CN112243449B - 超薄预浸料片材及其复合材料 - Google Patents

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Abstract

披露了新颖的超薄单向预浸料带。它们可用于生产超薄织造、斜纹、多向、短切取向等类型的预浸料。这些超薄预浸料能够生产具有良好受控的尺寸公差和光滑/均匀表面的复合材料产品。进一步，它们使复合材料产品的生产相对更简单、更整齐、更快速和经济。所获得的复合材料产品相对更薄、更轻并且机械性能更高。

Description

超薄预浸料片材及其复合材料
技术领域
本发明总体上涉及称为预浸料的用基质材料预浸渍的纤维/织物增强材料，以及它们的复合材料。特别地，本发明涉及由带构成的新颖的超薄预浸料片材，用于制造具有相对更大的优势和便利性的复杂几何形状的复合材料产品。
背景技术
预浸料在复合材料的制造中已经广泛使用了数十年。随着复合材料在许多领域的使用增长，也伴随着对制造具有复杂几何形状且经济的产品的需求。各种类型的可用纺织品增强材料相对较厚，并且有时比需要的长得多，当想要产生具有复杂几何形状的复合材料零件时会出现悬垂困难。需要克服该问题以允许更多地使用复合材料，尤其是在用于运输的装置中以减少CO2排放并提高能源利用。复合材料在运输应用中的使用还需要它们提高安全性，能够相对快速地或在短周期时间内大量生产，符合制造的便利性并具有低的生产成本。
因此，为了能够生产复杂几何形状的复合材料零件并经济地制造，有必要使用薄的纺织品增强材料。对于给定的应用和情况，连同使用最合适长度的增强材料，薄的增强材料能够实现，例如在狭窄的弯角、在非常小半径的弯曲/边缘上、在同时多个曲率上等的最佳的悬垂。然而，使用此类薄的纺织品增强材料是麻烦、繁琐且昂贵的。此外，传统的干的‘薄’纺织品增强材料片材，无论他们是包含连续纤维的单向、织造、多向等类型，或者甚至包含随机取向的切割/短切纤维的有机类型，都是相对厚的，典型地为约0.15至0.2mm。此类短切纤维有时也倾向于比需要的长，例如比20mm长。包含多个此类所谓的‘薄’增强材料和基质材料的预浸料片材倾向于甚至更厚，典型地为约0.25至0.3mm。由于当被迫使成为复杂的几何形状时树脂或基质材料的破裂，此类可用的“薄”预浸料片材也具有横向开裂的趋势，从而产生间隙并降低材料的性能和可靠性。
为了产生改善的面内各向同性特性并减少开裂，‘薄’单向连续纤维束通常以相互不同的多向取向铺放，在预浸料片材中通常为四个取向(0°，90°，±45°)。预浸料片材中四种增强材料的这种堆叠布置的组合厚度恰好为至少0.6至1mm。铺放更多数量的此类片材会使堆叠相应地变厚。由此可见，目前对平面各向同性复合材料的生产存在限制，该复合材料包括总厚度小于0.5mm(例如0.08至0.16mm)的四种增强材料，这比目前可用的至少薄80％。进一步，可用的‘薄’预浸料片材中相对较高含量的树脂降低了纤维的体积分数并增加了它们的面积重量。该限制也适用于有机类型的预浸料，其中所用的四层纤维束或织物的短切/切割片的厚度为至少0.5至1mm。为了能够生产薄的面内各向同性复合材料，使用超薄增强材料是必要的。
因为所铺放的连续纤维(如以单向、织造、斜纹、多向织物等)和短切/切割片(如以有序或随机取向布置)在一个或多个位置以相互不同的取向重叠，它们倾向于在所得预浸料中产生一些卷曲。由纤维束产生的卷曲角度可以从大到小变化，这取决于预浸料中堆叠在另一个纤维束上方/下方的纤维束的片的相对厚度和/或数目。当一个纤维束与另一个纤维束重叠时，卷曲角度最小，对于纤维束之间给定的角度形成距离，该卷曲角通常为约4°至8°。如果单个短切纤维束恰好位于多于一个纤维束的上方/下方，则它有时会显示出甚至多于一个的卷曲角度。为了实现更高的材料特性，重要的是通过使用超薄增强材料使卷曲角度尽可能低，例如小于3°。低的卷曲角度有利于实现高的面内刚度。低的卷曲角度减少了重叠纤维之间的面外偏差角，并使得能够实现更接近完美直纤维的最大可能的刚度，例如在复合材料层压板中。
另一个迄今为止尚未考虑的重要方面是通过使用刚性碳纤维，尤其是超高模量碳纤维(UHMCF)，比如沥青型碳纤维，来提高薄复合材料的机械特性。没有使用UHMCF，因为它们在受到横向力时会变脆和断裂。可用的所谓的“薄”UHMCF预浸料是使用相对较厚的束生产的，因此它们的极限性能在薄复合材料中大多未得到利用。此类‘薄’预浸料不包含并且不能包含UHMCF的铺展纤维。
进一步，迄今为止被忽略的还另一个方面是，由于所采用的施加树脂的方法完全覆盖和过度浸透纤维片材，因此在可用的“薄”预浸料中出现过量的树脂或基质材料。所施加的树脂的量不足以刚好浸湿纤维。此外，施加树脂的方式不是使其以合适的图案分布，以便在施加热和压力来浸湿纤维时促进其快速铺展和相互聚结/合并。因此，尚不知道一种通过在一些区域以合适的图案布置的包含刚好足够量的树脂的预浸料，该预浸料能够随后快速铺展以浸湿纤维，并在其他区域干燥纤维。
