CN1767942A - 加强结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了多种加强结构及其制造方法，其中加强结构适合用于制造复合部件。该结构(10)包括一个第一加强层(20)；一个第二加强层(30)；和一个柔性芯层(40)，该芯层包括有多根细长的纤维(42)和多个离散体(44)。

Description

加强结构及其制造方法
本发明涉及一种适用于复合部件制造工艺(例如，树脂输送模塑工艺或真空注入工艺)中的加强结构及用于制造这种加强结构的方法。
树脂输送模塑工艺是一种用于制造强化复合部件的封闭式模压工艺，复合部件例如可以是椅子、汽车部件、飞机部件和冲浪板的叶片。该工艺包括将一个加强结构放置在一个模腔内，其中该模腔具有复合部件所需的形状。接着，将该模具合拢并在压力作用下将基质树脂注入到模具内，以将树脂材料基本上完全灌注到加强结构内。在完成树脂的灌注工序后，例如可通过对模具进行加热而使树脂凝固。然后，将最终制成的复合部件从模具中取出。
用于制造加强型复合部件的一种公知加强结构包括第一和第二加强纤维外层，例如离散的玻璃纤维。设置在这两个外层之间的是一个柔性芯层，该芯层包括很多细长的纤维，例如合成纤维。在树脂传递模塑过程中，该芯层基本被树脂材料浸透。一旦凝固，那么树脂材料一般就会很致密，而且在折弯或弯曲过程中其平均剪切强度很低，另外其平均弹性模量也很小。这样，由于在芯层内含有大量基质树脂材料，因此，设置有加强结构的复合部件一般具有一个重量很大的中心部分或芯部，该中心部分在折弯或弯曲过程中的剪切强度与基质树脂相似，其弹性模量也与基质树脂相似。还应该注意到：复合部件中的基质树脂含量越高，那么树脂的收缩也就越严重。
因此，就需要提供一种包括有第一和第二加强纤维层和一柔性芯层的加强结构，其中在用基质树脂对加强结构进行浸泡后，复合部件形成了一个重量轻的芯部，而且与上述的现有加强结构相比，该芯部的机械性能也好于复合部件的芯部。
根据本发明的第一方面，提供一种用于制造复合部件的加强结构。该结构包括一个第一加强层，一个第二加强层；和一个柔性的芯层，该柔性芯层又包括很多细长的纤维和多个离散体。
第一和第二加强层中的至少一个层最好由多个离散纤维制成。这些离散的纤维可包括由下述这组材料中选取的纤维：陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、聚合物纤维及其组合。芯层最好设置在第一和第二加强层之间。
此外，本发明还提供一种用于将第一、第二层及芯层连接在一起的结构。该连接结构优选包括穿过第一、第二和芯层每一层的缝线。
构成芯层的细长纤维优选通过机械方式连接在一起，从而形成一个或多个柔性多孔的非织造层。那些离散体与一个或多个非织造层连接在一起。根据本发明的一个实施例，构成芯层的细长纤维通过机械方式连接在一起，从而形成一个柔性的非织造层。根据本发明的第二实施例，构成芯层的这些细长纤维通过机械方式连接在一起，从而限定了第一和第二柔性的非织造层。这些非织造层可包括从下述这组材料中选取的纤维：聚酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维(PAN)、玻璃纤维、及其组合。第一和第二实施例的非织造层的纤维可以为波浪形或波纹形。
离散体可由从下述这组材料中选取的材料制成：发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫和聚氨脂泡沫。当然，还可以考虑利用中空的玻璃球和发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫及聚氨脂泡沫之一来制造这些离散体。这些离散体的密度最好小于将被浸入到加强结构中的基质树脂的密度。这些离散体优选不包括含有发泡剂的微球。
芯层优选基本上不含有树脂粘合剂材料。
根据本发明的第二方面，提供一种用于制造加强结构的方法，该方法包括下述步骤：提供用于限定第一加强层的加强材料；提供一种包括有细长纤维的柔性芯层；提供离散体并将这些离散体与柔性芯层联结起来；并且提供用于限定第二加强层的加强材料。
提供第一加强材料的步骤可包括提供由下述这组材料中选取的纤维的工序：陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、及其组合。提供包括有细长纤维的柔性芯层的步骤也可包括提供一种以机械方式与细长纤维连接在一起的柔性非制造层的工序。
