CN111086234A - 热塑性复合材料和复合材料部件及其制造方法 - Google Patents

热塑性复合材料和复合材料部件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种热塑性复合材料和复合材料部件及其制造方法，所述复合材料包括多个层叠的纤维干布层；其中，相邻的两个所述纤维干布层之间铺设有补强片层；所述补强片层含有热塑性树脂和非连续纤维，至少部分所述非连续纤维沿所述补强片层的厚度方向延伸；至少部分所述非连续纤维的端部延伸至相邻的一层或若干层所述纤维干布层中。通过上述技术方案，本公开制得的复合材料层间剪切强度更高、机械强度更好，同时具有重量更轻的特点。

Description

热塑性复合材料和复合材料部件及其制造方法
技术领域
本公开涉及汽车轻量化领域，具体地，涉及一种热塑性复合材料和复合 材料部件及其制造方法。
背景技术
传统方法制得的热塑性复合材料整体机械性能差，用料多重量大，实现 不了应有的轻量化效果。
发明内容
本公开为了解决传统热塑性复合材料机械性能差、重量大的问题，提供 了一种热塑性复合材料和复合材料部件及其制造方法。
为了实现上述目的，本公开第一方面提供一种热塑性复合材料，所述复 合材料包括多个层叠的纤维干布层；其中，
相邻的两个所述纤维干布层之间铺设有补强片层；所述补强片层含有热 塑性树脂和非连续纤维，至少部分所述非连续纤维沿所述补强片层的厚度方 向延伸；至少部分所述非连续纤维的端部延伸至相邻的一层或若干层所述纤 维干布层中。
可选地，所述纤维干布层含有纤维干布，所述纤维干布为单轴向布、多 轴向布、编织布和针织布中的一种或几种。
可选地，所述补强片层的厚度为0.1-1mm，所述非连续纤维的长度为0.05-5mm；相邻的所述纤维干布层的铺层角度为0-90°。
可选地，所述补强片层中，所述热塑性树脂和所述非连续纤维的重量含 量之比为(80-99)：(1-20)；
所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、 聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚和聚砜中的一种或几种，所述非 连续纤维包括碳纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的 一种或几种。
本公开的第二方面提供一种复合材料部件，包括如上所述的热塑性复合 材料。
可选地，还包括加强筋和/或包边；所述包边包绕于所述复合材料部件的 边缘；所述包边的厚度为0.1-2mm。
本公开第三方面提供一种制造如上所述复合材料部件的方法，该方法包 括：
S1：将所述纤维干布和所述补强片逐层交替铺放，得到所述复合材料的 铺层结构；
S2：将所述铺层结构进行热压；
其中，所述补强片层含有热塑性树脂和非连续纤维，至少部分所述非连 续纤维沿所述补强片层的厚度方向延伸。
可选地，所述方法还包括采用如下步骤制造所述补强片层：
通过热塑性树脂浸渍连续纤维制得预浸料，将所述预浸料沿垂直于所述 连续纤维轴向的方向进行切割；或者，
将非连续纤维与热塑性树脂混合，通过挤出成型得到混合料，将所述混 合料沿垂直于所述非连续纤维轴向的方向进行切割。
可选地，该方法还包括：在步骤S1之前，将所述纤维干布进行预处理； 所述预处理包括在所述纤维干布表面涂覆表面处理剂，所述表面处理剂选自 有机硅氧烷、乳化油脂、脂肪酸酯、阳离子聚酰胺、氧化石墨烯和氧化炭黑 中的一种或几种。
可选地，该方法还包括：将所述热压得到的成型材料置于注塑模具中， 通过注塑形成加强筋和/或包边；其中所述注塑模具的注塑流道和包边流道连 通；
所述热压的温度比所述热塑性树脂的熔点高20-50℃。
本公开使用纤维干布替代传统的预浸料，通过使用非连续纤维端部延伸 至相邻的一层或若干层纤维干布层中的补强片，提升了材料的层间抗剪切强 度。本公开的制造方案操作简单，生产节奏快，同时制得的复合材料产品重 量更轻，机械性能更加优异。