进一步，相对厚的预浸料在相邻铺放的预浸料片材的纤维之间存在不必要的相对过量的树脂。过量的树脂增加了板层的组成纤维之间的距离。这种增加的距离反过来：(a)在铺放的片材中产生了高的面外剪切应力，导致板层之间的基质开裂(分层)，这降低了复合材料的性能和可靠性，以及(b)在压制成型过程中，由于铺放纤维出现在相互不同的取向和平面上，造成纤维(尤其是内层纤维，特别是在狭窄的弯曲处)的屈曲/扭结和断裂，这再次导致特性下降。需要防止或最小化纤维(尤其是脆性类型，像UHMCF)的扭结和断裂，以更好地实现它们的特性，并且从而提高复合材料的性能。因此，铺放的预浸料片材的纤维之间的距离应尽可能的小。为了使铺放的纤维能够相互滑动，仅需要非常薄的树脂层/膜充当滑动面。
使用包含以随机取向布置的短切/切割束的片或预浸料的预浸料片材，例如，如EP2796604、EP 2671991、EP 2669081、EP 3013546、EP 2716693等中所述，被认为是产生复杂几何形状的零件的途径，自然也具有上述所有缺陷。
因此，需要一种改进的预浸料片材，以解决至少一些现有技术的如上讨论的缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的预浸料片材，以及包括此类预浸料片材的多层布置，以减轻至少一些与先前已知的解决方案有关的如上讨论的问题。
该目的是通过所附权利要求中限定的预浸料片材和多层布置来实现的。
根据本发明的第一方面，提供了一种预浸料片材，其包含纤维增强材料和热固性或热塑性基质材料，其中该纤维增强材料包括单向铺展纤维并且该预浸料片材具有小于100微米的厚度。
在一个实施方案中，该厚度在10-70微米的范围内并且优选在15-50微米的范围内、并且最优选在20-40微米的范围内。
在一个实施方案中，该预浸料片材呈带的形式，具有超过5mm的长度和超过2mm的宽度。
在一个实施方案中，其纤维的卷曲角度小于3度、并且优选小于2度。
在一个实施方案中，该预浸料片材内的纤维的体积分数为40％或更大、并且优选50％或更大、并且最优选60％或更大。
在一个实施方案中，预浸料片材内的纤维的体积分数等于或小于90％。
在一个实施方案中，基质材料的重量在该预浸料片材的总重量的5％-50％的范围内、并且优选在20％-50％的范围内、并且最优选在20％-40％的范围内。
在一个实施方案中，预浸料片材具有在5-100g/m2的范围内、并且优选10-80g/m2、并且最优选15-50g/m2的纤维面积重量。
在一个实施方案中，这些纤维包括碳纤维、并且优选超高模量碳纤维(UHMCF)。
在一个实施方案中，该热固性基质材料在第一温度以下为固态，并且在所述温度以上为软的且发粘的，并且其中当在第二温度以上加热一定的持续时间时，该基质材料不可逆地固化，其中该第一温度为20℃或更高，并且其中该第二温度高于所述第一温度。
在一个实施方案中，基质材料以连续或不连续线的形式提供，其至少部分地在不同于纤维方向的方向上延伸。
在一个实施方案中，基质材料以断开的点或斑点的形式提供。
在一个实施方案中，热固性或热塑性基质材料以附接到纤维增强材料的至少一个表面上的层的形式提供，所述层设置有孔或开口，用于穿过所述层暴露增强材料的纤维。
根据本发明的另一个方面，提供了一种多层布置，其包括至少两个如上讨论的类型的预浸料片材，其中这些预浸料片材至少部分地彼此重叠布置，并且其中这些重叠的预浸料片材的纤维以相互不同的方向取向。
在一个实施方案中，预浸料片材中的至少一些是在多层布置的整个宽度和/或长度上延伸的带。
在一个实施方案中，预浸料片材中的至少一些是短带，其优选具有5-80mm的长度和2-30mm的宽度、并且最优选20-50mm的长度和5-20mm的宽度。
根据本发明的还另一个方面，提供了如上讨论的预浸料片材用于制造复合材料的用途。
应当注意，如上讨论的，本发明至少部分地通过提供预浸料片材(优选呈带的形式)克服了与先前已知的解决方案有关的缺点，其具有以下总体特征：
(i)它比目前可用的由铺展纤维构成的预浸料薄；
(ii)它的薄的铺展纤维优选产生比目前可能的卷曲角度小的卷曲角度；
(iii)它优选由刚性碳纤维、优选UHMCF构成，以获得最佳性能；
(iv)它优选具有刚好足够量的树脂，将该树脂以合适的图案布置，以在施加热和压力时促进其快速铺展/分散以浸湿纤维；以及
(v)它优选在预浸料片材的重叠板层的纤维之间产生非常短的距离，以通过其中存在的树脂薄层促进它们相互的滑动，例如在悬垂过程中。
因此，本发明提供了新颖的预浸料片材，其优选包含连续纤维带或带的短切部分。此类带的长度大于宽度，并且该宽度显著大于在此指定的带的厚度。术语“带”在此既不排除也不必然限于意指通常认为的纤维组件的显著长且相对窄且薄的片材构造。这是因为涉及宽度的“窄”方面可以在从几毫米至超过1m的范围内，例如从1mm至2000mm。所有这些任何宽度的超薄预浸料带/片材都包含单向纤维，即大多数纤维基本上沿带/片材的纵向取向。纤维取向的小的变化/偏差是固有的，这是由于它们的柔性性质以及还有其他方面像交缠、扭绞、卷曲等。此类自然发生的纤维线性的变化包括在单向纤维的范围内。重要且独特的是，这种单个预浸料带的厚度被定义为在20至40微米(即0.02至0.04mm)的范围内，并且此后被称为超薄预浸料带。此类超薄预浸料带包含单向取向的纤维、优选铺展的碳纤维(尤其是UHMCF类型)，以及如下指定的刚好足够量的合适的树脂。这些超薄预浸料带可用于生产织造、斜纹、多向等增强材料。这些定制的带也可以被短切/切割成相同或不同的形状，并用于生产随机和有序布置类型的有机类型的增强材料。