此外，还可以考虑：根据本发明制成的加强结构可包括按照下述顺序进行排列的层：一个第一加强层；一个第一柔性芯层，该芯层包括细长的纤维和多个离散体；一个第二加强层；一个第二柔性芯层，该芯层包括细长的纤维和多个离散体；一个第三加强层。另外，还可以考虑：根据本发明制成的加强结构可包括三个以上的加强层和两个以上的柔性芯层，其中每个柔性芯层都包括多根细长的纤维和多个离散体。此外，还可以考虑：根据本发明制成的加强结构可包括三个或更多加强层和两个或更多柔性芯层，其中至少一个柔性芯层不含有离散体，一个柔性芯层包括有离散体。
下面将参照附图，通过实例对本发明加以详细说明，其中：
图1为根据本发明第一实施例制成的加强结构的侧视图；
图2为根据本发明第二实施例制成的加强结构的侧视图；
图3为用于制造柔性芯层的交叉铺网机/分配装置的视图。
现参照图1，图中示出了根据本发明第一实施例制成的加强结构10。该结构10适用于复合部件的制造工艺中，例如树脂传递模压工艺或真空注入加工工艺。如上所述，树脂输送模压工艺包括将一个加强结构放置在一个模具腔体(未示出)内，其中该模具腔体具有所需成品复合部件的形状。然后，将模具合拢并在压力作用下将基质树脂注入到模具内，从而使树脂材料基本上将该加强结构完全浸没。在完成树脂浸泡工序后，使树脂凝固，通过对模具进行加热可提高该固化工序的速度。此后，将最终制成的复合部件从模具中取出。真空注入工艺包括将加强结构10放置在一个打开的模具中，利用一个塑料薄板将结构10及模具的相邻部分覆盖起来并将塑料薄板密封到模具上。接着，将位于打开的模具与塑料薄板之间的空间抽真空，这样，基质树脂就会被吸入到该空间内并浸没在加强结构10内。在复合部件的制造过程中，可以采用一般可与硬化剂发生反应的多种树脂基质材料，包括热固性树脂：聚酯、环氧树脂、酚醛塑料、丙烯酸树脂类、和乙烯基酯。
该加强结构10包括一个第一加强层20、一个第二加强层30和一个柔性芯层40，该芯层包括细长的纤维42和多个重量轻的离散体44。芯层40定位在第一和第二加强层20、30之间。第一、第二和芯层20、30、40通过缝纫线50(即细线)连接在一起。缝纫操作可利用传统的针织工艺来完成。
第一和第二加强层20、30优选由随机定向的离散纤维22和32构成。纤维22和32的长度可从约0.5英寸(1.27厘米)到约2英寸(约5.08厘米)，其直径可从约2微米到约40微米。这些离散的纤维可从下述这组材料中选取：陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、聚合物纤维、及其组合物。离散的玻璃纤维包括那些由下述类型的玻璃制成的纤维：E、C、R、A和S。例如，这些离散的玻璃纤维包括那些由连续的玻璃纤维切割或剪断而成的纤维，连续的玻璃纤维例如可从Owens Corning公司购买到，而且其商业名称为ADVANTEXTMMULTI-END ROVING或T30TM DIRECT ROVING。例如，离散的聚合物纤维包括那些由连续的芳族聚酰胺纤维经切割或剪切而成的纤维，其中连续的芳族聚酰胺纤维可从E.I.du Pont de Nemours公司买到，其商业名称为KEVLAR，或者从Teijin Twaron BV公司买到，其商业名称为TWARON。第一加强层20的重量在基质树脂浸泡前优选占加强结构10之总重量的约25％至约47.5％。第二加强层30的重量在基质树脂浸泡前优选占加强结构10之总重量的约25％至约47.5％。第一和第二加强层20和30的每一层最好基本上不含有树脂粘合剂材料。
当然，还可以考虑：用织造或针织的连续纤维材料来制成第一和/或第二加强层20和30。例如，这样的材料包括：可从Owens Corning公司买到的商业名称为KNYTEX Fabrics WR24-5x4或KNYTEXFabrics CD240C的材料。
如上所述，柔性芯层40包括多根细长的纤维42和多个离散体44。细长的纤维42随机定向并以机械方式粘接在一起，即相互连锁在一起，而且一般不用粘接剂材料，这样就形成了一个基本为平面状的柔性多孔非织造层46。非织造层46可包括任何柔性的多孔非织造织物。非织造层46优选由选自下述这组材料中的细长纤维制成：聚酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈(PAN)纤维、玻璃纤维、及其组合。细长的纤维42的长度可以从约10毫米到约120毫米，其直径可以从约5分特到约100分特。在与第一和第二加强层20、30组合在一起并包括浸泡或放置于其中的离散体44之前，非织造层46优选沿Z方向具有一个约为2毫米到约12毫米的厚度，见图1，而且其面积重量从约为70克/米2到约900克/米2。
