CN105437563A - 控制复合材料中渗透性和纤维体积分数的聚合物纳米颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及控制复合材料中渗透性和纤维体积分数的聚合物纳米颗粒。纤维束可包括多个增强长丝，每个增强长丝具有长丝横截面宽度。至少一部分聚合物纳米颗粒可连接至少一个增强长丝和/或至其它聚合物纳米颗粒。聚合物纳米颗粒可具有小于增强长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。聚合物纳米颗粒可提供增强长丝之间的局部长丝间隔以减少或避免增强长丝之间的直接接触，进而允许树脂在长丝之间流动，和/或满足纤维体积分数要求。

Description

控制复合材料中渗透性和纤维体积分数的聚合物纳米颗粒
技术领域
本公开内容一般地涉及复合材料，并且更具体地涉及复合结构中的纳米颗粒用于控制纤维床渗透性和纤维体积分数的用途。
背景技术
可通过叠铺一叠复合层以形成复合敷层来形成复合结构。每个复合层可包括多个增强纤维或纤维束。每个纤维束可包括多个增强长丝。例如，单纤维束可形成为一束数千个或更多个增强长丝。可将热和/或压力施加至复合敷层以加固该叠复合层和固化或硬化树脂。可被动地或主动地冷却复合敷层以形成复合结构。
复合结构通常被设计为具有特定的纤维体积分数以满足强度、刚度和复合结构的其它设计要求。纤维体积分数可被描述为复合结构中的增强纤维的总体积与复合结构的总体积的比率。在制造期间可控制的复合敷层的纤维体积分数的精确度对复合结构满足设计要求的能力可能具有显著的影响。
复合敷层中增强长丝之间的间隔对复合结构的纤维体积分数可能具有直接影响。对于在叠铺前使用树脂预浸渍的复合层(例如，预浸复合层)，通过在预浸操作期间控制施加至纤维束或增强长丝的树脂的量，可直接控制增强长丝之间的间隔。对于用干纤维复合层形成的复合敷层，通过控制叠铺加工条件，诸如控制在浸渍树脂进入干纤维复合层期间施加的加固压力和/或真空压力的大小和/或持续时间，可间接控制增强长丝之间的间隔。
在常规的复合材料制造中，增强长丝之间的局部间隔可从许多长丝直径至零变化。在零间隔处，增强长丝相互直接接触。增强长丝之间的直接接触可能导致数个不期望的影响。例如，直接接触的增强长丝可在树脂浸渍过程期间抑制增强长丝之间的树脂流动，其可导致增强长丝的不完全润湿，形成不期望的空隙和裂纹形核的位点。此外，直接接触的增强长丝可在复合结构中呈现高应力的位置，并且可导致树脂中的微裂纹。
可以看出，在本领域中存在对用于控制复合敷层中增强长丝之间的局部间隔的系统和方法，以允许长丝之间的树脂流动，进而满足纤维体积分数要求和减少或避免增强长丝之间的直接接触的需求。
发明内容
上文记载的与复合敷层相关的需求通过本公开内容具体地解决，本公开内容提供了可包括多个增强长丝的纤维束，每个增强长丝具有长丝横截面宽度。一个或多个聚合物纳米颗粒可被连接至增强长丝中的至少一个和/或其它聚合物纳米颗粒。聚合物纳米颗粒可具有小于增强长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。聚合物纳米颗粒可在增强长丝之间提供局部长丝间隔以减小或避免增强长丝之间的直接接触，进而允许长丝之间的树脂流动，和/或满足纤维体积分数要求。
还公开了包括树脂和嵌入树脂中的多个纤维束的组合物。每一个纤维束可由多个增强长丝组成。每个增强长丝可具有长丝横截面宽度。组合物可进一步包括连接至增强长丝的多个聚合物纳米颗粒。聚合物纳米颗粒可具有小于长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。
还公开了制造复合结构的方法。该方法可包括将多个聚合物纳米颗粒连接至一个或多个增强长丝。每一个增强长丝可具有长丝横截面宽度。聚合物纳米颗粒可具有小于长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。该方法可额外地包括诸如在树脂浸渍期间使用聚合物纳米颗粒维持邻近增强长丝之间的长丝间隔。
已经讨论过的特征、功能和优势可在本公开内容的多种实施方式中独立地实现或者可在还其它实施方式中组合，可参阅下文中的如下描述和附图看到其进一步的细节。
附图说明
在参阅附图的情况下，本公开内容的这些和其它特征将变得更加显而易见，其中遍及全文相同的数字表示相同的部件，并且其中：
图1是复合结构的框图，其包括树脂和由增强长丝形成的纤维束，并且包括用于维持邻近增强长丝之间的长丝间隔的聚合物纳米颗粒；
图2是包括一叠单向层的复合结构的透视图，每个单向层由多个连续的增强纤维形成；
图3显示了沿着图2的线3截取的一部分复合结构的横截面，并且显示了以不同角度定向的单向复合层的增强长丝；
图4是嵌入树脂中的多个增强长丝的示意性横截面视图，并且显示了互相直接接触并且导致了树脂中的裂纹的增强长丝；
图5是图4的增强长丝的示意性横截面视图，并且进一步包括维持增强长丝之间的局部长丝间隔的聚合物纳米颗粒；