因此，超薄预浸料带可以以连续长度形式或不连续长度形式使用。连续长度的超薄预浸料带是指作为单个单元从一个边缘延伸到另一个边缘的直带，该直带可以是例如片材的相对或相邻边缘，这是由它们的适当布置(比如织造、斜纹、多向等)产生的。不连续长度的超薄预浸料带是指在片材(比如有机片材)的边缘之间没有作为单个单元延伸的直带，这是由它们的随机散布和取向布置产生的。通过施加所要求的热和压力，可以将连续长度和不连续长度的超薄预浸料带的布置转换成复合材料。
新颖的超薄预浸料带确保了高的悬垂能力，因为它们的薄度和合适的长度允许在非常小的半径边缘和急弯上弯曲并配置成狭窄的弯角、同时多个曲率等。在织造、斜纹、多向等增强材料产品中，组成的超薄预浸料带以相互不同的取向堆叠并重叠。呈规则或不规则形状的切割/短切片的形式的超薄预浸料带用于生产有机预浸料片材。切割的片随机或有序取向并在片材的表面上彼此部分重叠。此类规则和不规则形状的超薄预浸料带的切割/短切片具有在5至80mm的长度和2至30mm的宽度的范围内、最优选20至50mm的长度和5至20mm的宽度以及20至40微米的厚度的总尺寸，以实现所希望的性能和成型能力。
独特地，在所得的有机类型的预浸料中，由短切/切割预浸料产生的卷曲角度显著减小。与在可用的包含束的有机预浸料中获得的卷曲角度相比，包含超薄短切/切割预浸料带的有机预浸料显示出非常小的、实际上几乎可以忽略的卷曲角度，典型地小于3°。由于预浸料带的超薄性而产生的这种低卷曲角度的重要优点是显著减少了纤维复合材料中剪切应力的产生，从而相应地提高了复合材料的性能和可靠性。小的卷曲角度的另一个益处是在重叠短切的超薄预浸料之间存在刚好足够的树脂。
超薄预浸料带包含刚好足够量的树脂，这意味着施加到单个带的树脂的量导致超薄预浸料带具有在0.02至0.04mm(20-40微米)范围内的厚度，而单个预浸料带中的纤维体积分数为至少40％。超薄预浸料带的压实堆叠的纤维体积分数不超过90％。用于生产超薄预浸料带的树脂或基质材料可以是热固性或热塑性类型。有利地，使用刚好足够的树脂对环境的危害相对较小。
刚好足够量的树脂或基质材料是通过以相对于所考虑的纤维增强材料的面积重量和/或体积的优选图案施加计算量的树脂来实现的，这有助于树脂在施加热和压力时更快地铺展/分散和聚结/合并。所施加的树脂的图案涉及考虑树脂的粘度和组成。树脂在图案中以如下方式被间隔开：其在超薄铺展纤维上的分布确保了其最短的铺展和聚结路径，以在施加热和压力时迅速浸湿纤维。有利地，不需要过量的树脂，因为超薄预浸料带的大多数纤维暴露在表面并且树脂不必深入流进纤维团中以将其润湿。超薄预浸料带中存在的树脂的量优选在按构成超薄预浸料带的纤维的重量计20％-50％的范围内。超薄预浸料带中的纤维面积重量优选在10至80g/m2的范围内。迄今为止还不知道超薄预浸料。
树脂或基质材料可以是热固性或热塑性类型，这取决于复合材料的预期最终用途。所使用的热固性配制品优选是一种组合物，其是化学领域的技术人员可以使用常用的热固性基础树脂体系(比如环氧树脂、苯并噁嗪、双马来酰亚胺(BMI)、聚酰亚胺等)中的一种并将其以合适的重量比例与包括水性类型的固化/硬化剂的固化/硬化剂(例如伯胺(例如芳香族、脂环族、脂肪族类型)、仲胺、叔胺、聚酰氨树脂、咪唑、酸酐、聚硫醇、过氧化物、潜在固化剂等)，以及其他任选的成分(比如催化剂、促进剂、阻燃剂、填料、增韧剂等)组合来生产的，由此得到的配制品被定制以获得从50cP至1 000 000cP的不同粘度范围和从50℃至250℃的不同固化/硬化温度范围，以及从1毫秒至两周的不同固化/硬化时间范围。
所获得的新颖的超薄预浸料独特地显示出在20℃至200℃的温度范围内被反复软化的能力。取决于所使用的配制品，当使用基础树脂体系BMI时，树脂配制品的固化/硬化温度典型地在50℃至180℃的范围内，或最高达250℃。当树脂的固化/硬化温度超过所述范围时，粘性固化/硬化剂液化并引发化学反应或聚合。然后在所要求的加热、封装薄层增强材料的时间之后，该配制品凝固并永久固化/硬化。除了所生产的零件的几何形状(例如相对厚度-薄度)之外，固化/硬化所要求的时间取决于所使用的基础树脂体系的配制品的组成、固化/硬化剂和所使用的其他成分。
当想要使用热塑性树脂时，优选根据最终用途的要求从以下选择中选择，例如用于航空应用的PEEK、PEKK、PPS；汽车应用的PA、PA6、PA6.6、PA12；体育应用的PC、ABS、PP、PE等。
根据所使用的热固性或热塑性树脂的配制品，需要时可通过加热使其发粘。因此，所获得的超薄预浸料在一些部分中显示出树脂浸渍的纤维并且在其他部分中显示出干燥的纤维，在这些干燥的纤维之间具有无数的细微孔/开口/间隙。
只要需要，超薄预浸料可以在任何希望的区域/范围全部或部分软化(例如用于悬垂以形成形状)，并且如前所述，通过超过配制品的温度阈值达所希望的持续时间来硬化/固化或凝固。
当超薄预浸料经受所要求的温度、时间和压力时，例如当在模具中时，固定量的图案化树脂的粘度降低、液化、并以受控的体积和方式(例如在模具中)在所有位置立即铺展和聚结，并在固化/凝固时封装纤维。因为树脂不需要深入渗透到增强材料，因为大多数薄层增强材料的纤维暴露在表面处，液化的树脂在所有地方均匀且快速地吞没并嵌入薄增强材料的纤维。与其他加热方法相比，用感应加热方法可以更快地实现树脂的液化，并且从而浸渍超薄预浸料。因此，将超薄预浸料转化为复合材料有利地减少了对时间和能量的需求。有利地，当树脂开始液化和铺展时，薄层树脂图案化的增强纤维/织物中的空气穿过无数的细微孔/间隙/开口等容易且迅速地逸出。实际上消除了气泡的截留，从而产生无空隙的复合材料产品。现在可以想象，将超薄预浸料转化为复合材料产品相当整齐、经济、且方便。
