CN110769995A - 通过编织产生的干燥预成型坯的制造方法、由使用所述预成型坯的复合材料制成的产品的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制造可转化的干燥预成型坯的方法，所述干燥预成型坯特别用于生成由复合材料制成的产品，其特征在于其包括以下步骤的序列：同时纬编/纵行编织至少一根线步线和至少一根单向增强丝线，至少一根线步线包含其性质不同于至少一根单向增强丝线中包含的材料的性质的材料，所述材料中的至少一种是热塑性的，并且其熔点低于至少一种称为增强材料的其它材料的熔点，生成三维编织物，其构成要获得的产品形状的干燥预成型坯。
Description
本发明涉及制造通过编制产生的干燥预成型坯（preform）的方法，特别是用于产生由复合材料制成的部件的方法。
该方法还涉及使用以这种方式获得的干燥预成型坯产生复合材料制成的产品。
复合材料与许多技术领域相关。实际上，复合材料涉及包含增强件和基质的材料，所述增强件嵌在所述基质中。
由此，增强的混凝土可以被认为是一种复合材料。实际上，混凝土的内在品质平淡无奇，和增强件（其由钢或合成材料制成，并集成到混凝土基质中）与混凝土基质自身相比产生截然不同且非常优异的性能。
获自树脂基质和合成材料（通常为聚合物，但也可能是金属）制成的增强件的复合材料基于相同的一般原理。
尽管原理是公知的，增强件的类型、布置、几何形状、材料的组合、增强件在最终部件中的定位尤其代表了可以控制并由此导致不可胜数的解决方案的众多参数。
还必须考虑成本、工业生产、耐用性、可再现性和品质控制的方面。
解决方案因此最为复杂。
本发明涉及复合材料领域，无论应用的技术领域如何，无论所用基质如何，仅有的条件是通过编织产生该预成型坯。
本发明涉及产生可转化的、干式编织（dry knitted）的预成型坯，其混入了包含意在构成该复合材料的最终基质的全部或一部分的材料的丝线。
根据本发明，可转化的、干式编织的预成型坯是一种增强件，制成该增强件的材料的至少一部分能够通过状态变化、通过修改初始结构来转化（transform），由此不再能以分离方式确定以这种方式获得的复合材料产品中的转化材料。
有机复合材料包含矿物合成纤维，如玻璃，或有机纤维，其构成该增强件并嵌在基质中，其组成包括至少一种有机树脂。
用于制造按照给定计划成形的最终产品的技术是多种多样的。
铺设包括在模具的第一部分的内表面上布置至少一种非织造纤维垫的至少一个层，和/或获自机织纤维的至少一种纺织品，从而赋予该增强件一般形状。随后，关闭模具的第二部分，并随后在压力下在各个选定点处注入该基质的树脂组合物，或在组装件上布置气囊，和通过在所述气囊的各个选定点处产生真空来引入该树脂。这些不同的注入点或真空抽吸点用于实现树脂的完美分布，不具有截留的气泡，并有助于树脂流过该增强件。
由复合材料制成的产品具有一个重要的优点，即能够具有高度变化和非常复杂的几何形状。
在使用机织或非织造纤维生成增强件的情况下，一旦形状复杂的话，必须切出各种块件并重叠它们以确保保持机械强度，并增加局部增强件，这使得实施变得复杂。此外，由于纤维不连续，机械强度并不完美。
丝线的2D或3D编织使得能够产生可以直接覆盖在2D或3D形式上的复杂产品，确保在整个获得的编织产品中丝线的连续性。
目的是能够直接并用单一编织产品来产生由复合材料制成的3D产品。
本发明的目的是提供一种如下文定义的可转化的、干式编织的预成型坯。
通过本发明的方法获得的可转化的、干式编织的预成型坯包含增强件，并且其在转化后将成为涂覆和/或浸渍树脂，或甚至该复合材料的基质。
制造可转化的干燥预成型坯，特别是用于产生由复合材料制成的产品的方法的特征在于包括以下步骤的序列：
- 同时纬编/纵行编织（wale knitting）至少一根线步线和至少一根单向增强线，至少一根线步线包含一种材料，该材料的性质不同于至少一根单向增强线中包含的材料的性质，所述材料中的至少一种是热塑性的，并且其熔点低于至少一种其它材料（称为增强材料）的熔点，