图6是嵌入树脂中的第一长丝和第二长丝的示意图，并且显示了通过聚合物纳米颗粒与第二长丝分离的第一长丝，该聚合物纳米颗粒可被连接至第一长丝和/或第二长丝，使得聚合物纳米颗粒防止第一和第二长丝之间的接触；
图7是连接至第一长丝的第一聚合物纳米颗粒和连接至第二长丝以及连接至第一聚合物纳米颗粒的第二聚合物纳米颗粒，并且防止第一和第二长丝之间的接触的示意图；
图8是具有熔化的可熔的护套的皮芯型纳米颗粒的示意图；
图9是熔化熔合至增强长丝的皮芯型纳米颗粒的护套的示意图；
图10是连接至增强长丝的浆料的聚合物纳米颗粒的示意图；
图11是图解了可包括在制造复合结构的方法中的一个或多个操作的流程图；
图12是用于连续地施加聚合物纳米颗粒至纤维束的增强长丝的系统的示意图。
具体实施方式
现在参阅附图，附图中的显示是为了图解本公开内容的多种实施方式的目的，图1中显示的是包括纤维床的复合结构100的框图，所述纤维床包括纤维束150。纤维束150可被嵌入树脂110中。每一个纤维束150可包括多个增强长丝158。每一个增强长丝158可具有长丝横截面宽度160(图6)或直径。一个或多个聚合物纳米颗粒200可连接至增强长丝158和/或其它聚合物纳米颗粒200。
在一些实例中，一部分聚合物纳米颗粒200可包括非连接的纳米颗粒214(例如，见图5)，其可邻近一个或多个增强长丝158和/或邻近一个或多个聚合物纳米颗粒200被机械地截留。每一个聚合物纳米颗粒200可具有可以小于长丝横截面宽度160的颗粒横截面宽度202(图6)。例如，聚合物纳米颗粒200具有10-200纳米的颗粒横截面宽度202，并且增强长丝158可具有5-30微米的长丝横截面宽度160。例如，碳增强长丝158可具有5-10微米的长丝横截面宽度。玻璃增强长丝158可具有10-25微米的长丝横截面宽度。
有利地，聚合物纳米颗粒200可充当增强长丝158之间的间隔，并且可维持或控制纤维床152的渗透性，使得树脂110可在增强长丝158之间流动(图1)和/或浸渍或均匀地浸湿增强长丝158。此外，聚合物纳米颗粒200可防止增强长丝158之间的直接接触。如上文所指示的，增强长丝158之间直接的长丝与长丝的接触可在复合结构100中呈现局部高纤维含量的区域(图1)。聚合物纳米颗粒200可防止直接的长丝与长丝的接触和复合敷层102中局部高纤维含量的相关区域，并且可以从而在可呈现裂纹起始位点的这样的位置减少或避免应力集中。
此外，聚合物纳米颗粒200可提供用于精确地控制最终复合结构100的纤维体积分数的手段。如上文所指示的，复合结构100的纤维体积分数可被描述为复合结构100中增强纤维150(图1)的体积与复合结构100的总体积的比率。当树脂流经增强长丝158或在增强长丝158之间时，聚合物纳米颗粒200至少在部分制造过程期间可被配置为增强长丝158之间的间隔。聚合物纳米颗粒200的颗粒横截面宽度202和/或聚合物纳米颗粒200相对于树脂体积的总体积可提供用于精确地控制复合敷层102的纤维体积分数的手段，其可对复合结构100满足诸如强度和刚性要求的设计要求的能力具有显著影响。
图2显示了由一叠复合层104制成的复合结构100。在显示的实例中，复合结构100可由单向层106形成。每一个复合层104可包括多个大致平行的、连续的增强纤维或纤维束150。单向层106可包括多个单向带154，每个单向带154包含并排排列的纤维束150。可选地，一个或多个复合层104可由包含平行纤维束150的单向板形成。如上文所指示的，每一个纤维束150可由一束数千个增强长丝158组成。例如，单一纤维束150可包括至多100,000或更多个增强长丝158。每个增强长丝158可具有至多30微米的直径。例如，如上文所指示的，碳增强长丝158可具有5-10微米(例如，5-7微米)的长丝横截面宽度。玻璃增强长丝158可具有10-25微米的长丝横截面宽度。在本公开内容中，术语纤维、增强纤维、复合纤维和纤维束可以互换地使用。
可使用以如下多种不同纤维形式中的任一种排列的纤维束150提供复合敷层102，其包括但不限于单向带、机织物、编织纤维、缝编纤维(stitchedfiber)形式、短纤维形式(例如，短纤维毡)以及任意其它类型的卷曲和非卷曲纤维形式。无论纤维束150(图2)的形式或排列如何，聚合物纳米颗粒200可连接至一个或多个纤维束150的一个或多个增强长丝158以维持或控制增强长丝158之间的长丝间隔166(图6)，并且从而控制复合敷层102的渗透性和/或最终复合结构100的纤维体积分数。
图3显示了图2的部分复合结构100的横截面并显示了以不同角度定向的单向复合层104的增强长丝158。聚合物纳米颗粒200可连接至一个或多个增强长丝158以维持邻近增强长丝158之间的最小长丝间隔166。例如，每个单向带154可包括连接至聚合物纳米颗粒200的增强长丝158以维持单向带154的其它增强长丝158之间的长丝间隔166。虽然没有显示，但是聚合物纳米颗粒200还可连接至纤维束150或单向带154的最外面的增强长丝158以维持与邻近纤维束150或单向带154的增强长丝158的最小长丝间隔166。聚合物纳米颗粒200还可连接至机织物或编织纤维的增强长丝158以维持期望的长丝间隔166。