两个相互重叠或铺放/堆叠的超薄预浸料带的纤维之间的树脂或基质材料的厚度优选在2至4微米的范围内(即0.002至0.004mm)。因此，树脂或基质材料的超薄层/膜存在于两个带的纤维之间。在它们之间的这种超薄树脂足以充当滑动面，以使铺放带中的纤维能够相互滑动，例如在压制成形过程中。
现在可以示例使用新颖的超薄预浸料片材的一些优点，以表明本发明的合理性。为了获得面内各向同性结构的平衡叠层，在两个重复序列中以通常的四个取向堆叠的八个超薄预浸料带片材的布置在0.16至0.32mm的范围内。相同的八层结构的典型的‘薄’多向预浸料的厚度为约1至2mm。相比之下，包含本发明的超薄预浸料的多向材料比目前可用的典型的‘薄’多向材料平均薄至少80％。卷曲角度也相应减小，并且从而增加了面内刚度。进一步，因为UHMCF的特性比非UHMCF(即通常的碳纤维)的特性好得多，因此它们具有相似的厚度和纤维取向的板层将显示出相应提高的特性。由此可见，使用所要求数量的包含UHMCF的超薄预浸料片材的板层，可以获得显示出极高特性的相对更薄的复合材料。例如，具有至少150GPa的面内刚度和超过700MPa的面内拉伸强度的复合材料层压板。进一步，因为超薄预浸料片材比典型的‘薄’片材更薄，并且因此在铺放的纤维之间具有相对较短的距离，所以它们也易于悬垂成狭窄的弯角、急弯、多个曲率等。进一步，因为超薄预浸料片材包含刚好足够的树脂，该树脂以能够使其快速铺展/分散和聚结的图案布置，所以新颖的超薄预浸料片材可以相对快速地转化成复杂几何形状的复合材料产品。因此，本发明的超薄预浸料独特地实现了经济的生产。
进一步，当超薄预浸料带在两个或更多个方向上交叉铺放以赋予相应的多向承载能力时，通过所谓的“薄层效应”(简单描述如下)，对交叉层的纤维的相互横向位移的阻力增加。由于超薄预浸料带的大部分纤维暴露在表面上，因此刚好足够的树脂或基质材料将这些纤维在交叉层纤维布置中彼此高度紧密地结合/粘附。这样，两个相互重叠或铺放/堆叠的超薄预浸料带的纤维之间的距离被极大地减小到2至4微米(即0.002-0.004mm)的范围内。交叉铺放的纤维之间高度降低的距离有助于极大地抵抗树脂的分裂，并且从而抑制微裂纹的发展，这反过来又增加了所得复合材料的可靠性/耐久性。
新颖的超薄预浸料带可用于生产织造、斜纹、多向等材料。它也可以被短切成片并用于制造随机取向的纤维垫，称为有机片材，用于制造合适类型的复合材料产品。
以上描述不应导致以下假设：新颖的超薄预浸料带(a)仅包含UHMCF；它们还可能包含非UHMCF、或UHMCF与非UHMCF二者的共混物，以及(b)不适合用于通过常规方法制造复合材料产品。新颖的超薄预浸料带的有利方面是，如果需要，它们还可以制成部分预浸料，即，包含树脂或基质材料的一种或多种组分，并且适当地通过常规方法(比如树脂传递模塑、真空辅助树脂传递模塑、树脂膜注入、压制成型、拉挤成型、纤维缠绕等)加工，其中包括一种或多种剩余的树脂组分以实现聚合物固化(用热固性树脂)或固化(用热塑性树脂)。
这里可能表明，超薄预浸料带及其织造、斜纹、多向等产品，甚至复合材料，都非常适合用于现场加固混凝土结构(比如文物)和其他建筑物、桥梁、柱等。它可以根据需要以多层施加，并通过施加必要的热和压力或使用合适的粘合剂将其粘合到所制备的表面上。超薄预浸料带因使用UHMCF而具有相对轻便和极高的性能，特别有利于在旧的文物建筑上使用，因为它为脆弱的结构提供了相对较高的强度，而不会过度增加结构的负担，并且相对较轻并且更容易在现场处理和使用。
根据本发明的具有所指示的共同特征的超薄预浸料带及其所得的复合材料并未广为所知。因此，参考以下描述的实施方案进一步阐明新颖的超薄预浸料带及其复合材料。
附图说明
出于例示的目的，下面将参考附图中展示的实施方案更详细地描述本发明，在附图中：
图1示例了呈单向铺展的纤维带形式的超薄预浸料片材，其以不同分布的图案承载刚好足够量的树脂。
图2a和2b示例了不同类型的织造预浸料片材；前者示例了在织造材料中作为经纱和纬纱存在的不同类型的超薄预浸料带，并且后者示例了包含超薄铺展纤维带的织造材料预浸料。
图3a和3b示例了不同类型的斜纹预浸料片材；前者示例了在斜纹材料中以相互成角度的取向存在的不同类型的超薄预浸料带，并且后者示例了包含超薄铺展纤维带的斜纹材料预浸料。
图4示例了一种有机增强材料，其包含以随机取向存在的超薄预浸料带的不同短切片。
优选实施方案的详细说明
在以下详细描述中，将披露本发明的优选实施方案。然而，应该理解，除非特别指出任何其他内容，否则不同实施方案的特征在实施方案之间是可互换的、并且可以按不同方式进行组合。还可以注意到，为了清晰起见，附图中所展示的某些部件的尺寸可能与本发明的实际实施方案中的对应尺寸不同。尽管在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本发明的更透彻的理解，但是对于本领域技术人员来说清楚的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的结构或功能，以免模糊本发明。