本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与 下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在 附图中：
图1是本公开的热塑性复合材料的一种具体实施方式的铺层结构示意图。
图2是本公开的热塑性复合材料的一种具体实施方式的热压前示意图。
图3是本公开的热塑性复合材料的一种具体实施方式的热压后示意图。
图4是本公开的复合材料部件的一种具体实施方式的结构示意图。
图5是本公开的复合材料部件的一种具体实施方式的主视图。
附图标记说明
1.纤维干布层 2.补强片层 3.复合材料
4.加强筋 5.包边
具体实施方式
以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是， 此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。
如图1-3所示，本公开的第一方面提供一种热塑性复合材料3，复合材 料3包括多个层叠的纤维干布层1；其中，相邻的两个纤维干布层1之间铺 设有补强片层2；补强片层2含有热塑性树脂和非连续纤维，至少部分非连 续纤维沿补强片层2的厚度方向延伸；至少部分非连续纤维的端部延伸至相 邻的一层或若干层纤维干布层1中。
本公开使用纤维干布替代传统的预浸料，通过使用非连续纤维端部延伸 至相邻的一层或若干层纤维干布层1中的补强片层2，提升了材料的层间抗 剪切强度。本公开的制造方案操作简单，生产节奏快，同时制得的复合材料 3产品重量更轻，机械性能更加优异。
根据本公开，补强片层2中具有沿片层厚度方向延伸的非连续纤维，非 连续纤维可以在热压过程中随补强片层2中的热塑性树脂发生流动，从而有 效穿刺到纤维干布内部中，形成非连续纤维的两端分别延伸到相邻两个纤维 干布层1中的结构，提高制品的层间抗剪切强度。因而采用该复合材料3制 得的复合材料板材具有优异的层间抗剪切强度和整体机械性能。
在根据本公开的一种具体实施方式中，纤维干布层1含有纤维干布，本 公开对纤维干布的种类没有限制，可以为单轴向布、多轴向布、编织布和针 织布中的一种或几种；优选地，纤维干布可以为单轴向布和多轴向布中的一 种或几种。
为了使所添加的补强片层2能够更好的随热塑性树脂流动并穿刺到相邻 的一层或若干层纤维干布层1中，补强片层2中非连续纤维沿补强片层2的 厚度方向排布，并且根据纤维干布层1的厚度差异，在本公开的一种具体实 施方式中，补强片层2的厚度可以为0.1-1mm，优选地可以为0.2-0.5mm， 所用的非连续纤维的长度可以为0.05-5mm，优选地可以为0.1-3mm。
根据本公开，铺层时相邻的两个纤维干布层1之间的铺层角度可以为0-90°，例如可以为0°、15°、30°、45°、60°、75°或90°，优选为 0°、45°或90°。以满足零部件在不同方向上的承载需求。
在根据本公开的一种具体实施方式中，为了制造具有良好热塑性及补强 性能的补强片层2，在本公开的补强片层2中，热塑性树脂和非连续纤维的 重量含量之比可以为(80-99)：(1-20)，优选地可以为(85-90)：(10-15)。 其中，本公开对热塑性树脂和非连续纤维的种类没有限制，可以包括本领域 常规种类，优选地，热塑性树脂可以包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙 烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚和聚砜中的一种 或几种，进一步优选地可以包括聚丙烯、聚酰胺和聚碳酸酯中的一种或几种； 非连续纤维可以包括碳纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤 维中的一种或几种，优选地可以包括碳纤维和玻璃纤维中的一种或几种。热 塑过程中的非连续纤维可以随着热塑性树脂发生流动，从而增强纤维干布层 1和补强片层2之间的结合力，提高复合材料片层间的抗剪切强度。