在图3中，最上面和最下面的复合层104中的增强长丝158可沿着垂直于纸平面的方向定向。中间两个复合层104可包括平行于纸平面定向的增强长丝158。位于中间和最上面的复合层104之间以及中间和最下面的复合层104之间的复合层104可包含不平行且不垂直于纸平面定向的增强长丝158。然而，邻近复合层104可包括以相对于彼此的任意角度定向的增强长丝158。
可通过堆叠可用树脂110预浸渍的一叠复合层104(例如，预浸复合层)形成复合结构100。在复合层104(图3)的堆叠后，可施加热以减小树脂110(图3)的粘性并允许树脂110流动以及与邻近复合层104的树脂110混和。可施加热和/或压力以固化和/或硬化树脂110进而形成复合结构100。在预浸渍操作之前或期间，聚合物纳米颗粒200可连接至一个或多个增强长丝158。在一些实例中，可在制造增强长丝158期间向增强长丝158施加聚合物纳米颗粒200。在下文所述的一个实例中(例如，见图12)，聚合物纳米颗粒200可被喷涂至移动的纤维束150的增强长丝158上。
可选地，可通过堆叠包含增强长丝158(图3)的一叠干纤维复合层104形成复合敷层102，聚合物纳米颗粒200可连接至所述增强长丝158。可使用多种树脂浸渍工艺中的任意一种，可用树脂110加固和/或浸渍干纤维复合层104。例如，可使用树脂膜浸渍(RFI)、树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)、受控的常压树脂浸渍(controlledatmosphericpressureresininfusion)(CAPRI)或多种其它树脂传递工艺中的任意一种将树脂110浸渍进干纤维复合层104。可施加热和/或压力以固化和/或硬化树脂110进而形成复合结构100。
在本文公开的任意实例中，可由热塑性材料和/或热固性材料形成树脂110和/或聚合物纳米颗粒200。热塑性材料可包括丙烯酸类树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃(例如，聚乙烯、聚丙烯)、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚芳醚酮(例如，聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮醚酮(PEKEK)等)和/或聚醚酰亚胺。热固性材料可包括聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物(聚苯硫醚)、导电聚合物(例如，聚苯胺)、苯并嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酯、环氧树脂和/或硅倍半氧烷。可由材料诸如碳、碳化硅、硼、陶瓷和金属材料形成增强长丝158。还可由玻璃诸如E玻璃(铝硼硅酸盐玻璃)、S玻璃(铝硅酸盐玻璃)、纯硅、硼硅酸盐玻璃、光学玻璃和其它玻璃组合物形成增强长丝158。
图4显示了嵌入树脂110的组合物108中的增强长丝158的横截面和增强长丝158。增强长丝158可被包括在组成单向带、单向片、机织物、编织纤维和多种其它纤维形式中的任意一种的纤维束150的一束增强长丝158中。在图4中，增强长丝158中的一些是相互直接的长丝与长丝接触的。增强长丝158之间直接的长丝与长丝的接触可在复合结构100中呈现局部高纤维含量的区域。此外，增强长丝158的直接接触可诸如在树脂浸渍进入复合敷层102期间抑制增强长丝158之间的树脂流动，其可导致增强长丝158的不完全润湿，形成不期望的空隙和裂纹形核的位点。此外，增强长丝158的直接接触可在复合结构100中呈现高应力的位置，并且可导致在树脂110中在方向长丝与长丝的接触位置形成裂纹114。
图5是图4的增强长丝158的横截面视图并进一步包括连接至增强长丝158的聚合物纳米颗粒200。可以看出，聚合物纳米颗粒200相对于长丝横截面宽度160具有小的颗粒横截面宽度202(图6)。聚合物纳米颗粒200维持局部的长丝间隔166并有利地防止直接的长丝与长丝的接触和局部高纤维含量的相关区域，并且可从而减小或避免在这种位置处的应力集中。图5中还显示了非连接至增强长丝158或其它聚合物纳米颗粒200的非连接的纳米颗粒214。这种松散的或非连接的纳米颗粒214可被嵌入纤维束150内和/或被纤维束150的增强长丝158包围。即使这种松散的纳米颗粒214可被非连接至增强长丝158，松散的纳米颗粒200也可充当间隔以维持增强长丝158之间的长丝间隔166，和/或松散的纳米颗粒可溶解和增韧树脂110。
仍参阅图5，显示的是以足以引起复合敷层102的纤维床152的渗透性相对于缺乏聚合物纳米颗粒200的纤维床的渗透性增大的密度或体积含量提供的多个聚合物纳米颗粒200。此外，聚合物纳米颗粒200可以以特定颗粒横截面宽度202(例如，直径)和/或特定密度或体积含量包括在树脂110中以实现复合结构100中期望的纤维体积分数。例如，复合敷层102可包括导致复合结构100具有百分之30至70之间的纤维体积分数的聚合物纳米颗粒200的体积含量。
