FI97114C - Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi - Google Patents

Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi Download PDF

Info

Publication number
FI97114C
FI97114C FI906234A FI906234A FI97114C FI 97114 C FI97114 C FI 97114C FI 906234 A FI906234 A FI 906234A FI 906234 A FI906234 A FI 906234A FI 97114 C FI97114 C FI 97114C
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
matrix
composite structure
structure according
reinforcing
layers
Prior art date
Application number
FI906234A
Other languages
English (en)
Swedish (sv)
Other versions
FI906234A (fi
FI906234A0 (fi
FI97114B (fi
Inventor
Mikko Karttunen
Esa Suokas
Original Assignee
Valtion Teknillinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Valtion Teknillinen filed Critical Valtion Teknillinen
Priority to FI906234A priority Critical patent/FI97114C/fi
Publication of FI906234A0 publication Critical patent/FI906234A0/fi
Priority to EP92900584A priority patent/EP0652821B1/en
Priority to CA002098740A priority patent/CA2098740A1/en
Priority to PCT/FI1991/000393 priority patent/WO1992011126A1/en
Priority to DE69130297T priority patent/DE69130297T2/de
Publication of FI906234A publication Critical patent/FI906234A/fi
Priority to US08/589,312 priority patent/US5888609A/en
Publication of FI97114B publication Critical patent/FI97114B/fi
Application granted granted Critical
Publication of FI97114C publication Critical patent/FI97114C/fi

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/22—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least two directions forming a two dimensional structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/22—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least two directions forming a two dimensional structure
    • B29C70/228—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least two directions forming a two dimensional structure the structure being stacked in parallel layers with fibres of adjacent layers crossing at substantial angles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B18/00—Layered products essentially comprising ceramics, e.g. refractory products
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B30/00—Compositions for artificial stone, not containing binders
    • C04B30/02—Compositions for artificial stone, not containing binders containing fibrous materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B38/00—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof
    • C04B38/0022—Porous mortars, concrete, artificial stone or ceramic ware; Preparation thereof obtained by a chemical conversion or reaction other than those relating to the setting or hardening of cement-like material or to the formation of a sol or a gel, e.g. by carbonising or pyrolysing preformed cellular materials based on polymers, organo-metallic or organo-silicon precursors
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B1/00—Weft knitting processes for the production of fabrics or articles not dependent on the use of particular machines; Fabrics or articles defined by such processes
    • D04B1/14—Other fabrics or articles characterised primarily by the use of particular thread materials
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B1/00—Weft knitting processes for the production of fabrics or articles not dependent on the use of particular machines; Fabrics or articles defined by such processes
    • D04B1/14—Other fabrics or articles characterised primarily by the use of particular thread materials
    • D04B1/16—Other fabrics or articles characterised primarily by the use of particular thread materials synthetic threads
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/50—Constituents or additives of the starting mixture chosen for their shape or used because of their shape or their physical appearance
    • C04B2235/52—Constituents or additives characterised by their shapes
    • C04B2235/5208—Fibers
    • C04B2235/5252—Fibers having a specific pre-form
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/30—Composition of layers of ceramic laminates or of ceramic or metallic articles to be joined by heating, e.g. Si substrates
    • C04B2237/32—Ceramic
    • C04B2237/38—Fiber or whisker reinforced
    • C04B2237/385—Carbon or carbon composite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2237/00—Aspects relating to ceramic laminates or to joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/50—Processing aspects relating to ceramic laminates or to the joining of ceramic articles with other articles by heating
    • C04B2237/62—Forming laminates or joined articles comprising holes, channels or other types of openings
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/04—Heat-responsive characteristics
    • D10B2401/041—Heat-responsive characteristics thermoplastic; thermosetting
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2401/00—Physical properties
    • D10B2401/10—Physical properties porous
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D10—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBLASSES OF SECTION D, RELATING TO TEXTILES
    • D10B2505/00—Industrial
    • D10B2505/02—Reinforcing materials; Prepregs
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
    • Y02P70/62—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product related technologies for production or treatment of textile or flexible materials or products thereof, including footwear

Description

1 97114
Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi 5 Keksintö kohdistuu tasomaiseen huokoiseen komposiittirakenteeseen, joka käsittää lujittavan rakenteen sekä matriisin, jolloin se muodostuu useammasta päällekkäisestä jatkuvien lankojen muodostamasta säännöllisesti aukollisesta tasomaisesta rakenteesta, jolloin huokoset muodostuvat em. rakenteiden aukoista. Lujittava rakenne muodostuu aukol-10 lisen rakenteen rakenneosana toimivan langan käsittämistä lujitekui-duista ja matriisi saman rakenteen langan käsittämästä matriisimate-riaalista, joka liittää yksittäisiä aukkoja ympäröivät, saman kerroksen eri lankaosuudet yhteen sekä eri kerrokset toisiinsa samalla jäykistäen rakenteen.