柔性芯层40可利用交叉铺网机/分配装置300来制造，见图3。如上所述，细长的纤维42可通过传统的梳理机(未示出)被加工成一个薄型纤维网42a。该纤维网42a的厚度从约0.1毫米到约2毫米。利用输送机400可将该纤维网42a从梳理机输送到交叉铺网机/分配装置300。该交叉铺网机/分配装置300包括一个传统的交叉铺网机310，例如在美国专利第4,984,772号中所公开的那样，它与一个传统的粉末分配部件320组合在一起。
这些离散体44通过分配部件320被灌注到纤维网42a内。在本文中所采用的术语“灌注”是指用于将离散体44接合到非织造层46内的工艺。这种灌注工艺可由所有适合于将离散体44放置、接合或插入到非织造层46内的工艺。在图3所示的实施例中，离散体44以约为20克/米2到约300克/米2的速度从分配部件320内分配出来并在重力作用下下落到纤维网42a上。
现参照图3，交叉铺网机310包括一个环形输送带313，在传送带中间固定安装有可移动的辊，具体如下所述。辊314是固定不动的。传送带313跨过往复式传送带支架部件315和316上；而且，传送带313在这些往复式传送带支架部件315、316之间跨接在一对固定辊317和318上。往复式传送带支架部件315包括辊319和320，辊319以往复移动的方式将纤维网42a支承在交叉铺网机310的上端上，辊320被用作传送带313之上端的环路控制部件。往复式传送带支架部件316包括辊321，该辊321以往复移动的方式将纤维网42a支承在交叉铺网机310的下端上并通过由辊322和323构成的输送部件将纤维网42a输送到一个可移动的输送机329上。辊324被用作空转辊，其用于在传送带系统中保持合适的张力。
纤维网42a从传送带313移动到传送带326，而传送带326又在固定辊327和328上连续运转。传送带313和326将纤维网42a夹起来，以将其保持在合适位置上，直到它移动到往复支架部件316内并穿过输送部件322和323。纤维网42a穿过往复式输送部件322和323并沿着基本上垂直于往复支架部件316之移动路线的方向以线性方式连续铺放在输送机329上。
当支架部件316沿X方向前后往复移动时，可往复移动的支架部件316将纤维网42a叠放或放置在输送机329上，见图3，从而形成了一个基本为平面状的柔性多孔非织造层46，其中该层内灌注有离散体44。灌注有离散体44的非织造层46限定了图1所示之实施例的柔性芯层40。该非织造层46最好包括多层网42a，例如10层，以使非织造层46沿Z方向的厚度约为2至15毫米。
还可以考虑：一旦有多层网42a离开输送机329，那么就可以利用传统的针刺装置(未示出)对多层纤维网42a进行针刺，以通过机械方式将这些层连接在一起，形成非织造层46。
根据本发明的第一方面，重量轻的离散体44可以基本上完全由一种从下述这组材料中选出的材料制成：发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫和聚氨脂泡沫。这种泡沫材料可包括闭孔泡沫塑料；而且本发明第一方面的发泡或泡沫化离散体44其长度可从约0.1毫米至约3毫米，其直径可从约0.5毫米到约1毫米，密度从约0.02克/厘米3到约0.5克/厘米3。本发明第一方面的离散体44例如可由一种产品名称为“Divinycell Foam Material”并能够从DIAB InternationalAB公司买到的材料制成，该材料可被研磨到所需的粒度。
根据本发明的第二方面，离散体44可包括发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫和聚氨脂泡沫主体，而且在这些主体内接合有中空的玻璃球。这些中空的玻璃球其直径可从约0.1毫米到约0.3毫米。每个离散体44都包括约5-20个玻璃球，这些玻璃球接合在离散体内。这些玻璃球/由聚合材料制成的离散体44其长度从约0.1毫米到约5毫米，直径从约0.1毫米到约3.0毫米，密度从约0.05克/厘米3到约0.9克/厘米3。这些玻璃球例如可包括产品名称为“ScotchliteGlass Bubbles”并能够从3M公司买到的玻璃球。当然，也可以考虑通过将发泡或泡沫材料，例如含有玻璃球的上述其中一种材料，研磨成具有所需粒度的颗粒或离散体而制成离散体44。