在沿着增强长丝的长度的给定的点处，可围绕增强长丝158(图5)的圆周定位聚合物纳米颗粒200(图5)，使得当以横截面观察增强长丝158时，聚合物纳米颗粒200相互周向地间隔开。一个增强长丝158上的一对聚合物纳米颗粒200之间的周向间隔可使得其与另一个增强长丝158的直接的长丝与长丝的接触是不可能的。增强长丝158还可包括聚合物纳米颗粒200的线密度使得没有一个聚合物纳米颗粒200可以与其它聚合物纳米颗粒200接触。在非限制性实例中，当从侧面观察增强长丝158时，增强长丝158可包括每单位长度的增强长丝158大约1-1000个之间的聚合物纳米颗粒200的线密度。
如上文所指示的，聚合物纳米颗粒200可以以小于长丝横截面宽度160或直径的颗粒横截面宽度202或直径提供。增强长丝158可具有至多10微米的直径。在一些实例中，增强长丝158可具有大约5-7微米的直径。聚合物纳米颗粒200具有10-200纳米的颗粒横截面宽度202。在一些实例中，聚合物纳米颗粒200可具有10-100纳米之间的横截面宽度。可选择颗粒横截面宽度202以提供导致最终复合结构100中百分之30-70的纤维体积分数的长丝间隔166。在其它实例中，可提供聚合物纳米颗粒200的量和横截面宽度使得最终复合结构100的纤维体积分数在大约百分之40-65之间。
可以以大致圆形或球形的形状提供聚合物纳米颗粒200，其可当树脂110浸渍增强长丝158时减小或最小化树脂110在聚合物纳米颗粒200上流动的限制。然而，聚合物纳米颗粒200不限于是大致圆形或球形的形状。例如，可以以未显示的其它形状提供聚合物纳米颗粒200，其包括但不限于，长形(oblong)或椭圆形(elliptical)的形状、三维形状诸如圆柱体、筒、立方体、矩形、棱锥形和其它非圆形形状。在一个实例中，可提供高长径比椭圆或立方体形的聚合物纳米颗粒(未显示)以提高增强长丝158之间的机械截留。
在一些实例中，聚合物纳米颗粒200可被配置为在固化过程期间的预定点处部分或完全地溶解在树脂110中。例如，在树脂浸渍和/或树脂固化循环周期期间，聚合物纳米颗粒200可被配置为保持在固体状态，并且从而保留其最初形状(例如，球形)直至某一点(例如，在某一温度和/或相关时间)，在其后，聚合物纳米颗粒200可以开始部分和完全地溶解在树脂110中。在一些实例中，聚合物纳米颗粒200的溶解可引起聚合物纳米颗粒200从增强长丝158释放或与其分离。
在一些实施方式中，可由具有比树脂110的韧性更高的韧性的材料组合物108(图4)形成聚合物纳米颗粒200。聚合物纳米颗粒200的溶解可导致树脂混合物112的韧性相对于缺乏聚合物纳米颗粒200的树脂110的韧性的净增大。在一个实例中，聚合物纳米颗粒200可被配置为至少直至树脂110的固化温度和/或直至完成大部分树脂流动保持其球形形状，在所述点处，聚合物纳米颗粒200可被配置为部分地或完全地溶解在树脂110中。
图6显示了嵌入树脂110中的第一长丝162和第二长丝164。第一长丝162通过聚合物纳米颗粒200与第二长丝164分开或间隔开。可以看出，颗粒横截面宽度202小于长丝横截面宽度160。在一些实例中，聚合物纳米颗粒200可连接(例如，粘合)至第一长丝162并可接触第二长丝164以维持第一长丝162和第二长丝164之间的长丝间隔166，并且防止第一长丝162直接接触第二长丝164。在其它实例中，聚合物纳米颗粒200可连接(例如，粘合)至第一和第二长丝162、164，并且可维持第一和第二长丝162、164之间的长丝间隔166，并且防止第一和第二长丝162、164之间的直接接触.。
图7显示了邻近(例如，连接或粘合至)第一长丝162的第一聚合物纳米颗粒204以及邻近(例如，连接或粘合至)第二长丝164的第二聚合物纳米颗粒206。第一聚合物纳米颗粒204也可连接(例如，粘合)至第二聚合物纳米颗粒206，其增大了第一长丝162和第二长丝164之间的长丝间隔166并可防止第一长丝162直接接触第二长丝164。复合敷层102可包括图6中所示的单纳米颗粒间隔和图7中所示的双纳米颗粒间隔的任意数量的组合。此外，复合敷层102可包括如上文所指示的非连接的或松散的纳米颗粒214，其可被嵌入纤维束150内并被增强长丝158包围。非连接的纳米颗粒214还可位于复合敷层的其他区域，诸如邻近纤维之间的层间区域，或者其它区域中，以局部地改变或改进树脂特性诸如树脂韧性。
图8是配置为皮芯型纳米颗粒208的一种类型的聚合物纳米颗粒200的示意图，并且其可连接至纤维束150(图5)的一个或多个增强长丝158。皮芯型纳米颗粒208可包括封装芯212的护套210。护套210可被配置为连接至至少一个增强长丝158。可由可形成聚合物纳米颗粒200的上述热固性材料中的任意一种形成护套210和/或芯212。在一些实例中，可由可形成聚合物纳米颗粒200的上述热塑性材料中的任意一种形成护套210和/或芯212。可由不同于芯212的材料形成护套210。在一个实例中，芯212可具有比护套210的玻璃化转变温度更高的玻璃化转变温度。