15
Esimerkiksi komposiitti koostuu matriisimuovista ja lujitekuiduista. Rakenteellisten komposiittien erinomaiset lujuudet perustuvat suurimodu-lisiin lujitefilamentteihin, joita ovat mm. lasi-, aramidi- ja hiilikuidut. Nykyään tällaisten komposiittien matriiseina käytetään lähinnä kertamuo-20 veja, joiden mittapysyvyys, kemiallinen ja lämpötilan kestävyys ovat hyvät. Rakenteellisissa primaarisissa kohteissa (esim. lentokone- ja avaruusteollisuus) epokseilla on valta-asema, sekundaarisissa sovellutuksissa (esim. autoteollisuus) käytetään myös mm. polyestereitä, fenoleita ja vinyyliestereitä. Kestomuovisten matriisien käyttö komposii-25 teissä tulee yleistymään uusien teknisten polymeerien, kuten esim. po-lyfenyleenisulfidin (PPS) polyeetterieetteriketonin (PEEK) ja polyeette-risulfonin (PES) kehittämisen myötä, mitä edesauttaa lähinnä näiden muovien erinomaiset fysikaaliset ja kemialliset ominaisuudet.
30 Komposiitit voivat perustua lujitteiden osalta joko jatkuva- tai katkokui-tuihin. Edelliset muodostavat rakenteeseen yhtenäisen, tavallisesti yk-siaksiaalisen verkoston. Jälkimmäiset jaetaan pituuden mukaan lyhyisiin, < 1—3 mm, ja pitkiin, < noin 3—10 mm. Staattisen ja dynaamisen kuormituksen kantavissa jatkuvakuituisissa rakenteellisissa komposii-35 teissä on huomioitava neljä perustekijää: 2 97114 kuidut matriisi kuitujen järjestysaste ja orientaatio 5 - kuitujen ja matriisin välinen sitoutuminen
Kuormituksen vastaanottavat lujitekuidut määräävät rakennekomposii-tin lujuuden ja jäykkyyden. Lisäksi ne sitkistävät materiaalia absorboimalla murtumisenergiaa mm. sidospintojen välisellä liukumismeka-10 nismilla. Matriisi suojaa ja tukee kuituja, varsinkin puristustilanteessa, sekä siirtää kappaletta rasittavan voiman kuidulta toiselle. Ylikuormitustilanteessa matriisin on pystyttävä välittämään voima katkenneiden filamenttien kesken ainekerroksien välisen leikkauksen avulla, jotta kuidut jälleen voisivat kantaa vetokuormaa. Tämän toteuttamiseksi kuitupi-15 tuuden on ylitettävä kriittinen arvo. Komposiitin laadun ratkaisee se, kuinka tasaisesti kuidut jakaantuvat rakenteeseen ja kuinka hyvin matriisi on kostuttanut ne. Jälkimmäinen riippuu oleellisesti matriisin juok-sevuudesta eli viskositeetista. Kuidut voivat orientoitua kolmella tavalla: 20 - yksiaksiaalisesti kaksiaksiaalisesti eli tasomaisesti kolmiaksiaalisesti eli -ulotteisesti
Rakennekomposiittien tapauksessa yhdensuuntaiset jatkuvakuitulami-25 naatit edustavat ensimmäistä, kudotut kankaat toista sekä mm. punokset kolmatta ryhmää. Lopullisesti matriisin ja kuitujen välinen rajapinta ratkaisee komposiitin onnistuneisuuden. Jatkuvien kuitujen ja matriisin välille pyritään saamaan luja sidos, jolloin rajavyöhykkeellä ei esiinny huokosia. Joskus kuidut on käsiteltävä sideaineella, jotta taattaisiin lujit-30 teen kytkeytyminen matriisiin. Silloin rakenteessa on itse asiassa kaksi rajapintaa, sekä sideaineen ja kuidun että sideaineen ja matriisin välillä.