如图4和图5所示，本公开第二方面提供一种含有本公开第一方面的热 塑性复合材料3的复合材料部件。
在根据本公开的一种具体实施方式中，为了提高制件的局部强度，满足 不同的使用需求，该复合材料部件还可以包括注塑形成的加强筋4，加强筋 4的形状和位置可以采用本领域常规方法设计。
根据本公开，为了进一步提高零部件的边缘质量，一种实施方式中，该 复合材料部件还可以包括包边5，这一实施方式中，可以避免边缘部位的树 脂浸润效果较差而出现的分层；包边后，可将零部件边缘部位的铺层结构进 一步压实，避免分层现象的出现；同时，包边处理可以直接获得边缘质量合 格的成品件，避免了传统热压工艺需要进行的修边等后处理操作，从而避免 对于边缘部位的切割和打磨等后处理，对零部件边缘结构的破坏。
根据本公开，加强筋4和包边5可以形成为一个整体或各自独立成形， 优选为一个整体；一种优选的实施方式中，可以使注塑模具的加强筋4流道 和包边5流道连通，以在注塑工序中形成加强筋4和包边5的一个整体结构， 提升局部刚度，获得更复杂结构的零部件，提升零部件的可设计程度，更好 的满足汽车造型设计需求。包边5可以包绕于复合材料3部件的边缘；包边 5的厚度可以为0.1-2mm，优选地可以为0.2-1mm。根据本公开，加强筋4的形状和位置可以采用本领域常规方法设计，例如图4和图5所示，加强筋 4可以沿垂直于部件表面的方向延伸，可以包括呈网格状排列的横筋和竖筋， 相邻横筋之间的距离与相邻竖筋之间的距离可以相同或不同，优选相同。在 根据本公开的一种具体实施方式中，加强筋4和包边5的结构可以是一个整 体或独立存在，优选为一个整体，以通过一个注塑工序同时成型加强筋4和 包边5，简化制作过程；注塑过程中可同时完成加强筋4的成型，提升局部刚度，获得更复杂结构的零部件，提升零部件的可设计程度，可以更好的满 足汽车造型设计需求。
本公开的第三方面提供一种制造本公开第二方面的复合材料部件的方 法，该方法可以包括：S1：将纤维干布和补强片逐层交替铺放，得到复合材 料3的铺层结构；S2：将铺层结构进行热压；其中补强片层2含有热塑性树 脂和非连续纤维，至少部分非连续纤维沿补强片层2的厚度方向延伸。
采用本方法制造的复合材料部件具有更好的层间抗剪切强度和结构刚 度，良好的轻量化效果，同时由于该制造方法直接以纤维为原材，不需要二 次加热、裁边、打磨等后处理工序使其具有制造成本低、工艺流程短、加工 效率高等特点。
根据本公开，一种实施方式中，补强片层2可以为商购产品；另一种实 施方式中，补强片层2可以通过热塑性树脂浸渍连续纤维的方式来制得连续 纤维增强热塑性树脂预浸料，然后沿着垂直于该预浸料中连续纤维轴向的方 向进行切割，得到所需厚度的补强片层2；第三种实施方式中，可以将非连 续纤维与热塑性树脂混合，通过挤出成型的方式得到混合料，然后将该混合 料沿垂直于非连续纤维轴向的方向进行切割。在这一实施方式中，挤出成型 过程中，非连续纤维在挤出作用下，会沿补强片的厚度方向取向，从而在切 割后得到沿补强片层2厚度方向的纤维。以上实施方式中，对于切割的方式 没有限制，可以为本领域常用的激光切割、水切割或机械切割等方式。
在根据本公开的一种具体实施方式中，该方法还可以包括：在步骤S1 之前，将纤维干布进行预处理；预处理包括在纤维干布表面涂覆表面处理剂， 表面处理剂选自有机硅氧烷、乳化油脂、脂肪酸酯、阳离子聚酰胺、氧化石 墨烯和氧化炭黑中的一种或几种，优选地可以为氧化石墨烯、有机硅氧烷和 氧化炭黑中的一种或几种。涂覆表面处理剂后的纤维干布层1可以与补强片 层2中的树脂更加有效的浸润。
在根据本公开的一种具体实施方式中，为了提升制件的局部强度，获得 更复杂结构的零部件，该方法还可以包括：将热压得到的成型材料置于注塑 模具中，通过注塑形成加强筋4。加强筋4的形状和位置可以采用本领域常 规方法设计。
根据本公开，为了进一步提高零部件的边缘质量，一种实施方式中，可 以将热压得到的成型材料置于注塑模具中，通过注塑形成包边5。这一实施 方式中，可以避免边缘部位的树脂浸润效果较差而出现的分层；包边后，可 将零部件边缘部位的铺层结构进一步压实，避免分层现象的出现；同时，包 边处理可以直接获得边缘质量合格的成品件，避免了传统热压工艺需要进行 的修边等后处理操作，从而避免对于边缘部位的切割和打磨等后处理，对零 部件边缘结构的破坏。
