Wn＝(重均纤维宽度Ww)/(数均纤维宽度Wn) (6)
[确定无序毡中增强纤维的重均纤维厚度的方法]
以上述方式对所有取出的纤维进行纤维厚度ti和纤维重量wi测量，随后使用下式(7)确定重均纤维厚度t。
t＝Σ(ti×wi/w) (7)
[确定纤维增强复合材料成形制品中增强纤维的数均纤维宽度和重均纤维宽度的方法]
通过将成形的复合材料切割至100mm×100mm、将切割片在烘箱中在500℃下加热约1小时以除去树脂、随后以和无序毡相同的方式取出纤维、并测量纤维宽度Wi、纤维重量wi等，来确定纤维增强复合材料成形制品中的增强纤维的平均纤维宽度。
[确定增强纤维毡或者无序毡中平均纤维长度L的方法]
使用镊子从增强纤维毡或无序毡随机抽出100根增强纤维，使用游标卡尺将每个纤维长度Li测量至1mm并记录。优选的是，相比于纤维长度，在其上取出增强纤维的面积应足够大。
由获得的个体纤维长度Li，使用下式确定平均纤维长度L。
L＝ΣLi/100
在增强纤维和热塑性树脂不能分离而提高测量难度的情况下，例如，通过在500℃下加热无序毡约1小时以去除热塑性树脂，随后执行测量。
[确定无序毡中的增强纤维毡的厚度不均匀性的方法]
以下列方式计算无序毡中增强纤维毡的厚度的变差系数CV，并且在该结果的基础上评价厚度不均匀性。变差系数CV(％)越高，纤维的厚度不均匀性越大。
同时，在热塑性树脂不能与无序毡分离、使得不能确定增强纤维毡的厚度不均匀性的情况下，通过与将在后面描述的纤维增强复合材料成形制品相同的方式利用加热去除热塑性树脂，随后再进行测量。
1)将无序毡切割至100mm×100mm，并且分离热塑性树脂。将该增强纤维毡放入减压至-0.09MPa以下的密封袋中。
2)在密封袋上以10mm间隔的格网图案进行标记，以千分尺将其厚度测量至1/1,000mm。在5行×5列，即25个点上进行测量。
3)从每个测量厚度减去密封袋的厚度，并计算平均值和标准偏差。使用下式计算纤维厚度的变差系数CV(％)。
变差系数CV(％)＝[(标准偏差)/(平均值)]×100 (3)
[确定纤维增强复合材料成形制品中的增强纤维毡的厚度不均匀性的方法]
在评价纤维增强复合材料成形制品的增强纤维毡的厚度不均匀性的情况下，将平板状的纤维增强复合材料成形制品切割至100mm×100mm，在烘箱中将该切割片在500℃下加热约1小时以除去热塑性树脂。随后，以相同的方式测量获得的毡的尺寸，并放置在光滑平板上。随后，将每个平板放入密封袋中，并且除了从每个测量厚度减去密封袋和平板二者的厚度之外，以和用于无序毡的方式相同的方式在25个点上进行厚度测量。由此确定厚度的变差系数CV。
[纤维增强复合材料成形制品(成形板)中的热塑性树脂的浸渍程度的评价]
利用超声波探伤测试来评价纤维增强复合材料成形制品(成形板)的浸渍程度。通过以超声波探伤成像装置(SDS-WIN；Krautkramer Japan Co.,Ltd.)在5MHz的探伤频率和2.0mm×2.0mm的扫描间距的条件下执行探伤测试，来评价浸渍程度。在该评价中，对反射波强度为90％以上的部分的截面进行显微镜检查，以确定其中不存在缺陷或空隙。在探伤测试中，具有高反射波强度(在实施例中为70％以上)的部分的面积比率越大，则成形板的内部就越致密并且成形板中热塑性树脂的浸渍程度就越高。同时，具有低反射波强度(在实施例中为50％以下)的部分的面积比率越大，则成形板的内部存在的细空隙的量就越大并且成形板中未浸渍部分的量就越大。
[拉伸测试]
使用射水机从纤维增强复合材料成形制品(成形板)切割出测试片，并使用由Instron Corporation制造的通用测试机参考JIS K 7164测量拉伸强度和拉伸模量。测试片的形状为1B-B型。卡盘间的距离为115mm，测试速度为10mm/min。分别沿着成形制品的任意方向(0度方向)和该任意方向的垂直方向(90度方向)切割测试片，在两个方向的每一个方向上测量拉伸强度和拉伸模量。关于拉伸模量，计算以较大值除以较小值所获得的比率Eδ。
[相对于理论强度的性能展现率计算]
由以上述方式获得的成形板的拉伸强度和包含在成形板中的增强纤维(碳纤维)的拉伸强度，通过下列计算确定相对于理论值的性能展现率(％)。
性能展现率(％)＝[(成形制品的拉伸强度)/(成形制品的理论强度)]×100
此处，由包含在成形制品中的增强纤维的拉伸强度Ff、基质树脂的破坏应力σm、增强纤维的体积含量比率Vf以及纤维的定向系数ηθ，在关于复合材料的强度混合定律的基础上，使用下式来确定成形制品的理论强度。
成形制品的理论强度(MPa)＝(ηθ×Ff×Vf)+σm(1-Vf)
(此处，所用的定向系数ηθ为ηθ＝3/8，其为平面内随机定向的值)
[实施例1]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：4,000MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至22mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为20mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为20mm。使用由硬质合金制成的盘状分离刃作为分离设备，对宽度为20mm的增强纤维线股以0.8mm的间隔进行分条。此外，将由硬质合金制成的并且配备有20mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得20mm的纤维长度。锥形管布置在旋切机的正下方。将压缩空气供应至该锥形管，从而将增强纤维导入至锥形管并以5m/sec的吸引风速在锥形管中输送纤维。从锥形管的侧壁供应作为基质树脂的、已经被粉碎并分级以便具有500μm的平均粒径的聚丙烯(J-106G，由Prime PolymerCo.,Ltd.制造)。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置在网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应增强纤维，从而获得单位面积纤维重量为1,500g/m2的无序毡。检查无序毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为20mm，重均纤维厚度为0.06mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为0.66mm，数均纤维宽度Wn为0.43mm，分布率Ww/Wn为1.52。