Rakennekomposiittien erinomaiset mekaaniset ominaisuudet johtuvat 35 jatkuvista kuiduista eli filamenteista, jotka ovat tavallisesti 50 kertaa lujempia ja 20—150 kertaa jäykempiä kuin matriisimateriaalit. Tiheydeltään alhaisten (1.44-2.7 g/cm3) kuitujen vetolujuus ja kimmomodull ovat *. suuret, 3.0—4.5 GPa/80—550 GPa, kun matriisipolymeerien vastaavat 3 97114 tyypilliset arvot ovat 30—130 MPa/2.0—4.0 GPa. Kuituja muodostettaessa aineen lujuus kasvaa kiteiden aksiaalisen orientaation kohoamisen ja mikrorakenteen sisältämien virheiden (esim. säröt ja dislokaatiot) laskun myötä. Siksi yksidimensionaaliset jatkuvakuitukomposiitit ovat 5 huomattavasti vahvempia pitkittäisesti kuin poikittaisesti. Kysymyksessä on anisotrooppinen materiaali, jonka ominaisuudet riippuvat suunnasta. Siten komposiitti voidaan mitoittaa vallitsevan kuormitustilanteen mukaisesti mahdollisimman pienellä ainehukalla.
10 Komposiittien ominaisuudet ovat anisotrooppiset, mikä on selvintä yk-siaksiaalisissa rakenteissa. Niillä saavutetaan suurin mahdollinen vetolujuus ja -moduli. Koska kappaleita kuormittaa tavallisesti kolmiulotteinen jännityskenttä, yksidimensionaaliset levyt on laminoitava päällekkäin, jotta lujitusvaikutus saavutettaisiin useammassa suunnassa. Kun 15 jatkuvakuidut orientoidaan tasossa moniaksiaalisesti, syntyy pseu-doisotrooppisia laminaatteja. Kolmiulotteisessa peruskoordinaatistossa niiden xy-tason jäykkyys on verrattavissa alumiiniseoksiin, mutta poikittainen vetolujuus ja -kimmomoduli sekä leikkauslujuus ovat alhaiset. Tämä johtuu eri kerroksien elastisten vakioiden välisistä suuruuserois-20 ta, minkä takia matriisin kuormitus vaihtelee laminaatin paksuussuun-nassa (z). Siksi rakennekomposiitti pettää yleisimmin kerroksien keskinäisen liukumisen vuoksi.
Jotta jatkuvakuidut suuntautuisivat rakenteessa suunnitellulla tavalla, 25 monimutkaisten komposiittikappaleiden valmistuksessa on tavallisesti turvauduttu alhaisen viskositeetin omaaviin kertamuovimatriiseihin, kuten epokseihin ja polyestereihin, sekä käsityövaltaisiin ja kalliisiin menetelmiin, kuten käsinlaminointiin ja autoklaaveihin. Kertamuovikom-posiittien valmistus on ollut hidasta ja hankalaa, koska juoksevan mat-30 riisin säilytys ja käsittely vaatii erikoislaitteiston sekä niiden kemiallinen verkkouttaminen vie runsaasti aikaa. Muiksi kertamuovikomposiittien tulevan kehityksen hidasteiksi ja joissakin tapauksissa esteiksi ovat nousseet niiden hauraus ja kosteusherkkyys sekä työsuojelulliset seikat.
35 4 97114
Kestomuovien käyttöä komposiittien matriiseina on viivyttänyt näkökanta, minkä mukaan tiiviisti pakattujen jatkuvakuitujen kostutus on epäkäytännöllistä viskooseilla polymeereillä. Lisäksi on epäilty lämpömuo-vauksen onnistumista rakenteissa, jotka sisältävät yli 60 t-% venymät-5 tömiä kuituja. Uusien teknisten kestomuovien erinomaiset fysikaaliset ominaisuudet ovat kuitenkin hiljalleen muuttamassa mainittua suhtautumistapaa.