- 产生三维编织物，其构成具有要获得的产品的形状的干燥预成型坯。
本发明还覆盖了制造由复合材料制成的产品的方法，所述复合材料使用本发明的干燥预成型坯获得，该方法包括以下步骤的序列：
- 将所述预成型坯放置在具有要产生的产品的轮廓的模型上，
- 加热至至少最低熔点，以便用至少一种通过熔融转化的热塑性材料浸渍和/或涂覆增强材料，和
- 冷却以这种方式获得的产品。
线步线理解为是构成该编织物的线步的丝线。在纬编/经编中，这些线步被下面的线径的线步集中。
单向增强线（或UD丝线）是插入编织物的线步中的丝线，放置并固定在线步中而不与线步啮合（engaging）。
热塑性材料应理解为是一种聚合物材料，其可以在复合材料的生产过程中熔融，由此形成所述复合材料的全部或一部分基质。热塑性材料的实例是聚丙烯和聚碳酸酯。
增强材料应理解为是在复合材料生产过程中不会熔融的材料，其因此意在形成该复合材料的增强件。增强材料包括玻璃、碳、石英和某些高温塑料如芳族聚酰胺（例如Kevlar®）。
丝线，无论是UD丝线或是线步线，均可以由热塑性材料或增强材料制成。在下面的详述中，术语“材料”因此可以用“丝线（thread）”来代替。或者，丝线可以包含多种材料，特别是增强材料和热塑性材料。
根据该方法的一个特征，同时编织单根线步线和单根UD丝线。该线步线和/或该UD丝线可以独立地由单一材料制成，或包含多种材料。例如，该线步线由增强材料制成，和该UD丝线包含热塑性材料和增强材料。根据另一实例，该线步线包含热塑性材料和增强材料，和该UD丝线由增强材料制成。
根据该方法的另一特征，同时编织多根线步线和/或多根UD丝线。由此，该编织物的线步可以由多根线步线形成。类似地，可以将多根UD丝线引入该编织物中。多根优选为2至10根，特别是2至6根。所有组合均是可能的，例如多根线步线（例如2或3根）与单根UD丝线，多根UD丝线（例如2至6根）与单根线步线，或多根线步线与多根UD丝线。所述多根UD丝线可以有利地包含至少一根包含热塑性材料或由热塑性材料组成的丝线和至少一根包含增强材料或由增强材料组成的丝线。所述多根线步线可以包含至少一根包含热塑性材料或由热塑性材料组成的丝线和至少一根包含增强材料或由增强材料组成的丝线。或者所述多根线步线可以由包含热塑性材料或由热塑性材料组成的丝线组成。所述多根线步线还可以由包含增强材料或由增强材料组成的丝线组成。这里，所有的组合也是可能的，可以提及的一个实例是多根包含至少一根热塑性丝线和至少一根增强线的UD丝线与多根同样包含至少一根热塑性丝线和至少一根增强线的线步线，或多根包含至少一根热塑性丝线和至少一根增强线的UD丝线与单根由增强材料组成的线步线。
如前所示，丝线可以由一种材料组成，或可以包含多种材料。
根据第一实施方案，该线步线和该UD丝线或各UD丝线各自由不同的材料组成，一种是热塑性材料，和另一种是增强材料。通常，该线步线可以由热塑性材料组成，和该UD丝线可以由增强材料组成。
根据第二实施方案，至少一根UD丝线，特别是单根UD丝线，包含至少一种增强材料和至少一种热塑性材料，和特别是由增强材料和热塑性材料组成。在这种情况下，该（或至少一根）线步线可以由增强材料组成，或可以由热塑性材料组成，或也可以包含增强材料和热塑性材料。
根据第二实施方案的第一变体，该UD丝线包含增强材料的丝线，在其周围缠绕着热塑性材料的丝线。可以提及的实例是在其周围缠绕着聚丙烯丝线的玻璃丝线、碳丝线或芳族聚酰胺丝线。
根据第二实施方案的第二变体，该UD丝线包含被热塑性鞘包围的增强材料的丝线。该UD丝线例如可以通过以下方法获得：使增强材料制成的丝线穿过熔融的热塑性材料的浴，随后共挤出该组装件。可以提及的实例是被聚丙烯鞘包围的玻璃丝线、碳丝线或芳族聚酰胺丝线。
根据第二实施方案的第三变体，该UD丝线可以包含多根至少一种增强材料的长丝与多根至少一种热塑性材料的长丝的紧密混合物。一种可能的实例是由碳或芳族聚酰胺长丝和聚丙烯长丝的紧密混合物组成的丝线。