本发明的新颖的超薄预浸料带是通过使用基于一种或多种合适的已知方法的改进方法，首先铺展碳纤维束来生产的，例如压力接触(GB 841098、GB 1395925、GB 1476929、US 4989799、US 5101542、EP 1652978、US 7536 761)，振动式(US 3798095、US 4959895、JP2036236、US 5042122)，横向膨胀(GB 694789、GB 1112578、US 3961396、US 4301579、JP2145830、US 6049956)，流体(US 3431602、US 3698039、GB 1312455、US 3713590、US3873389、US 4421584、US 6032342、JP 3382603、US 7571524)，放电(US 3358436、US3657871、DE 19650608)等。
接下来，对获得的超薄铺展束进行新颖的图案化浸渍工艺，其中以受控和计算的量以图案化形式施加所要求的树脂或基质材料(无论是热固性还是热塑性的)。有利地，此类图案化的超薄预浸料带可以使用常规设备和方法生产，例如在纺织品印刷工业中发现的那些。此类已知的方法和设备不需要在此描述。如果想要使用热塑性膜，则可以将其适当穿孔的类型或可从膜转移的小片粘附到超薄铺展纤维上，以实现计算量的热塑性树脂的施加。在任何情况下，无论使用热固性树脂还是热塑性树脂，树脂图案都是这样布置在超薄铺展纤维的一个或两个表面上的，使得施加的刚好足够量的树脂的分布布置确保了其快速铺展和聚结的最短路径，以在施加必要的热和压力时浸湿纤维。所施加的树脂的图案涉及考虑树脂的粘度和组成。
图1中示例了新颖的超薄预浸料带/片材的一些构造，其示出了一些不同类型的超薄预浸料带的高度放大视图。
在图1a中指出了用于获得超薄预浸料带的基础的干燥超薄带。可以注意到，其中的纤维显示为彼此分开，仅表示或传达它们基本上在带的纵向上取向。示出它们彼此接触只会产生实心的图形，这将不利于清楚地说明这一点。单个带的厚度在先前特定的范围内。由于带的超薄性，带的大量纤维暴露在带的正面和背面。这是非常有利的，因为树脂或基质材料不必深入流进纤维团中以将其润湿。因此，纤维的润湿将容易、快速、均匀和彻底地独特地实现。
在图1b中示出了一种超薄预浸料带，其中将树脂例如通过精细喷涂或印刷以合适的图案部分地施加在两个表面上，形成微小的点/斑点(speckle)/离散点(dab)/斑点(blob)/珠子/微粒(fleck)等。优选地，两个表面上的点/斑点等相互偏移，但适当地紧密且均匀地分布，以在压力下加热时同时从两个表面侧实现更快和均匀的纤维润湿。所施加的树脂的点/斑点粘附/粘接在超薄带的纤维上。这些点/斑点中的每一个在超薄带的厚度和宽度方向上连接大量的纤维/长丝。由于这些纤维通常非常细(其直径以微米计)，因此此类纤维中的一些可能通常与带的两个表面上存在的树脂点/斑点相连。因此，图1b中的超薄预浸料带的图示仅是粗略表示。
在图1c中示出了另一种类型的超薄预浸料带，其具有以多个涡漩/螺旋/卷绕股状的图案施加的树脂。为了方便加工，树脂的涡漩/卷绕股优选基本上沿着带的长度方向延伸，并且优选以紧密交替和偏移的方式在带的两个表面上延伸，使得两个表面上的旋转树脂股优选不彼此重叠。所施加的树脂的涡漩/卷绕股粘附/粘接在带上。因为这些树脂的涡漩股以弯曲的形式以连续方式延伸，所以它们在带的厚度和宽度方向上与大量的极细纤维/长丝连接。因此，许多纤维通常在沿其长度方向的某一点或另一点与带的两个表面上存在的树脂涡漩/螺旋连接。此类股也可以不连续地施加。同样，图1c仅是粗略表示。
在图1d中示出了又另一种类型的超薄预浸料带，其具有以多个线性条状图案施加的树脂。为了方便加工，线性条状树脂优选基本上沿着带的长度方向施加，并且优选以这样的方式施加在带的两个表面上，使得线性条状树脂优选出现在紧密交替布置的两个表面上、优选没有相互重叠，如图所示，以均匀和快速润湿纤维。可替代地，线性条状树脂也可以以另一种取向施加，例如以对角或相对于超薄带的一个或多个纵向边缘的任何角度，包括垂直地施加。所施加的线性条状树脂粘附/粘接在带的两个表面上。因为这些线性条状树脂以连续的方式基本直地延伸，所以它们在带的厚度和宽度方向上与大量的极细纤维/长丝连接。当线性条状树脂相对于带的一个或多个纵向边缘成一定角度施加时，带宽度方向上的一些纤维可能通常在某一点或另一点上连接到出现在带的两个表面上的条状树脂上。此类条也可以不连续地施加。同样，图1d仅是粗略表示。
在图1e中示出了又另一种类型的超薄预浸料带，其具有以多个非线型或弯曲条状的图案施加的树脂。为了方便加工，弯曲条状树脂优选基本上沿着带的长度方向施加，并且优选以这样的方式施加在带的两个表面上：两个表面上的非线性弯曲条状树脂优选以紧密交替的布置出现，而不会彼此重叠，并且具有如图所示的均匀分布。所施加的弯曲条状树脂粘附/粘接在带的两个表面上。因为这些条状树脂以弯曲的形式以连续方式延伸，所以它们各自在带的厚度和宽度方向上与大量的极细纤维/长丝连接。一些纤维通常可能会在某一点或另一点连接到弯曲的条状树脂，这种树脂存在于带的两个表面。此类非线性条也可以不连续地施加。同样，图1e仅是粗略表示。