Termoplastisten I. kestomuovisten komposiittien prosessointi perustuu 10 lämpöön ja paineeseen, joten niiden valmistus on huomattavasti nopeampaa kuin vastaavien kertamuovisten rakenteiden. Koska lämpö-ja/tai painemuovaus voidaan toistaa useita kertoja, rikkoutuneet rakenteet on helppo korjata. Lisäksi hylkykappaieet ja viimeistelyjäte soveltuvat esimerkiksi ruiskuvalun raaka-aineeksi.
15
Kestomuoviset katkokuitukomposiitit valmistetaan polymeerien perinteisillä sulatyöstömenetelmillä, mm. ruiskuvalulla, joten lujitteiden orientaatiota ei kyetä hallitsemaan täydellisesti. Esimerkiksi ruiskuvalussa lujitteena toimivien katkokuitujen ja polymeerimolekyylien suuntautumi-20 seen vaikuttavat muotin täyttymisvaiheen aikainen monimutkainen vir-tauskenttä, mikä sisältää sekä leikkaavan että venyttävän komponentin. Kun lyhyet katkokuidut sulaimpregnoidaan kestomuovilla ekstruuderin ruuvissa, ne pilkkoutuvat keskinäisen hankauskitkan vuoksi voimakkaassa leikkaus ja venytysvirtauksessa. Koska teknisten kestomuovien 25 viskositeetti on 103—106 suurempi kuin kertamuoveilla, polymeeri ei pysty kostuttamaan täydellisesti kuitujen koko pinta-alaa. Siten ruisku-valuvaiheessa lujitteet hieroutuvat edelleen, minkä seurauksena keskimääräinen kuitupituus valmiissa kappaleessa on 180—200 pm.
30 US-patentissa 3,914,494 on esitetty suuriaukkoisten kudottujen kerrosten latominen päällekkäin niin, että aukkojen sijainti toisiinsa nähden on mielivaltainen. Kerrokset sitoutuvat toisiinsa niihin imeytetyn kovettuvan kertamuovin avulla. Monikerroksisen tuotteen valmistus vaatii erillisen imeytys- ja kovetusvaiheen.
Eurooppalaisessa hakemusjulkaisussa 272083 esitetään tapa valmistaa huokoinen lujitemateriaalina toimiva kappale latomalla termoplastista matriisia ja lujitekuitua käsittävistä langoista muodostettuja kankaita 35 s 97114 päällekkäin ja suorittamalla niiden sitominen lämmön avulla. Lujiterakenteen tarkoituksena on huokoisuus siinä määrin, että siitä on mahdollista valmistaa komposiittituote käyttämällä matriisina helposti juoksevaa kertamuovia. Eurooppalaisessa hakemusjulkaisussa 133893 on 5 lisäksi esitetty tapa valmistaa kuiduilla lujitettuja muotokappaleita päällekkäin ladotuista kankaista tai neuleista.