无论所选变体如何，第二实施方案是优选的，因为热塑性材料可以在产生复合材料的过程中更深地渗透，这避免了形成干燥区域。这使得力可以更好地传动到增强件，和由此获得最终复合材料的更好的机械强度。该第二实施方案还能增加预成型坯中热塑性材料的量。
在编织过程中引入至少一根单向增强线，以便在该单向丝线的方向上改善该复合材料的机械性质。可以引入单根UD丝线，或多根UD丝线，特别是两根UD丝线。
根据一个特征，编织能够引入被称为称为UD 90°丝线的单向增强线，也就是说纬线。这些丝线在横向上铺设，而不与线步啮合，保持在所述线步中。
这些单向增强线改善了纬线方向上的机械性质。
根据另一特征，其可以与前述特征组合，还集成了被称为UD 0°丝线的单向增强线，也就是说在纵向上。这些丝线在纵向上铺设，垂直于纬线，不与线步啮合，而是简单地被线步固定。
根据本发明，该预成型坯集成了设计为形成增强件的材料和设计为形成全部或一部分基质的材料，由此获得了由复合材料制成的产品，其可甚至在某些应用中能够省略注塑和/或灌注树脂的步骤。实际上，如果由该丝线（线步线或UD丝线）提供足够量的热塑性材料的话，可以在不添加树脂的情况下通过加热该预成型坯来获得该复合材料。
热塑性材料在该预成型坯中的比例优选为10至90重量%、特别是50至70重量%。上文描述的第二实施方案能够获得大量的热塑性材料。
热塑性聚合物制成的丝线是合成丝线，其机械性质使得能够对其进行编织。
热塑性丝线具有低剪切敏感性，并且它们的拉伸强度足以用于编织机。
该丝线放置在相同的导丝器中，或在纬线方向上编织至少一根，和在编织物（knit）方向上编织至少另外一根。
编织该丝线以形成三维编织物，其构成具有要获得的产品的3D轮廓的预成型坯。
为此，可以使用直型（straight-type）纬编机。
通过所述丝线的供应，特别是通过丝线的直径或通过改变UD丝线中热塑性材料的比例（如果后者含有热塑性材料的话）来管理至少两种不同材料或丝线的比。
这使得能够通过选择丝线、丝线的供应、布料的密度，或通过改变UD丝线中热塑性材料的比例（如果后者含有热塑性材料的话）来管理基质/增强件的比（增强材料与热塑性材料之间的比）。
该比率的准确性是重要的，和尤其是精确控制至少两种材料在产品整个表面上的分布。
该干燥预成型坯具有三维形状。优选地，其形状为圆锥形或圆柱形。其特别可以是具有圆形或矩形截面的柱体。
该干燥预成型坯可以包含多个线步线和/或UD丝线的性质不同的区域（例如2个、3个或更多）。这使得能够根据区域和根据复合材料的最终用途来调整预成型坯的性质，特别是机械性质。例如，该预成型坯可以包含由第一线步线和第一UD丝线形成的第一区域，和由第二线步线和第二UD丝线形成的第二区域，第一UD丝线的性质不同于第二UD丝线的性质，和/或第一线步线的性质不同于第二线步线的性质。
使用生成的干燥预成型坯制造由复合材料制成的产品的方法随即包括将所述可转化的干燥预成型坯放置在具有要获得的产品的轮廓的模型上，该模型可以是刚性的或在形状复杂时是可充气的，以便能够从中移除。
根据本发明的方法，将获得的编织的干燥预成型坯加热至至少一种所用热塑性材料（特别是丝线）的熔点，也就是说加热至所述至少一种热塑性材料为粘性或甚至液体的温度，使得其可以涂覆或渗透该预成型坯的至少一种其它材料（特别是丝线），或甚至使所述材料（特别是丝线）嵌在所得热塑性基质中。在多种具有不同熔点的材料的情况下，要使用的温度时所需材料为粘性但低于应保持固态的材料的熔点的温度。
该方法规定在转化后、在超过至少一种热塑性材料的熔点后冷却该预成型坯，以获得刚性、半刚性或柔性的产品，其具有要获得的产品的轮廓。该刚性、半刚性或柔性的特征取决于比率（或热塑性材料的含量）：如果热塑性材料的量低，且仅浸渍所述至少一种其它材料，柔性将高；如果热塑性材料的量非常高，和导致丰富地涂布，刚性将较高。
根据本发明的一个优选实施方案，制造该复合材料的方法不包括加入树脂（特别是通过注塑和/或灌注）的步骤。该预成型坯直接使用，调整材料的比以获得所需机械性质，该至少一种热塑性材料或丝线随后在转化后形成该基质，和至少一种增强材料形成增强件。在刚性预成型坯的情况下这是可能的，也就是说含有足够比例的热塑性材料（通常至少30或40重量%）。