离散体44，包括那些基本上仅由发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫或聚氨脂泡沫制成的离散体以及那些具有中空玻璃球的离散体，其密度优选远小于将被灌注到加强结构10内的基质树脂的密度。就包括有中空玻璃球的离散体44而言，我们相信：离散体44的弹性模量和剪切模量大于将被灌注到加强结构10内的基质树脂的弹性模量和剪切模量。此外，离散体44优选不包括含有发泡剂的微球。
芯层40包括有被灌注到非织造层46内的离散体44，而且优选基本上不含有树脂粘接剂材料。芯层40的重量占加强结构10之总重量的约5％至50％。离散体44的体积占芯层40之总体积的约5％至80％。
离散体44在芯层40内起到轻质填充材料的作用。因此，被接合到本发明之加强结构10内的复合部件其重量轻于接合有上述现有加强结构的复合部件的重量。离散体44最好还能够起到提高上述接合有根据本发明之加强结构10的复合部件之机械性能的作用。具体而言，我们相信：与接合有现有加强结构的类似复合部件相比，优选的离散体44，例如那些仅由聚氯乙烯泡沫制成的离散体和那些由发泡聚苯乙烯/中空玻璃球、聚氯乙烯泡沫/中空玻璃球、聚氯乙稀尿素泡沫/中空玻璃球或聚氨脂泡沫/中空玻璃球制成的离散体，能够提高产品复合部件在弯曲或折弯过程中的剪切强度，而且还可以提高复合部件的抗压强度和弹性模量及剪切模量。更具体地说，我们相信：包括有玻璃球的离散体44能够在最大程度上提高产品复合部件的机械性能。我们还相信：与由发泡聚苯乙烯泡沫制成的离散体相比，由聚氯乙稀泡沫或PVC-尿素泡沫制成的离散体可以提高产品复合部件的机械性能。但是，我们相信：发泡聚苯乙烯泡沫离散体将会提高加强结构10的装模能力。此外，还应该知道：最好不要将由发泡聚苯乙烯泡沫制成的离散体44与聚酯基质树脂一起使用，因为基质树脂中的某种成分可能会溶蚀聚苯乙烯离散体44并使其分解。
在图2所示的第二实施例中，加强结构100包括第一和第二加强层20、30及一个柔性芯层400，该柔性芯层包括细长的纤维42和多个离散体44，其中在图2中类似的元件由类似的附图标记来表示。该芯层400设置在第一和第二加强层20、30之间。第一、第二和芯层20、30、400通过缝线50即细线连接在一起。
该芯层400包括：基本上为平面状的第一柔性多孔非织造层410，该非织造层由细长的纤维42构成；基本上为平面状的第二柔性多孔非织造层420，该非织造层由细长的纤维42构成。例如，非织造层410和420可包括由下述细长的纤维42形成的普通针毡层，每个非织造层410和420可利用交叉铺网机/分配装置300由多层纤维网42a构成，见图3。离散体44优选设置在这两个层410和420的分界面处。在图2中，几乎所有的离散体44都位于第一和第二层410和420之间，从而在这两个层410和420之间限定了一个离散体44的独立层44a。还可以考虑：将离散体44的一部分灌注到其中一个层410、420内或灌注到这两个层内，同时使剩余的离散体44定位在层410和420之间，以形成一个独立的层44a。此外，还可以考虑将几乎所有的离散体44以相等或不等的量灌注到层410和420的相对部分内。
用于芯层400内的离散体44可包括参照图1所示之实施例的上述离散体之一。
在将第一和第二加强层20和30组合到一起之前，层410沿Z方向的厚度约为1毫米到约6毫米，见图2，而层420沿Z方向的厚度约为1毫米到约6毫米，见图2。根据加强结构100之总重量的不同，芯层400的重量可占加强结构100之总重量约5％至约50％。离散体44的体积可占芯层400之总体积的约5％至约80％。
在图2所示的实施例中，第一加强层20在基质树脂灌注前其重量优选占加强结构100之总重量的约25％至约47.5％。第二加强层30在基质树脂灌注前其重量优选占加强结构100之总重量的约25％至约47.5％。

Claims (23)

1.一种用于制造复合部件的加强结构(10)，所述结构包括：
第一加强层(20)；
第二加强层(30)；以及
柔性芯层(40)，该芯层包括细长的纤维(42)和多个离散体(44)。
2.根据权利要求1所述的加强结构，其特征在于：所述第一和第二加强层中的至少一个层由多根离散的纤维(22，32)形成。
3.根据权利要求2所述的加强结构，其特征在于：所述离散体由选自下述这组材料中的纤维构成：陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、聚合物纤维，及其组合。
4.根据权利要求1至3之一所述的加强结构，其特征在于：所述芯层设置在所述第一和第二加强层之间。
5.根据上述权利要求之一所述的加强结构，还包括：用于将所述第一、第二和芯层连接在一起的结构。