Keksinnön tarkoituksena on esittää komposiittirakenne, jolle on ominaista helppo valmistus sekä hyvä lujuus kaikissa suunnissa. Keksin-10 nön kohteena on erityisesti muotopysyvä tasomainen rakenne, t.s. rakenne, jonka kaksi dimensiota (toisiaan vastaan kohtisuorat x ja y) ovat selvästi suuremmat kuin kolmas, niitä vastaan kohtisuora dimensio (z). Kyseessä on suurin piirtein em. z-dimension suunnassa vakiopaksuinen suora tai kaareva rakenne, joka on samalla kevyt sen sisältämien huo-15 kosten johdosta ja jota em. huokosten ansiosta voidaan käyttää moniin tarkoituksiin korvaamaan aikaisemmin tunnetut vastaavantyyppiset huokoiset rakenteet, joihin huokoset tai aukot on järjestetty liimaamalla tai hitsaamalla yhteen puoliheksagonaaliseen muotoon aallotettuja kaistaleita. Tämän tarkoituksen toteuttamiseksi keksinnön mukaiselle 20 komposiittirakenteelle on pääasiassa tunnusomaista se, että kerrokset muodostuvat neuleista ja huokoset ovat neuleen silmukoista, jotka on kohdistettu samalle kohtaa kerrosten tasossa. Em. neuleisiin kuuluu myös raschel-neuleet ja yleensä kaikki tekstiilitekniikalla valmistettavat neulerakenteet. Lujittava rakenne muodostuu aukollisen rakenteen ra-25 kenneosana toimivan langan käsittämistä vahvikekuiduista ja matriisi saman rakenteen langan käsittämästä matriisimateriaalista, joka liittää samalla päällekkäisten rakenteiden muodostamat kerrokset yhteen. Rakenteen huokoisuus on tarkoin säädelty kohdistamalla neuleen silmukat samalle kohtaa kerrosten tasossa, jolloin saadaan aikaan laajo-30 ja, tasomaisen rakenteen läpi z-suunnassa kulkevia väyliä. Käyttämällä rakennekerroksina neuletta saavutetaan muodostettavalle kappaleelle hyvä muotoutuvuus valmistusvaiheessa, minkä lisäksi neuleiden veny-vyyttä voidaan käyttää hyväksi myös muiden lopullisten, edullisten rakenneominaisuuksien aikaansaamiseksi komposiittikappaleeseen.
Matriisimateriaali muodostaa rakenteessa sekä x-, y että z-suuntaan ulottuvan jatkuvan faasin, joka liittää huokoisen rakenteen lujitekuidut yhteen jäykäksi rakenteeksi.
35 6 97114
Oheisissa alivaatimuksissa 2—11 on esitetty eräitä edullisia vaihtoehtoja keksinnön mukaiselle komposiittirakenteelle. Vahvikekui-tuina voi olla jatkuva filamentti, kuten lasi, jolloin samassa langassa voi 5 olla myös matriisimateriaali jatkuvana filamenttina, jolloin kyseinen lanka voi olla multifilamenttilanka, esim. erityyppisistä monofilamenteis-ta monistettu tai kerrattu lanka. Jatkuva filamentti voi olla myös päällystetty matriisimateriaalin muodostavalla kerroksella. Toinen vaihtoehto vahvikekuituja ja matriisimateriaalia käsittäväksi langaksi on kehrää-10 mällä vahviketapulikuiduista ja matriisitapulikuiduista muodostettu lanka.
Matriisimateriaalin sulamisen avulla muodostetun komposiitti kappaleen sijaan voidaan keksintöä soveltaa myös hiilletettyä materiaalia sisältä-15 viin komposiittirakenteisiin, jolloin matriisimateriaali muodostaa amorfiseksi hiileksi hiilletetyn materiaalin.
Menetelmälle keksinnön mukaisen komposiittirakenteen valmistamiseksi useammasta neulekerroksesta, jossa matriisimateriaali on kes-20 tomuovia, on taas tunnusomaista se, että kerrokset puristetaan tai annetaan hakeutua painovoiman vaikutuksesta matriisimateriaalin sula-mislämpötilassa haluttuun muotoon, minkä jälkeen saatu kappale jäähdytetään. Paineen tai painovoiman ja lämmön yhteisvaikutuksella voidaan saada aikaan halutun muotoisia lujia komposiittirakenteita. Mene-25 telmälle keksinnön mukaisen, hiilletettyä materiaalia sisältävän komposiittirakenteen valmistamiseksi hiilletettävää materiaalia olevan matriisimateriaalin käsittävästä useammasta neulekerroksesta on taas tunnusomaista se, että kerrokset hiilletetään lämmön avulla uunissa suojaiimakehässä siten, että hiilletettävä materiaali muuttuu amorfi-30 seksi hiileksi, minkä jälkeen kappale jäähdytetään.