图9是皮芯型纳米颗粒208的护套210的示意图。可由热塑性材料形成护套210。可加热护套210的温度高于其玻璃化转变温度，这可允许护套210胶黏地粘合或熔化熔合至增强长丝158，同时芯212保留在固体状态中。在一些实例中，可由不溶材料形成芯212。在其它实例中，可由在固化树脂110的过程期间的某点处可溶的材料形成芯212。例如，芯212在峰值温度下和树脂固化周期中的相关时间期间可以是可溶的。
在一些实例中，护套210可被配置为在固化周期期间的某一点处溶解在树脂110中。例如，护套210可在大部分树脂流经复合敷层102发生后溶解在树脂110中。可由可具有比树脂110的韧性更高的韧性的热塑性材料形成护套210。护套210在树脂固化之前或期间还可以可溶于树脂110，并且其可导致树脂110的韧性的增大。护套210的溶解可导致在复合敷层102的树脂浸渍后皮芯型纳米颗粒208从增强长丝158释放或与其分离。以这种方式，护套210的部分或完全溶解可允许纤维床152压实以在树脂浸渍后在复合敷层102中实现更高的纤维体积分数。可选地，护套210可以不溶于树脂110并可从而维持增强长丝处于长丝间隔，以便于复合敷层在树脂浸渍后和经过树脂固化维持期望的纤维体积分数。
图10是连接至浆料168或表面涂层的非皮芯型聚合物纳米颗粒200的示意图，所述浆料168或表面涂层诸如在增强长丝158的制造期间可任选地被施加至增强长丝158。这种浆料168可包括可堆积在增强长丝158的表面上的表面涂饰剂以改进增强长丝158和树脂110之间的粘合性，和/或诸如在增强长丝158的编织(weaving)或编结(braiding)期间和/或在预浸操作期间保护增强长丝158免受破损。
在本文公开的任意实例中，至少一部分聚合物纳米颗粒200可以由具有比树脂110更高的韧性的热塑性材料形成的。聚合物纳米颗粒200可被配置为在树脂固化之前或期间溶解在树脂110中，并且可导致固化的树脂110的韧性的增大。例如，添加至基础树脂110的一部分聚合物纳米颗粒200在固化过程期间的某一点后可溶解在树脂110中，其可作为增大树脂110的韧性的手段。剩余部分的聚合物纳米颗粒200可连接至增强长丝158以向纤维床152提供期望水平的渗透性。在树脂固化或硬化过程期间，连接至增强长丝158的聚合物纳米颗粒200也可在大部分树脂流动完成后溶解。
在一些实例中，树脂混合物112可包括多于一种类型的聚合物纳米颗粒200。例如，树脂混合物112可包括两种或更多种不同类型的聚合物纳米颗粒200，诸如溶于树脂110中的一种类型的聚合物纳米颗粒200，和不溶于树脂110的另一种类型的聚合物纳米颗粒200。甚至进一步地，树脂混合物112可包括具有不同溶解度的聚合物纳米颗粒200。例如，树脂混合物112可包括引起在诸如树脂110的固化期间的不同时间的溶解的具有不同水平的溶解度的聚合物纳米颗粒200。
树脂韧性的增大可减少或防止树脂110中裂纹生长或裂纹起始的倾向。通过减小复合结构100的一个或多个位置中裂纹生长或裂纹起始的倾向，复合结构100的负荷能力可增大，其可允许复合结构100的结构质量的减小。结构质量的减小可提供数个性能优势。在航空器的情况下，结构质量的减小可对应于燃料效率、续驶里程(range)、有效负荷能力的增大或其它性能改进。
图11是图解可包括在制造复合结构100的方法300中的一个或多个操作的流程图。方法的步骤302可包括将多个聚合物纳米颗粒200连接至一个或多个增强长丝158。如上文所指示的，多个增强长丝158可被捆绑在一起以形成纤维束150。聚合物纳米颗粒200在增强长丝158的制造期间可连接至或被施加至增强长丝158。在一些实例中，随着增强长丝158从成纤装置(未示出)中拉出，聚合物纳米颗粒200可被施加至增强长丝158。
在一些实例中，随着纤维束150形成为单向带、单向片、机织物、编织纤维和其它纤维形式，聚合物纳米颗粒200可被施加至增强长丝158。聚合物纳米颗粒200还可在预浸操作期间连接至或被施加至一个或多个增强长丝158，其中树脂110被施加至纤维束、单向带、机织物、编织纤维和其它纤维形式。另外，聚合物纳米颗粒200可以以印刷图案(未示出)被系统性地添加至增强长丝158上，使得聚合物纳米颗粒200的含量穿过增强长丝158的表面变化。印刷图案可具有改变包含增强长丝158的复合结构的一个或多个性能的作用。
简单参阅图12，显示了用于连续地施加聚合物纳米颗粒200至移动的纤维束150的单独的增强长丝158的系统的一个实例的示意图。系统可包括喷嘴356和用于支持和使纤维束150穿过气体的卷流358的一对辊354，所述气体包含由喷嘴356发出的聚合物纳米颗粒200。喷嘴356可以是高压喷嘴，其随着纤维束150穿过包含聚合物纳米颗粒200的高压气体的卷流358，临时地分离或舒展增强长丝158成为分离态350。