该初始干燥预成型坯在转化并从模型中移除该预成型坯之后成为该3D产品。
根据另一较少优选的实施方案，将该预成型坯集成到树脂基质中。为此，将转化的预成型坯集成在用于注塑的模具中或在用于灌注的气囊下方，以便将所述预成型坯集成到包含至少一种树脂的基质中，该树脂设计为随后聚合以获得具有所需轮廓的由复合材料制成的产品。当预成型坯主要由增强材料组成，形成增强件，具有极小比例的热塑性材料时，这可能是必要的。该增强件随后是刚性或半刚性的，但是也可以是柔性的，并仅包含被所述至少一种热塑性聚合物涂覆或浸渍的丝线。
增强件可能嵌在其中的树脂必须与该热塑性材料和增强材料相容。该树脂例如是环氧树脂。
该预成型坯可以与含有水硬性粘合剂的矿物材料结合用于生成建筑用复合材料，或用于装饰工程，但主要用于航空、医疗和家具领域，该列表完全是非限制性的，并且不具有限制性。
下面的实施例提供了本发明的非限制性描述。
实施例1
通过同时编织以下材料获得了圆锥形的三维干燥预成型坯：
- 在线步中，玻璃丝线（线质量34 tex，也就是说34 mg/m）和聚碳酸酯丝线（60 tex）
- 在纬线中，三根玻璃UD丝线（100 tex）和3个聚碳酸酯UD丝线（60 tex）。
由此，该编织物包含多根线步线（在这种情况下为2根），包括由增强材料制成的丝线和由热塑性材料制成的丝线，以及多根UD丝线（在这种情况下为6根），包括由增强材料制成的丝线和由热塑性材料制成的丝线。
该编织物可以在不添加树脂的情况下转化为复合材料。
实施例2
通过同时编织以下材料获得了圆管形状的三维干燥预成型坯：
- 在线步中，Kevlar®丝线（89 tex）
- 在纬线中，UD Kevlar®丝线（158 tex）和2根UD PEI丝线（132 tex）。
由此，该编织物包含单根由增强材料制成的线步线和多根UD丝线（在这种情况下为3根），包括一根由增强材料制成的线和两根由热塑性材料制成的丝线。
该编织物可以在不添加树脂的情况下转化为复合材料。
Claims (10)
1.制造可转化的干燥预成型坯的方法，所述干燥预成型坯特别用于生成由复合材料制成的产品，其特征在于其包括以下步骤的序列：
- 同时纬编/纵行编织至少一根线步线和至少一根单向增强线，至少一根线步线包含一种材料，该材料的性质不同于至少一根单向增强线中包含的材料的性质，所述材料中的至少一种是热塑性的，并且其熔点低于至少一种称为增强材料的其它材料的熔点，
- 生成三维编织物，其构成要获得的产品形状的干燥预成型坯。
2.如权利要求1所要求保护的制造干燥预成型坯的方法，其中所述至少一根单向增强线在纬线中在横向方向上引入，铺设并保持在线步中，而不与线步啮合。
3.如权利要求1或2所要求保护的制造干燥预成型坯的方法，其中所述至少一根单向增强线在纵向上引入，铺设并保持在线步中，而不与线步啮合。
4.如前述权利要求之一所要求保护的制造干燥预成型坯的方法，其中多根线步线和/或多根单向增强线同时编织。
5.如前述权利要求之一所要求保护的制造方法，其中至少一根单向增强线包含至少一种增强材料和至少一种热塑性材料。
6.能通过如前述权利要求之一所要求保护的方法获得的干燥预成型坯。
7.制造由复合材料制成的产品的方法，所述方法使用通过实施如权利要求1至5任一项所要求保护的方法获得的干燥预成型坯，其特征在于下列步骤的序列：
- 将所述预成型坯放置在具有要生成的产品的轮廓的模型上，
- 加热至至少最低的熔点温度，以便用至少一种通过熔融转化的热塑性材料浸渍和/或涂覆所述至少一根由至少一种其它材料制成的其它丝线，并
- 冷却以这种方式获得的产品。
8.如前述权利要求所要求保护的制造由复合材料制成的产品的方法，其中将所述预成型坯集成到树脂基质中。
9.如权利要求7所要求保护的制造由复合材料制成的产品的方法，其不包含添加树脂的步骤。
10.能通过权利要求7至9之一的方法获得的复合材料。
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