利用在220℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为1.9mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为6.4％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为45vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板具有的拉伸强度为490MPa，相对于理论强度的性能展现率为73％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.06。
[实施例2]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)IMS60-24K(纤维直径：5.0μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：5,800MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至26mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为25mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为25mm。使用由硬质合金制成的盘状分离刃作为分离设备，对宽度为25mm的增强纤维线股以1.4mm的间隔进行分条。此外，将由硬质合金制成的并且配备有45mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得45mm的纤维长度。锥形管布置在旋切机的正下方。将压缩空气供应至该锥形管，从而将增强纤维导入至锥形管并以5m/sec的吸引风速在锥形管中输送纤维。从锥形管的侧壁供应作为基质树脂的、已经被粉碎并分级以便具有500μm的平均粒径的聚碳酸酯("Panlite"(注册商标)L-1225Y，由Teijin Chemicals Ltd.制造)。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置在网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应增强纤维，从而获得单位面积纤维重量为2,500g/m2的无序毡。检查无序毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为45mm，重均纤维厚度为0.05mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为1.25mm，数均纤维宽度Wn为0.69mm，分布率Ww/Wn为1.80。
利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为4.0mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为9.0％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为35vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板具有的拉伸强度为540MPa，相对于理论强度的性能展现率为71％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.07。
[实施例3]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)STS40-24K(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：4,000MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至16mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为15mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为15mm。使用由硬质合金制成的盘状分离刃作为分离设备，对宽度为15mm的增强纤维线股以0.5mm的间隔进行分条。此外，将由硬质合金制成的并且配备有12mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得12mm的纤维长度。准备具有小孔的管作为喷撒设备，并利用压缩机向其供应压缩空气。在此阶段下，小孔的出风速度为50m/sec。此外，锥形管布置在喷撒设备的正下方。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置在网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应增强纤维，从而获得单位面积纤维重量为700g/m2的增强纤维毡。检查增强纤维毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