在一些实例中，在纤维束150穿过气体的卷流前可加热纤维束150。例如，每一个辊354可连接至用于电阻加热纤维束150的电源的来源。可选地，可通过以下其它方式加热纤维束150，包括但不限于将热空气吹至纤维束上、辐射加热纤维束或其它加热方式。在一些实例中，卷流358中的聚合物纳米颗粒200可以是带电的，使得它们被吸引至分离的增强长丝158的带相反电荷的表面。聚合物纳米颗粒200与增强长丝158的加热表面的接触可导致聚合物纳米颗粒200粘合或熔化熔合至增强长丝158。在增强长丝158离开卷流358后，增强长丝158可回到纤维束150的非分离状态352。包含聚合物纳米颗粒200的纤维束150可被布置为多种不同预浸或干纤维形式(例如，单向带、机织物、编织纤维)中的任一种，用于敷层和加工为复合结构100。
在步骤302中，聚合物纳米颗粒200至增强长丝158的连接可包括将至少一部分聚合物纳米颗粒200连接至增强长丝158(例如，图6)和/或连接至其它聚合物纳米颗粒200(例如，图7)。一部分聚合物纳米颗粒200可被提供为松散或非连接的纳米颗粒214，其可非连接或非粘合至增强长丝158或至其它聚合物纳米颗粒200。例如，图5图解了树脂110中数个非连接的纳米颗粒214。如上文所指示的，这种非连接的纳米颗粒214可被嵌入纤维束150内并可与连接至增强长丝158的聚合物纳米颗粒200起相同的间隔功能。在本文公开的任意一个实例中，非连接的纳米颗粒214和/或聚合物纳米颗粒200在树脂110内可以是可溶的，以改变树脂110的性能，诸如上文提及的改进树脂加工特性和/或改进树脂110的韧性。
在一些实例中，将聚合物纳米颗粒200连接至增强长丝158的步骤可包括将皮芯型纳米颗粒208的护套210熔化熔合至一个或多个增强长丝158。芯212可具有可以比护套210的玻璃化转变温度高的玻璃化转变温度，所述护套210可由热塑性材料形成。方法可包括加热护套210至高于其玻璃化转变温度和低于芯212的玻璃化转变温度的温度。方法可进一步包括加热一个或多个增强长丝158、使皮芯型纳米颗粒208的护套210与增强长丝158接触放置、以及引起护套210粘合或熔化熔合至增强长丝158，同时芯212保留在大致固体状态。在一个实例中，如上文所提及的，方法可包括使用包含聚合物纳米颗粒200的气体喷雾的卷流358，将聚合物纳米颗粒200喷射至加热的增强长丝158上。
在仍进一步的实例中，将聚合物纳米颗粒200连接至增强长丝158的步骤可包括用第一极性的电荷为增强长丝158充电，并且用与第一极性相反的第二极性的电荷为聚合物纳米颗粒200充电。方法可进一步包括邻近增强长丝158放置聚合物纳米颗粒200，并且允许第一和第二极性之间产生的吸引力将聚合物纳米颗粒200与增强长丝158拉成为接触关系。如可以理解的，可实施用于施加聚合物纳米颗粒200至增强长丝158的其它方法。例如，可以以溶剂悬浮液提供聚合物纳米颗粒200，其可作为涂层被施加于增强长丝158。如上文所指示的，聚合物纳米颗粒200至增强长丝158的连接可在预浸操作之前或期间、和/或在使用多种不同树脂浸渍技术中的任一种的干纤维预成形的树脂浸渍之前发生。
方法300的步骤304可包括使用聚合物纳米颗粒200维持邻近的增强长丝158之间的长丝间隔166。如上文所指示的，聚合物纳米颗粒200的存在可保持增强长丝158不与另一个接触，并且从而向纤维床152提供渗透性。长丝间隔166可允许用于树脂110在增强长丝158之间流动的无障碍路径(clearpath)，使得树脂110可浸渍或浸湿纤维床152内的增强长丝158。此外，聚合物纳米颗粒200可防止增强长丝158之间的直接接触。通过减小或防止增强长丝158之间直接的长丝与长丝的接触，聚合物纳米颗粒200的存在可避免复合结构100中的局部高纤维含量的区域，否则其可导致应力集中和在这种位置处裂纹起始的可能性。
方法300的步骤306可包括用树脂110浸渍增强长丝158。如上文所指示的，方法可包括布置增强长丝158进入复合敷层102。例如，可以以堆叠构造布置干纤维复合层104。方法可包括通过上文提及的湿树脂叠铺工艺中的任一种或通过树脂膜浸渍用树脂110浸渍增强长丝158。方法可额外地包括在树脂浸渍期间维持增强长丝158之间的长丝间隔166。
方法可进一步包括在增强长丝158的树脂浸渍后在树脂110中溶解至少一部分聚合物纳米颗粒200。例如，连接至增强长丝158的一些聚合物纳米颗粒200可由在预定温度和/或在叠铺和固化过程期间的相关时间后可溶于树脂110的材料形成。方法可包括在溶解至少一部分聚合物纳米颗粒200后将增强长丝158压实在一起，作为增大复合结构100的纤维体积分数的手段。