除了以上披露的不同类型的树脂应用，比如点/斑点、条状、带状等，也可以考虑其他类型，这取决于最终用途和经济考虑。例如，其中树脂不是作为股或条连续延伸，而是呈不连续的锯齿形式，或由一系列点/斑点组成的重复图案，或其为规则重复且均匀分布的单个图案，比如正方形、圆形、环状、线状等形式，或呈有间隙或穿孔的条状形式，或其他平行线形式，或各种所述类型中的一些的组合，或其他不同类型等。所有此类树脂图案都可能存在于超薄预浸料带的一个或两个表面上。
可以注意到，相同种类或不同种类的树脂配制品可以有利地施加在超薄预浸料带的一个或两个表面上以为某些最终用途设计特定的特性。还可以将不同类型的树脂配制品施加在超薄带的一个或两个表面上，以发挥其不同特性的组合效果。
当生产相对窄的超薄预浸料带时，例如最高达100mm宽，它们可以直接用作连续长度的带状经纱和纬纱，以生双向产织造织织物。此类织造织物可以以封闭或开放的结构配置来生产，以满足最终用途的要求。使用带状经纱和纬纱生产织造材料从例如US 8,129,294(B2)中已知。
在图2a中示例了使用本发明的超薄预浸料带生产的织造材料。为了说明的目的，作为经纱和纬纱的超薄预浸料带显示为具有不同的构造，以便于区分它们。在实际实践中，这些经纱和纬纱可以是相同类型的超薄预浸料带。在所示的实例中，树脂作为涡漩/卷绕股存在于经纱带中，并且作为非线性/弯曲股状存在于纬纱带中。所示出的织造织物具有开放的结构配置。它也可以以封闭的结构配置生产。这种织造超薄预浸料带产生相应的薄的织造预浸料。如果需要，它可以完全或在选定的位置被加热，以暂时将经纱-纬纱带彼此粘合，以方便操作。这种织造预浸料可以直接单独使用，或根据最终用途要求通过铺放/堆叠其两个或更多个来使用。进一步，可以将这种织造的预浸料切割成所要求形状和尺寸的片，并以相互不同的取向悬垂和铺放，以获得最终复合材料的改进的多向承载能力和容量。进一步，这种织造预浸料可以与任何其他合适种类的超薄预浸料组合，以实现最终复合材料所要求的性能特征。
在图2b中示例了通过使用合适的标准设备在带织造织物的一个或两个表面上以图案化的方式施加树脂，将由超薄带构成的带织造织物转化为织造预浸料。在图示中，树脂显示为以均匀分布的点/斑点的形式施加在其两个表面上。如果需要，所生产的织造超薄预浸料可以完全或在选定的位置被加热，以暂时将经纱-纬纱带彼此粘合，以方便操作。这种织造预浸料可以直接单独使用，或根据最终用途要求通过铺放/堆叠其两个或更多个来使用。进一步，可以将这种织造的预浸料切割成所要求形状和尺寸的片，以相互不同的取向悬垂和铺放，以获得最终复合材料的改进的多向承载能力和容量。进一步，这种带织造预浸料可以与任何其他合适种类的预浸料组合，以实现最终复合材料所要求的性能特征。
窄的超薄预浸料带(例如最高达100mm宽)也可以直接用于生产双向斜纹取向织物，其中连续长度的带相对于织物的纵向方向成锐角/钝角。此类斜纹织物可以以封闭或开放的结构配置生产，以满足最终用途的要求。使用带生产双向斜纹织物从例如EP 2 479327是已知的。可以注意到，这种斜纹织物(称为OFT)在技术上既不是织造的也不是编织的，如其中详细解释的，尽管通常被错误地称为所述常规名称。
在图3a中示例了使用超薄预浸料带生产的双向斜纹取向的预浸料。为了说明的目的，不同的超薄预浸料带的构造在两个不同的斜纹取向上显示，以便于区分它们。在实际实践中，这些斜纹带可以是相同类型的超薄预浸料带。树脂在其中一个斜纹取向(即+45°取向)的带上以涡漩/卷绕股状的形式存在，并且在其他斜纹取向(即-45°取向)的带上以非线性/弯曲条状形式存在。所示出的双向斜纹织物具有封闭的结构配置。它也可以以开放的结构配置生产。这种斜纹预浸料是超薄的。如果需要，它可以完全或在选定的位置被加热，以暂时将斜纹取向的带彼此粘合，以方便操作。这种斜纹超薄预浸料可以直接单独使用，或根据最终用途要求通过铺放/堆叠其两个或更多个来使用。进一步，可以将这种斜纹超薄预浸料切割成所要求形状和尺寸的片，并以相互不同的取向悬垂和铺放，以获得最终复合材料的改进的多向承载能力和容量。进一步，这种斜纹超薄预浸料可以与任何其他合适种类的超薄预浸料组合，以实现最终复合材料所要求的性能特征。
在图3b中示例了将由超薄带构成的双向斜纹织物转化为超薄预浸料片材。这种斜纹织物是超薄的，并且通过使用常规设备以图案化的方式在其一个或两个表面上部分施加树脂而转化为预浸料片材。在图示中，树脂被指示为通过工业(例如纺织品印刷工业)中众所周知和实践的方法，以均匀分布的点/斑点的形式施加在两个表面上。如果需要，它可以完全或在选定的位置被加热，以暂时将斜纹带彼此粘合，以方便操作。这种斜纹超薄预浸料片材可以直接单独使用，或根据最终用途要求通过铺放/堆叠其两个或更多个来使用。进一步，可以将这种斜纹超薄预浸料片材切割成所要求形状和尺寸的片，并以相互不同的取向悬垂和铺放，以获得最终复合材料的改进的多向承载能力和容量。进一步，这种斜纹超薄预浸料片材可以与任何其他合适种类的超薄预浸料组合，以实现最终复合材料所要求的性能特征。