根据本公开，加强筋4和包边5的材料可以相同或不同，优选相同；一 种优选的实施方式中，注塑模具的加强筋4流道和包边5流道连通，以通过 一个注塑工序同时成型包边5和加强筋4。注塑过程中可同时完成加强筋4 成型，提升局部刚度，获得更复杂结构的零部件，提升零部件的可设计程度， 可以更好的满足汽车造型设计需求。通过该方法制造的复合材料部件如板类、 梁类零部件，并可用于汽车结构件、覆盖件或支撑件等，如图4及图5所示。 为了使热塑性树脂在热压过程中熔化并具有较好的流动性，并在压力作用下 浸润到纤维干布内，增强补强片层2与纤维干布层1间的结合力，同时使得 补强片层2中的非连续纤维能够在热塑性树脂中流动，热压的温度比热塑性 树脂的熔点高20-50℃，优选地可以高30-45℃。
下面通过实施例来进一步说明本公开，但是本公开并不因此而受到任何 限制。
实施例1
选取连续碳纤维增强热塑性树脂(聚酰胺-尼龙6，熔点为225℃)预浸 料，预浸料中树脂与纤维的重量含量之比为85:15。通过激光切割的方式， 沿垂直于纤维轴向的方向对预浸料进行切割，将预浸料切割成厚度为0.5mm 的补强片，补强片内的纤维长度在0.1-3mm范围内呈正态分布，纤维在补强 片内基本沿厚度方向延伸；
选用碳纤维单轴向布干布，在干布表面涂覆由氧化石墨烯浆料与氧化炭 黑混合的表面处理剂，完成干布的表面改性；
将12层表面改性处理后的碳纤维干布按照正交的方式(即相邻干布间 的铺层角度为90°)进行铺层，相邻干布层之间铺放制造好的补强片；
将铺层好的干布与补强片一同放入热压模具中，在260℃条件下进行热 压，制得复合材料板材；
将复合材料板材移入注塑模具中，实现加强筋4和包边5的注塑成型， 完成复合材料部件的制造，其包边5宽度为1mm。如图4和图5所示，加 强筋4包括呈网格状排列的横筋和竖筋，相邻横筋之间的距离与相邻竖筋之 间的距离相同。
实施例2
按照实施例1的步骤制造复合材料3，与实施例1不同的是：预浸料中 树脂与纤维的重量含量之比为50:50。
实施例3
按照实施例1的步骤制造复合材料3，与实施例1不同的是：将预浸料 切割成厚度为1.2mm的补强片，补强片内的纤维长度在0.03-7mm范围内呈 正态分布。
对比例1
按照实施例1的步骤制造复合材料3，与实施例1不同的是：不使用补 强片，改用碳纤维增强尼龙6预浸料进行零部件的制作，预浸料的纤维和树 脂的用量之比与实施例1中相同。
对比例2
按照实施例1的步骤制造复合材料3，与实施例1不同的是：通过模压 工艺来制造复合材料部件，不使用补强片，也不进行加强筋4和包边5的注 塑成型。
测试例1
在实施例1-3和对比例1-2得到的零部件上，切割150mm×20mm×3.2mm 尺寸的双悬臂梁试件以及150mm×20mm×3.2mm尺寸的端部缺口弯曲试件， 并分别进行双悬臂梁实验和端部缺口弯曲实验，测试方法参照ASTM D5528-13和ASTM D7905/D7905M-14。每组实验测量3次，分别记录各实 验组的I型层间断裂韧性值和Ⅱ型层间断裂韧性值。测试结果见表1。
表1各实验组的I型层间断裂韧性值和Ⅱ型层间断裂韧性值
Figure BDA0002315754710000101
测试例2
分别对实施例1-3和对比例1-2中得到的零部件的重量和扭转刚度进行 测试，扭转刚度的测试方法参照GB/T10128-2007，比刚度定义为扭转刚度 与重量的比值，测试结果见表2。
表2零部件比刚度对比
Figure BDA0002315754710000102
从测试例结果可以看出，对比例1中未使用补强片的复合材料零部件的 层间断裂韧性值明显小于本公开，而对比例2未使用注塑加强筋和包边的零 部件的扭转刚度和比刚度明显小于本公开。同样可以看出，在相同材料用量 的情况下，本公开的复合材料零部件具有更好的层间断裂韧性值和比刚度。