Kestomuovin sulatukseen perustuvalla menetelmällä voidaan valmistaa kevyitä, lujia ja jäykkiä huokoisia levymäisiä suoria, kaarevia tai pallomaisia kappaleita, jotka korvaavat mm. hunajakennorakenteet. Koska 35 termoplastien sulaviskositeetti on korkea, on hyötyä siitä, että ne kerrokset muodostavissa langoissa ovat kuitumuodossa tai vahvikefila-menttia ympäröivinä päällysteinä. Kun saatetaan poikkipinta-alaltaan pieniä matriisi- ja lujiteyksikköjä toistensa läheisyyteen, kestomuovin 7 ·97114 virtausmatka lyhenee merkittävästi prosessointivaiheessa. Näin lujite-kuidut kostuvat paremmin ja tasaisemmin, joten lämmön ja paineen avulla kyetään valmistamaan komposiittikappale. Matriisin ja lujitteen ollessa molempien kuitumaisia niistä on mahdollista tehdä lankoja (co-5 and intermingling). Jos käytetään filamentteja, ne kyetään monistamaan, kertaamaan tai kertokertaamaan. Monistettu lanka rakentuu kahdesta tai useammasta filamentista, sekä matriisi- että lujiteyksikös-tä, jotka on kehitty yhteen ilman kierrettä. Ajamalla eri puolilla olevat matriisi- ja lujitekuidut yhtäaikaa esim. taso- tai pyöröneulekoneen 10 neuloille saadaan aikaiseksi monistettua lankaa vastaava rakenne. Kerrattu lanka syntyy kierrettäessä yhteen kaksi tai useampi filamentti. Kun yhdistetään edelleen kaksi kerrattua lankaa, muodostuu kertokerrattu rakenne. Eri kuitujen keskinäistä seostumista on mahdollista parantaa ilmapuhallusteknlikalla (air-jet co- and interminling), mutta virtausas-15 teen on oltava alhainen, jotta hauraat lujitteet eivät vaurioituisi.
Filamenttien ohella voidaan käyttää myös katko- eli tapulikuituja. Kun matriisi- ja lujiteyksiköt sekoitetaan tapulimuodossa keskenään, saadaan kehrättäessä homogeenisempi lanka, kuin jos ne kierrettäisiin 20 yhteen filamentteina. Lujitteen ja matriisin jakautuessa tasaisesti kaikkialle langan mikrorakenteeseen lämpöpuristusvaiheessa sulan polymeerin aksiaalinen ja radiaalinen virtausmatka lyhenee huomattavasti, eli lopullisesta komposiittikappaleesta tulee materiaalijakaumaltaan tasaisempi. Kyseisestä kuitutyypistä on kaupallisena esimerkkinä "Heltra" 25 -tuotemerkki (Heltra Division of Courtalds Advanced Materials).
Menetelmässä keksinnön mukaisen rakenteen valmistamiseksi matriisi-ja lujitekuiduista koostuvien hybridilankojen lisäksi lähtöaineina voivat olla taipuisat sula-, jauhe- tai liuosimpregnoidut lujitekuidut. Edelliset 30 valmistetaan kaapelinpäällystystekniikalla syöttämällä lujitemultifila-mentit ristipääsuuttimen läpi, jolloin sula polymeeri muodostaa niiden pinnalle kalvon. Jälkimmäiset syntyvät ajettaessa lujitteet jauhemaisten matriisipartikkelien läpi, jotka tarttuvat liikkuviin kuituihin mm. staattisen sähkön ansiosta. Tämän jälkeen rata ohjataan lämpöuuniin, missä 35 matriisipolymeeri sulatetaan kuidun pinnalle. Jauheimpregnoidut lujitteet voidaan myös pinnoittaa ristipääsuuttimessa muovisulalla, joka jäähtyessään muodostaa irtonaisia partikkeleita suojaavan kalvon. Kaupallisena esimerkkinä on mm. ranskalaisen "Atochem" -yrityksen 8 97114 FIT -kuidut (Fibre Impregnated Thermoplastics). Kaikissa yllä mainituissa tapauksissa muovisula voidaan korvata mahdollisella vastaavalla liuoksella (liuosimpregnointi).