随后，将熔融的基质树脂供应至毡的表面。具体而言，将聚酰胺6树脂(A1030，由Unichika,Ltd.制造)用作基质树脂并熔融，并且以与传送线速度相同的速度，从宽度为1m并且以距传送网5cm的距离布置在传送网上方的T模挤出厚度为0.6mm膜状熔融树脂，并供应至毡的整个表面。在该操作中，利用红外线加热器对增强纤维毡的表面的被供应树脂的部分加热，以防止树脂冷却并凝固。
以如下条件操作设备：将增强纤维供应量设定为1,400g/min，而将基质树脂供应量设定为1,360g/min。结果，在固定网上形成由增强纤维和热塑性树脂构成的无序毡。随后，该毡通过设定温度为280℃的加热辊加热并压制，从而获得树脂均匀地浸渍的无序毡。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为12mm，重均纤维厚度为0.06mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为0.32mm，数均纤维宽度Wn为0.16mm，分布率Ww/Wn为1.96。
利用在260℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为1.0mm的成形板。
评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为6.8％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为40vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板的拉伸强度为440MPa，相对于理论强度的性能展现率为73％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.04。
[实施例4]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：8mm，拉伸强度：4,200MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至16mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为15mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为15mm。使用由硬质合金制成的盘状分离刃作为分离设备，对宽度为15mm的增强纤维线股以0.5mm的间隔进行分条。此外，将由硬质合金制成的并且配备有15mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得15mm的纤维长度。锥形管布置在旋切机的正下方。将压缩空气供应至该锥形管，将纤维导入至锥形管并以5m/sec的吸引风速在锥形管中输送纤维。从锥形管的侧壁供应作为基质树脂的、已经被粉碎并分级以便具有500μm的平均粒径的聚碳酸酯("Panlite"(注册商标)L-1225Y，由Teijin Chemicals Ltd.制造)。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置在网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应增强纤维，从而获得单位面积纤维重量为2,640g/m2的无序毡。检查无序毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为15mm，重均纤维厚度为0.04mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为0.47mm，数均纤维宽度Wn为0.36mm，分布率Ww/Wn为1.31。
利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为3.0mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为5.6％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为50vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板的拉伸强度为585MPa，相对于理论强度的性能展现率为74％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.04。
[比较例1]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-12K(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：8mm，拉伸强度：4,200MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至16mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为15mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为15mm。使用由硬质合金制成的盘状分离刃作为分离设备，对增强纤维线股以3.2mm的间隔进行分条。此外，将由硬质合金制成的并且配备有15mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得15mm的纤维长度。锥形管布置在旋切机的正下方。将压缩空气供应至该锥形管，以将纤维导入至锥形管并以5m/sec的吸引风速在锥形管中输送纤维。从锥形管的侧壁供应作为基质树脂的、已经被粉碎并分级以便具有500μm的平均粒径的聚碳酸酯("Panlite"(注册商标)L-1225Y，由TeijinChemicals Ltd.制造)。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置在网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应增强纤维，从而获得单位面积纤维重量为2,640g/m2的无序毡。检查无序毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为15mm，重均纤维厚度为0.05mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为3.02mm，数均纤维宽度Wn为2.27mm，分布率Ww/Wn为1.33。