以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限 于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开 的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征， 在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的 重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其 不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (10)

1.一种热塑性复合材料，其特征在于，所述复合材料包括多个层叠的纤维干布层；其中，
相邻的两个所述纤维干布层之间铺设有补强片层；所述补强片层含有热塑性树脂和非连续纤维，至少部分所述非连续纤维沿所述补强片层的厚度方向延伸；至少部分所述非连续纤维的端部延伸至相邻的一层或若干层所述纤维干布层中。
2.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述纤维干布层含有纤维干布，所述纤维干布为单轴向布、多轴向布、编织布和针织布中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的复合材料，其中，所述补强片层的厚度为0.1-1mm，所述非连续纤维的长度为0.05-5mm；相邻的所述纤维干布层的铺层角度为0-90°。
4.根据权利要求1或3所述的复合材料，其中，所述补强片层中，所述热塑性树脂和所述非连续纤维的重量含量之比为(80-99)：(1-20)；
所述热塑性树脂包括聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚甲醛、聚碳酸酯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚和聚砜中的一种或几种，所述非连续纤维包括碳纤维、聚乙烯纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维和玻璃纤维中的一种或几种。
5.一种复合材料部件，其特征在于，包括权利要求1-4中任意一项所述的热塑性复合材料。
6.根据权利要求5所述的复合材料部件，其中，还包括加强筋和/或包边；所述包边包绕于所述复合材料部件的边缘；所述包边的厚度为0.1-2mm。
7.一种制造权利要求5或6所述的复合材料部件的方法，其特征在于，该方法包括：
S1：将所述纤维干布和补强片逐层交替铺放，得到所述复合材料的铺层结构；
S2：将所述铺层结构进行热压；
其中，所述补强片层含有热塑性树脂和非连续纤维，至少部分所述非连续纤维沿所述补强片层的厚度方向延伸。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述方法还包括采用如下步骤制造所述补强片层：
通过热塑性树脂浸渍连续纤维制得预浸料，将所述预浸料沿垂直于所述连续纤维轴向的方向进行切割；或者，
将非连续纤维与热塑性树脂混合，通过挤出成型得到混合料，将所述混合料沿垂直于所述非连续纤维轴向的方向进行切割。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，该方法还包括：在步骤S1之前，将所述纤维干布进行预处理；所述预处理包括在所述纤维干布表面涂覆表面处理剂，所述表面处理剂选自有机硅氧烷、乳化油脂、脂肪酸酯、阳离子聚酰胺、氧化石墨烯和氧化炭黑中的一种或几种。
10.根据权利要求6所述的方法，其中，该方法还包括：将所述热压得到的成型材料置于注塑模具中，通过注塑形成加强筋和/或包边；其中所述注塑模具的注塑流道和包边流道连通；
所述热压的温度比所述热塑性树脂的熔点高20-50℃。
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