5 Keksinnön tarkoituksena on valmistaa kevyt, luja ja jäykkä huokoinen komposiittirakenne. Lähtökohtana on edullisimmin kestomuovimatriisin ja lujitemateriaalin muodostama taipuisa hybridilanka, mikä on mahdollista neuloa pinta-alaltaan laajaksi tuotteeksi. Kun neuleita (sileä, interlock, resori, raschel-tekniikkaan perustuvat jne..), laminoidaan muotou-10 tuvina päällekkäin, ne kyetään edelleen puristamaan lämmön ja suuren, sidoksesta ja materiaalista riippuvan paineen (> 20 bar) avulla huokoiseksi kennolevyksi. Ylipaineen sijasta voidaan käyttää vakuumia eli alipainetta tai antaa pehmenneen levyn taipua muotin ääriviivojen mukaisesti painovoiman vaikutuksesta. Saatu kestomuovinen rakenne voi-15 daan muotoilla helposti monimutkaisiksi geometrisiksi pinnoiksi. Jos matriisipolymeeri on kiteinen tai puolikiteinen, kennon lujuutta, jäykkyyttä ja sitkeyttä kyetään säätämään prosessiparametrien, erityisesti jääh-dytysnopeuden avulla. Kun se on alhainen (< 1°C/min, esimerkkinä PEEK), matriisi kiteytyy lähes täydellisesti, jolloin kennolevystä tulee 20 jäykkä ja hauras. Rakenteen sitkeys, t.s. leikkauslujuus, kasvaa nostamalla jäähdytysnopeutta (> 1000°C/min, esimerkkinä PEEK), sillä matriisista tulee amorfisempi. Matriisina olevan kestomuovin valinnan avulla voidaankin säätää tuotteen loppuominaisuuksia halutuksi.
25 Keksinnön mukaisen rakenteen lähtömateriaali on neule. Lämpöpuris-tusvaiheessa neulekerrokseen tai neulekerroksiin kohdistetaan niin suuri normaalivoima (z-suunta), että neule venyy tasosuunnassa (xy-ta-so) äärimmilleen. Tämän seurauksena neuleen silmukat aukeavat, jolloin muodostuu verkkorakenne. Jos neuleita on useampia päällekkäin, 30 voidaan niiden silmukat saada samaan vertikaaliseen linjaan siten, että ahtopuristimeen asennetaan erityinen muotti, jossa silmukat ohjataan paikoilleen verhottujen jousitappien avulla. Puristettaessa ne laajene- * vat, jolloin neulesilmukat avautuvat ääriasentoonsa, jolloin syntyy huna-jakennoa muistuttava kolmidimensionaalinen tuote.
Keksinnön mukaisella menetelmällä kestomuovimatriisi kyetään jakamaan erityisen tasaisesti lujitteeseen, mikä ei ole mahdollista perinteisillä sulatyöstömenetelmillä, kuten ruiskuvalulla. Kestomuovimatriisin 35 9 97114 avulla lujitteet saadaan lukkiutumaan lujuuslaskennallisesti optimaalisiin paikkoihin ja asemiin vaikuttavaan jännityskenttään nähden sekä hyvin vaikeisiin geometrisiin muotoihin, mikä ei ole mahdollista juoksevilla kertamuoveilla. Keksinnön avulla voidaan tehdä hyvin laajapin-5 täisiä ja monimutkaisia kappaleita.
Keksinnön mukaista kennorakennetta voidaan valmistaa jatkuvatoimi-sesti nykyisillä massatuotantomenetelmillä. Lujitekuitua ja kestomuovi-matriisia sisältävän neuleen muodostama ns. prepreg-rakenne voidaan 10 lämmön ja paineen avulla puristaa jäykkään levymuotoon, missä ken-noaukkojen laajuus riippuu normaalipaineesta. Kun voima on pieni, levystä tulee tiivis. Huokoiseen rakenteeseen päästään suurella puristus-paineella, jolloin neule leviää enemmän. Ajettaessa taipuisa, yhdestä tai useasta kerroksesta muodostuva puolivalmiste kuumennusvyöhyk-15 keen läpi se on mahdollista muovata ali- tai ylipaineen avulla muoto-kappaleeksi. Siten jatkuvatoiminen kennorakenteen valmistuslinja koostuu esimerkiksi lujite- ja matriisikuidun syötöstä, neulonnasta, kuumennus- ja painevyöhykkeestä sekä viimeistelyvaiheesta. Taipuisa tai jäykkä prepreg-kenno on varastoitavissa puolivalmistemuodossa ja 20 siirrettävissä esim. kokonaan toiseen paikkaan, missä tapahtuu tuotteen lopullinen valmistus.