在图4a中示例了由相同形状的超薄预浸料带的短切片构成的超薄有机类型的预浸料片材。相同形状的超薄带的短切片例如从摆动的进料器落下，以散布在间歇运行和振动的带上，以实现它们的随机取向。沉积的随机取向的短切片以如下方式布置：优选地，它们中的大多数至少部分地重叠，以覆盖所要求的产品尺寸的面积。优选地，它们均匀地分布以实现基本上均匀的厚度，即在一个区域中彼此堆叠的片不会太多。如果需要，优选在一定压力下将所生产的短切片的布置加热，以暂时将它们彼此粘合，使得能够处理所形成的组件。在所述步骤之后，借助于工业上已知的合适工具，本发明的预浸料片材以合适的尺寸和形状的单个片材形式获得，或者作为卷形式的连续片材获得。可替代地，可以使用不同形状、不同尺寸的超薄预浸料带的短切片并且以随机取向散布，并获得刚刚描述的预浸料片材。可替代地，不同形状和相同形状的短切片可以组合使用并随机取向，以在刚刚描述的线上获得相应的预浸料片材。可替代地，具有不同或相同尺寸的相同形状的短切片可以以有序的方式布置以形成片材，例如在图4b中示出的砖形铺叠布置。为了生产短切带，平行供应所要求数量的部分重叠的预浸料带，并在相对不同的位置单独切割，并紧密地放置在运行带上，然后该运行带在往复式工作床上连续地传送切割的片，以在一个层上形成另一层。铺放/堆叠所需数量的此类层产生所希望的超薄预浸料片材。当铺设此类短切片的层时，优选的是单独的层中的短切片相对于其他层中的短切片以不同方向取向。这是例如通过改变工作床与运行带之间的相对进料方向来构建每一层来实现的。
如果应用要求所有的短切片保持在同一个方向上取向，那么优选的是不同的层相互偏移，使得不同的层中短切带的重叠部分不会彼此重合。可替代地，可以使用相对合适的不同尺寸的超薄预浸料带的短切片来构成单个层，以防止短切带的重合重叠部分在层之间堆积。
预浸料片材的还另一种构造可以通过使用不同形状和相同形状的超薄预浸料带的短切片来生产。例如，在单个层中，其中不同形状和相同形状的短切片存在于部分重叠的有序取向中。可替代地，相同形状的片以部分重叠的有序取向存在于一个层中，并且同样地，不同形状的片存在于另一个层中。优选将此类超薄预浸料带的短切片的布置中的每一个加热，以暂时将它们彼此粘合形成预浸料层。将多个此类层铺放/堆叠以获得所希望的超薄预浸料片材。
这种超薄预浸料片材可以直接使用，单独地或根据最终用途的要求进一步铺放/堆叠使用。这种超薄的预浸料片材具有很高的柔性和可悬垂性。例如，这种类型的超薄预浸料片材可以与任何其他合适种类的预浸料片材组合，以实现最终复合材料所要求的性能特征。这种材料的一个重要优点是，由于可以充分利用短切/切割的超薄预浸料带，实际上不会产生废物。
尽管前述实例说明了超薄单向预浸料片材和双向预浸料片材的一些构造(即织造和斜纹类型)，但是应当理解，也可以生产其他类型，例如不同类型的多向预浸料片材。例如，示例性的织造和斜纹超薄预浸料片材可以如常规实践的那样以合适的取向相互铺放/堆叠，以获得相应的超薄多向预浸料片材。可替代地，单向超薄预浸料片材可以与织造超薄预浸料片材、或斜纹超薄预浸料片材、或它们的组合来组合，以获得其他类型的多向超薄预浸料片材。
所获得的超薄预浸料片材可以直接用于复合材料的制造中。如前所述，可以将新颖的超薄预浸料切割成所要求形状和尺寸的图案化的片，将其悬垂并以合适的取向铺放/堆叠，以获得具有所要求性能和形状的所希望的复合材料产品。根据需要生产的物体的尺寸和形状，可以将必要数量的超薄预浸料片材的切割图案化的片直接悬垂在模具上，该模具可以是封闭的或开放的类型。此类超薄预浸料的片材可以在铺放/堆叠程序期间局部温热/加热(即在任何需要的地方)，以暂时使它们能够以所要求的形式彼此粘接/保持。
在悬垂程序完成之后，如果模具是封闭类型的，则将其关闭并加热所要求的持续时间。已知将封闭的模具压在堆叠的片材上，并且均匀地施加必要的压力。可替代地，如果成形的超薄预浸料是在开放模具上制成的，则可以将其放入高压釜中并按照已知的程序加热，从而将高气压和高热量施加到放置在开放模具上的片材的堆叠上。这些和其他常规的方法，例如其中使用加热辊将压力施加在悬垂在开放模具上预浸料在本领域中是众所周知的并且不需要进一步说明。可以注意到，复合材料制造的现有设备和实践可以有利地与超薄预浸料片材一起使用以生产改进的复合材料。
冷却后，以通常方式从模具中取出复合材料产品。可以理解，本发明的超薄预浸料能够快速且整齐地生产。
已经参考超薄预浸料带和片材的具体实施方案、其制造以及由超薄预浸料增强的复合材料产品的制造描述了本发明。对于本领域的技术人员而言，现在将有动机考虑几种可能性。例如，与纤维类型、其构造、组成、尺寸、取向布置等的改变有关的那些。进一步，除了说明/例举的那些，可以以不同的样式/形式施加树脂。进一步，制造某些步骤的顺序可以不同地进行，例如逐步或同时进行，或超薄预浸料及其复合材料的制造步骤可以以不同的方式组合等。进一步，使用细的热塑性网或面纱作为基质材料来生产超薄预浸料的可能性也是显而易见的。
将超薄预浸料用于加固建筑物、文物古迹、桥梁等的可能性是通过将其施加在此类结构上并在压力下将其加热，并实现其与结构的粘附，这在技术上类似于将其悬垂在模具上并在压力下将其加热以形成复合材料产品。超薄预浸料的这种用途和应用以及通过其他合适的粘合剂将其粘合到建筑结构上不排除在所披露的发明的范围之外。