利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为3.0mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为18.4％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为50vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板具有的拉伸强度为420MPa，相对于理论强度的性能展现率为53％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.16。
[实施例5]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UTS50-24K(纤维直径：6.9μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：5,000MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至22mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为20mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为20mm。交替使用间隔为2.6mm和2.2mm的盘状分离刃作为分离设备，以对增强纤维线股进行分条。此外，将由硬质合金制成的并且配备有30mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得30mm的纤维长度。锥形管布置在旋切机的正下方。将压缩空气供应至该锥形管，以将纤维导入至锥形管并以5m/sec的吸引风速在锥形管中输送纤维。从锥形管的侧壁供应作为基质树脂的、被粉碎并分级以便具有500μm的平均粒径的聚酰胺6("A1030"，由Unichika,Ltd.制造)。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置在网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应增强纤维，从而获得单位面积纤维重量为4,000g/m2的无序毡。检查无序毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为30mm，重均纤维厚度为0.07mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为2.20mm，数均纤维宽度Wn为1.39mm，分布率Ww/Wn为1.58。
利用在280℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为5.0mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为13.3％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为45vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板的拉伸强度为550MPa，相对于理论强度的性能展现率为65％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.09。
[比较例2]
作为增强纤维，将由TOHO TENAX Co.,Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)UTS50-24K(纤维直径：6.9μm，纤维宽度：10mm，拉伸强度：5,000MPa)进行纤维拓宽以将其宽度增加至22mm。在利用分离设备进行处理之前，将拓宽的增强纤维线股通过内部宽度为20mm的辊，从而将纤维宽度精确地限制为20mm。将拓宽至20mm宽度的增强纤维线股的一部分以4.2mm的间隔分条，而将另一部分以0.3mm的间隔分条。将两种分条的线股以相同的量供应至切割设备。将由硬质合金制成的并且配备有20mm间隔的刃的旋切机作为切割设备，来切割已分条的线股，以获得20mm的纤维长度。
锥形管布置在旋切机的正下方。将压缩空气供应至该锥形管，以将纤维导入至锥形管并以5m/sec的吸引风速在锥形管中输送纤维。从锥形管的侧壁供应作为基质树脂的、被粉碎并分级以便具有500μm的平均粒径的聚酰胺6("A1030"，由Unichika,Ltd.制造)。随后，将可移动的传送网布置在锥形管的出口的下方，在通过布置网下方的吹风机执行抽吸的同时，从锥形管向传送网供应碳纤维，从而获得单位面积纤维重量为2,380g/m2的无序毡。检查无序毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的无序毡中，增强纤维的平均纤维长度为20mm，重均纤维厚度为0.06mm。构成无序毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为2.21mm，数均纤维宽度Wn为0.54mm，分布率Ww/Wn为4.08。