方法300的步骤308可包括固化或硬化树脂110以形成复合结构100。在包含增强长丝158的纤维床152的树脂浸渍后，作为聚合物纳米颗粒200溶解的结果，至少一部分聚合物纳米颗粒200可与增强长丝158分离或从其释放。聚合物纳米颗粒200的溶解可允许额外的纤维床压实，使得最终复合结构100可在树脂浸渍之后和树脂固化期间实现更高的纤维体积分数。在一些实例中，相对于基础树脂110的韧性，可溶的聚合物纳米颗粒200可具有更高的韧性，导致固化复合结构100的树脂110的韧性增大。例如，一部分聚合物纳米颗粒200可由热塑性材料形成，其可在树脂固化之前或期间溶解在树脂110中，并导致固化的树脂110的韧性增大。
根据本公开内容的一个方面，提供了组合物，其包括树脂；和嵌入树脂中的多个纤维束，一个或多个纤维束包括多个增强长丝，每个增强长丝具有长丝横截面宽度，多个聚合物纳米颗粒连接至增强长丝；以及具有小于长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度的聚合物纳米颗粒。有利地，组合物是其中聚合物纳米颗粒具有10-200纳米的颗粒横截面宽度的一种。有利地，组合物是其中至少一部分聚合物纳米颗粒非连接至增强长丝或聚合物纳米颗粒的一种。有利地，组合物是其中至少部分聚合物纳米颗粒是具有封装芯的护套的皮芯型纳米颗粒；并且护套被熔化熔合至至少一个增强长丝的一种。有利地，组合物是其中护套由热塑性材料形成的一种，并且是以下的一种，可溶于树脂中并且被配置为在包含增强长丝的纤维床的树脂浸渍后与增强长丝分离；不可溶于树脂并且配置为在树脂浸渍后和经过树脂固化维持复合敷层的期望的纤维体积分数。有利地，组合物是其中至少一部分聚合物纳米颗粒由具有比树脂更高的韧性的热塑性材料形成；并且聚合物纳米颗粒被配置为在树脂固化之前和期间溶解于树脂，并且引起固化的树脂的韧性增大的一种。有利地，组合物是其中树脂和/或聚合物纳米颗粒由下列中的至少一种组成的一种：热塑性材料：丙烯酸类树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜和聚苯砜，和热固性材料：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷。
根据本公开内容的方面，提供了多个增强长丝，每个增强长丝具有长丝横截面宽度；多个聚合物纳米颗粒；具有比长丝横截面宽度小的颗粒横截面宽度的聚合物纳米颗粒；并且至少一部分聚合物纳米颗粒连接至至少一个增强长丝和/或至其它聚合物纳米颗粒。有利地，纤维束是其中聚合物纳米颗粒是大致球形的一种。
在其它实例中，方法可包括在树脂浸渍后和经过树脂固化将至少一部分聚合物纳米颗粒200维持在固体状态，并且从而在树脂浸渍后维持复合敷层102的期望的纤维体积分数。通过选择颗粒横截面宽度202和通过相对于复合敷层102的总体积选择聚合物纳米颗粒200的总体积，可在最终复合制品中维持期望的纤维体积分数。
可在制造和/或保养航空器、航天器、卫星或其它航空航天组件的方法(未示出)的上下文中描述本公开内容的说明性实施方式。预生产、组件制造和/或保养可包括航空航天组件的说明与设计以及材料采购。在生产期间，进行组件和部件制造，以及航空航天组件的系统整合。此后，为了投入运行，航空器、航天器、卫星或其它航空航天组件可经过检验和交付。
在一个实例中，由制造和保养方法生产的航空航天组件可包括具有多个系统和内部的机体。多个系统的实例可包括推进系统、电气系统、液压系统和环境系统中的一个或多个。可包括任意数量的其它系统。虽然示出的是航空航天实例，但是不同的说明性实施方式可被应用于其它工业，诸如汽车产业。
在航空航天组件制造和/或保养方法的至少一个阶段期间，可采用本文呈现的装置和方法。具体而言，在航空航天组件制造和/或保养方法的任意一个阶段期间，可制造复合结构100(例如，见图1)、涂层、注塑塑料和/或粘合剂。例如，没有限制，可在组件和部件制造、系统整合、例行维护和保养、或航空器制造和保养的其它阶段中的至少一个期间制造复合结构。仍进一步地，可在航空航天组件的一个或多个结构中使用复合结构。例如，复合结构可被包括在机体、内部、或航空器、航天器、卫星或其它航空航天组件的一些其它零件的结构中。
本公开内容的额外改变和改进对本领域普通技术人员是显而易见的。因而，本文描述和图解的部分的具体组合意欲仅表示本公开内容的某些实施方式，并且不意欲充当在本公开内容的精神和范围内的可选实施方式或装置的限制。

Claims (15)

1.纤维束，其包括：
多个增强长丝(158)，每个增强长丝具有长丝横截面宽度；
多个聚合物纳米颗粒(200)；
所述聚合物纳米颗粒(200)具有小于所述长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度；和
至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)连接至至少一个所述增强长丝(158)和/或至其它聚合物纳米颗粒(200)。
2.根据权利要求1所述的纤维束，其中：
所述多个增强长丝(158)包括第一长丝和第二长丝；
所述多个聚合物纳米颗粒(200)包括连接至所述第一长丝的第一聚合物纳米颗粒和连接至所述第二长丝的第二聚合物纳米颗粒；和