在所附权利要求中，置于括号之间的任何附图标记都不应解释为对权利要求进行限制。词语“包括(comprising)”不排除存在除权利要求中列出的元素或步骤之外的其他元素或步骤。在元素前的词语“一个(a)”或“一种(an)”并不排除存在多个此类元素。进一步地，单个单元可以执行权利要求中陈述的若干装置的功能。

Claims (25)

1.一种预浸料片材，其包含纤维增强材料和热固性或热塑性基质材料，其中该纤维增强材料包含单向铺展纤维并且该预浸料片材具有小于100微米的厚度，其中该热固性或热塑性基质材料以附接到该纤维增强材料的至少一个表面上的层的形式提供并且为暴露该单向铺展纤维的图案，所述层设置有孔或开口，用于穿过所述层暴露该增强材料的纤维，其中该基质材料的厚度在2至4微米的范围内，该基质材料的重量在该预浸料片材的总重量的5％-50％的范围内，并且其中该基质材料被布置成在施加热和压力时铺展、聚结、吞没和嵌入该纤维增强材料的纤维。
2.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材的厚度在10-70微米的范围内。
3.如权利要求2所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材的厚度在15-50微米的范围内。
4.如权利要求2所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材的厚度在20-40微米的范围内。
5.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材呈带的形式，具有超过5mm的长度和超过2mm的宽度。
6.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，其纤维的卷曲角度小于3度。
7.如权利要求6所述的预浸料片材，其中，其纤维的卷曲角度小于2度。
8.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材内的纤维的体积分数为40％或更大。
9.如权利要求8所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材内的纤维的体积分数为50％或更大。
10.如权利要求8所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材内的纤维的体积分数为60％或更大。
11.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材内的纤维的体积分数等于或小于90％。
12.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材具有在5-100g/m2的范围内的纤维面积重量。
13.如权利要求12所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材具有在10-80g/m2的范围内的纤维面积重量。
14.如权利要求12所述的预浸料片材，其中，该预浸料片材具有在15-50g/m2的范围内的纤维面积重量。
15.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，这些纤维包括碳纤维。
16.如权利要求15所述的预浸料片材，其中，这些纤维包括超高模量碳纤维(UHMCF)。
17.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该热固性基质材料在第一温度以下为固态，并且在所述温度以上为软的且发粘的，并且其中当在第二温度以上加热一定的持续时间时，该基质材料不可逆地固化，其中该第一温度为20℃或更高，并且其中该第二温度高于所述第一温度。
18.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该基质材料以连续或不连续线的形式提供，其至少部分地在不同于这些纤维方向的方向上延伸。
19.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该基质材料以断开的点或斑点的形式提供。
20.一种多层布置，其包括至少两个根据权利要求1-19中任一项所述的预浸料片材，其中，这些预浸料片材至少部分地彼此重叠布置，并且其中这些重叠的预浸料片材的纤维以相互不同的方向取向。
21.如权利要求20所述的多层布置，其中，这些预浸料片材中的至少一些是在该多层布置的整个宽度和/或长度上延伸的带。
22.如权利要求21所述的多层布置，其中，这些预浸料片材中的至少一些是短带，其具有5-80mm的长度和2-30mm的宽度。
23.如权利要求22所述的多层布置，其中，这些预浸料片材中的至少一些是短带，其具有20-50mm的长度和5-20mm的宽度。
24.根据权利要求1-19中任一项所述的预浸料片材用于制造复合材料的用途。
25.如权利要求1所述的预浸料片材，其中，该基质材料以连续或不连续线的形式提供，其至少部分地在不同于纤维方向的方向上延伸，或者以断开的点或斑点的形式提供，该预浸料在一些部分中显示出树脂浸渍的纤维并且在其他部分中显示出干燥的纤维，在这些干燥的纤维之间具有多个微孔、开口或间隙。
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