利用在280℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为3.0mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为16.2％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为80％以上。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为45vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板的拉伸强度为490MPa，相对于理论强度的性能展现率为58％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.08。
[比较例3]
作为增强纤维，使用由TOHO TENAX Co.Ltd.制造的PAN系碳纤维“Tenax”(注册商标)HTS40-6K(纤维直径：7.0μm，纤维宽度：6mm，拉伸强度：4,200MPa)。使用配备有6mm间隔的刃的粗纱切割机，来切割已分条的线股，以获得6mm的纤维长度。将这些以粗纱切割机切割的增强纤维供应至布置在切割机正下方的传送网，从而获得单位面积纤维重量为2,640g/m2的增强纤维毡。检查增强纤维毡中的增强纤维的形式，结果，发现增强纤维的纤维轴大致平行于无序毡的平面，并且增强纤维无序地分散在平面内。
在获得的增强纤维毡中，增强纤维的平均纤维长度为6.1mm，重均纤维厚度为0.05mm。构成增强纤维毡的增强纤维的重均纤维宽度Ww为5.81mm，数均纤维宽度Wn为5.25mm，分布率Ww/Wn为1.11。
将1,815g/m2的聚碳酸酯膜("Panlite"(注册商标)L-1225Y，由Teijin ChemicalsLtd.制造)层叠在单位面积增强纤维重量为2,640g/m2的增强纤维毡的每个表面上，以设定温度为300℃的加热辊对该层叠体进行加热并压制，从而获得树脂均匀地浸渍的无序毡。
利用在300℃下加热的压制设备在4MPa下对获得的无序毡加热10分钟，从而获得厚度为3.1mm的成形板。评价获得的成形板的增强纤维毡的厚度不均匀性。结果，发现厚度的变差系数CV为32.4％。此外，执行超声波探伤测试，结果，观察到反射波强度为70％以上的部分的比率为47％以上。确定该成形板内部存在未浸渍部分。
在获得的成形板中，增强纤维的体积含量比率为49vol％。根据JIS7164评价成形板的拉伸性能，结果，发现成形板的拉伸强度为380MPa，相对于理论强度的性能展现率为48％，0度方向与90度方向之间的拉伸模量的比率为1.32。
工业应用性
根据本发明获得的无序毡和纤维增强复合材料成形制品，具有优异的机械强度并且在其各向同性方面是优异的。因此，该无序毡和该成形复合材料可用于或作为构造组成构件，例如，机动车辆的内板、外板和组成构件，或各种电子产品或机器的框架或外壳等。
尽管已经参考其具体的实施方式详细描述了本发明，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，能进行各种改进和修改。
本申请基于2012年8月31日提交的日本专利申请(申请号：2012-169936)，其全部内容通过参考并入此处。

Claims (10)

1.一种无序毡，该无序毡包含：
增强纤维，该增强纤维的平均纤维长度为3至100mm；以及
热塑性树脂，
其中，所述增强纤维满足下列i)至iii)：
i)所述增强纤维的重均纤维宽度Ww满足下式(1)：
0mm<Ww<2.8mm (1)；
ii)所述增强纤维的平均纤维宽度分布率Ww/Wn为1.00以上且2.00以下，该平均纤维宽度分布率Ww/Wn被定义为所述重均纤维宽度Ww与数均纤维宽度Wn的比率；以及
iii)所述增强纤维的重均纤维厚度小于所述重均纤维宽度Ww，并且
所述增强纤维的所述重均纤维厚度为0.01mm以上且0.30mm以下。
2.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维为选自由碳纤维、芳纶纤维和玻璃纤维组成的组中的至少一种纤维。
3.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维的所述重均纤维宽度Ww满足下式(2)：
0.1mm<Ww<2.0mm (2)。
4.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维的所述平均纤维宽度分布率Ww/Wn为1.30以上且1.95以下。
5.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，所述增强纤维的所述重均纤维厚度为0.02mm以上且0.20mm以下。
6.根据权利要求1所述的无序毡，该无序毡的单位面积增强纤维重量为25至10,000g/m2。
7.根据权利要求1所述的无序毡，
其中，以100重量份的所述增强纤维计，所述热塑性树脂的含量为10至800重量份。
8.一种纤维增强复合材料成形制品，该纤维增强复合材料成形制品由根据权利要求1至7任意一项所述的无序毡获得，并且该纤维增强复合材料成形制品包含由所述增强纤维构成的增强纤维毡，
其中，所述增强纤维毡的厚度不均匀性为20％以下，该厚度不均匀性由下式(3)所定义的变差系数CV表示：
变差系数CV(％)＝[(标准偏差)/(平均值)]×100 (3)。
9.根据权利要求8所述的纤维增强复合材料成形制品，该纤维增强复合材料成形制品包含：
增强纤维，该增强纤维的平均纤维长度为3至100mm；以及
热塑性树脂，
其中，所述增强纤维满足下列i)至iii)：
i)所述增强纤维的重均纤维宽度Ww满足下式(1)：
0mm<Ww<2.8mm (1)；
ii)所述增强纤维的分布率Ww/Wn为1.00以上且2.00以下，该分布率Ww/Wn被定义为所述重均纤维宽度Ww与数均纤维宽度Wn的比率；以及
iii)所述增强纤维的重均纤维厚度小于所述重均纤维宽度Ww。
10.根据权利要求8所述的纤维增强复合材料成形制品，该纤维增强复合材料成形制品的壁厚为0.2至100mm。
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