6.根据权利要求5所述的加强结构，其特征在于：所述连接结构包括穿过所述第一、第二和芯层的缝纫线(50)。
7.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：限定所述芯层的所述细长纤维以机械方式连接在一起，从而限定至少一个柔性多孔的非织造层(46)，所述离散体与所述非织造层相关联。
8.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：所述细长纤维包括由下述这组材料中选出的纤维：聚酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯腈纤维、玻璃纤维，及其组合。
9.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：限定所述芯层的所述细长纤维以机械方式连接在一起，从而限定了第一和第二柔性多孔的非织造层(410，420)，所述离散体与所述第一和第二柔性非织造层相关联。
10.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：所述离散体由选自下述这组材料中的一种材料制成：发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫和聚氨脂泡沫。
11.根据权利要求1至9之一所述的加强结构，其特征在于：所述离散体由中空玻璃球和下述材料中的一种材料构成：发泡聚苯乙烯，聚氯乙烯泡沫，聚氯乙稀尿素泡沫和聚氨脂泡沫。
12.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：所述离散体的密度小于将被灌注到所述加强结构内的基质树脂的密度。
13.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：所述离散体不包括含有发泡剂的微球。
14.根据上述权利要求之一所述的加强结构，其特征在于：所述芯层基本上不合有树脂粘接剂材料。
15.一种用于制造加强结构(10)的方法，该方法包括下述步骤：
提供第一加强材料(22)，其用于限定一个第一加强层(20)；
提供一个含有细长纤维(42)的柔性芯层(40)；
提供与所述柔性芯层相关联的离散体(44)；并且提供第二加强材料(32)，该材料用于限定第二加强层(30)。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：提供第一加强材料的步骤包括提供由下述材料中选出的纤维的工序：陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纤维、石墨纤维、聚合物纤维，及其组合。
17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括：将所述芯层设置在所述第一和第二加强层之间的步骤。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：对所述第一、第二和芯层进行缝合(50)，从而将这些层连接在一起的步骤。
19.根据权利要求15至18之一所述的方法，其特征在于：提供含有细长纤维的柔性芯层的步骤包括提供至少一个柔性非织造层(46)的步骤，所述非织造层由多根以机械方式连接的细长纤维构成。
20.根据权利要求15至19之一所述的方法，其特征在于：所述细长纤维(42)包括由下述这组纤维中选取的纤维：聚酯纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)纤维、聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、聚酰胺纤维、玻璃纤维，及其组合。
21.根据权利要求15至20之一所述的方法，其特征在于：提供一个包括有细长纤维的柔性芯层的步骤包括提供第一和第二柔性非织造层的工序，其中第一和第二柔性非织造层由以机械方式连接的细长纤维构成。
22.根据权利要求15至21之一所述的方法，其特征在于：所述离散体不包括含有发泡剂的微球体。
23.根据权利要求15至22之一所述的方法，其特征在于：所述离散体由中空的玻璃球体和下述材料中的一种材料形成：发泡聚苯乙烯、聚氯乙烯泡沫、聚氯乙稀尿素泡沫和聚氨酯泡沫。
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