所述第一聚合物纳米颗粒接触所述第二长丝和/或所述第二聚合物纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的纤维束，其中：
所述聚合物纳米颗粒(200)具有10-200纳米的颗粒横截面宽度。
4.根据权利要求1所述的纤维束，其中所述聚合物纳米颗粒(200)由下列的至少一个组成：
热塑性材料：丙烯酸类树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚丙烯、聚氨酯、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜和聚苯砜；
热固性材料：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物(聚苯硫醚)、导电聚合物(例如，聚苯胺)、苯并嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酯、环氧树脂、硫醇和倍半硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的纤维束，其中：
至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)是具有封装芯(212)的护套(210)的皮芯型纳米颗粒(208)，所述护套由不同于所述芯的材料形成；以及
所述护套连接至至少一个增强长丝。
6.根据权利要求5所述的纤维束，其中：
所述护套(210)由熔化熔合至所述增强长丝的热塑性材料形成。
7.制造复合结构的方法，其包括：
将多个聚合物纳米颗粒(200)连接至一个或多个增强长丝(158)，每个增强长丝具有长丝横截面宽度；并且
所述聚合物纳米颗粒(200)具有小于所述长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度；和
使用所述聚合物纳米颗粒(200)维持邻近增强长丝(158)之间的长丝间隔。
8.根据权利要求7所述的方法，其中：
至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)连接至至少一个所述增强长丝(158)和/或至其它聚合物纳米颗粒(200)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)是具有封装芯(212)的护套(210)的皮芯型纳米颗粒(208)，将所述聚合物纳米颗粒(200)连接至一个或多个增强长丝(158)的所述步骤包括：
至少部分地将所述聚合物纳米颗粒(200)的所述护套熔化熔合至一个或多个增强长丝(158)。
10.根据权利要求7所述的方法，其中将所述聚合物纳米颗粒(200)的所述护套熔化熔合至所述增强长丝的所述步骤包括：
加热所述增强长丝(158)；和
使用包含聚合物纳米颗粒(200)的气体的卷流，将所述聚合物纳米颗粒(200)喷射至加热的增强长丝上。
11.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
在预浸操作之前或期间和/或干纤维预成形的树脂浸渍之前，将所述聚合物纳米颗粒(200)连接至一个或多个增强长丝(158)。
12.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
在复合敷层中布置所述增强长丝(158)；
用树脂浸渍所述增强长丝(158)；和
使用所述聚合物纳米颗粒(200)在树脂浸渍期间维持所述增强长丝(158)之间的长丝间隔。
13.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
在所述增强长丝(158)的树脂浸渍后，在所述树脂中溶解至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)；和
在溶解所述部分的所述聚合物纳米颗粒(200)后，将所述增强长丝(158)压实在一起以提高所述复合结构的纤维体积分数。
14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括：
在树脂浸渍后使至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)维持在固体状态；和
在树脂浸渍后和经过树脂固化，维持所述复合敷层的期望的纤维体积分数。
15.根据权利要求12所述的方法，其中至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)由具有比所述树脂更高的韧性的热塑性材料形成，所述方法进一步包括：
在树脂固化之前或期间，在所述树脂中溶解至少一部分所述聚合物纳米颗粒(200)；和
作为溶解所述聚合物纳米颗粒(200)的结果，相对于缺乏聚合物纳米颗粒(200)的树脂提高所述树脂的所述韧性。
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