Matriisimateriaaleiksi soveltuvat kaikki kestomuovit, jotka voidaan sulattaa lämmön avulla ja puristaa muotoon paineen avulla. Lopullisen 25 komposiittikappaleen mekaaniset ominaisuudet ovat parhaimmillaan, kun käytetään matriisina uusia teknisiä kestomuoveja, kuten esim. po-lyeetterieetteriketonia (PEEK), polyfenyleenisulfidia tai termotrooppisia nestekidepolymeereja. Lujitekuiduiksi käyvät mm. lasi-, aramidi-, hiili-, keraami-, kivi- ja LCP-kuidut, jotka voivat olla tapulikuituja tai mono- tai 30 multifilamenttikuituja.
Keksinnön mukaiset komposiittirakenteet eivät rajoitu pelkästään kes-tomuovimatriisin sulamisen avulla muodostettuihin, vaan hiilettämällä pystytään valmistamaan myös vastaavaa jäykkää keraamista rakennet-35 ta. Tässä tapauksessa matriisina voidaan käyttää esim. fenoli-, viskoosi- tai polyakryylinitriilikuituja ja lujitteena mm. keraami-, mineraali- tai 10 97114 kivikuitua. Lämpöpuristus korvataan tällöin suojailmakehäisellä uuni-vaiheella, missä normaalipaineen vaikutuksen alaisen neuleen matrii-simateriaali hiiltyy, vierekkäisten lankojen matriisimateriaalien välille muodostuu hiili-hiilisidoksia, ja hiilletetty matriisimateriaali muodostaa 5 lopuksi x-, y- ja z-suunnassa jatkuvan, yhtenäisen amorfista hiiltä olevan matriisin. Jos matriisi ja lujite ovat molemmat samaa hiiletettävää materiaalia, uunivaiheessa syntyy hiili/hiili-komposiitti, jossa komponentit säilyttävät alkuperäisen muotonsa. Tällaisesta komposiitista voidaan mainita esimerkkinä hybridilangasta valmistettu tuote, jossa visio koosikuitu toimii lujitteena ja polyakryylinitriili matriisina.
Käytettäessä hiilletettävää kestomuovia, kuten polyakryylinitriiliä, se sulaa nostettaessa lämpötilaa hiillon alkuvaiheessa ja muodostaa jatkuvan matriisin jo tässä vaiheessa. Käytettäessä taas fenolia, joka on 15 esipolymeroitu ja käsittää verkkoutusainetta, verkkoutusaine pääsee vaikuttamaan ja liittää hiillon alkulämpötilassa matriisin samalla tavalla yhtenäiseksi.
Neuleina voidaan keksinnössä käyttää mitä tahansa neuletta, kuten 20 esim. sileää neuletta, resori- tai interlock-tyyppistä neuletta jne. halutun muotoilukäyttäytymisen ja lujitusvaikutuksen mukaan. Jälkimmäistä ominaisuutta voidaan neuleella parantaa ns. inlay-tekniikalla. Koska neuleen muodonmuutosaste ei ole riippuvainen lujitekuidun venyvyy-destä, vaan makrorakenteesta, hybridilangasta (matriisi ja lujitekuitu 25 samassa langassa) tehty neule edustaa taipuisaa puolivalmistetta eli prepreg-materiaalia. Siten neuletyypin avulla on mahdollista säätää puolivalmisteen sekä lopullisen tuotteen makroskooppista muodonmuu-tosastetta ja samalla lujitus- ja muotoilukäyttäytymistä. Eri silmukkako-kojen ja -tiheyksien valinnalla saadaan syntymään painoltaan toisis-30 taan poikkeavia kennorakenteita. Koska keksinnön mukainen, neuleeseen perustuva kenno on helposti muotoiltavissa, puolivalmisteena siitä kyetään tekemään mm. pallomaisia kappaleita, jotka lämpöpuristetaan lopulliseksi tuotteeksi esim. elastisilla kumikalvoilla.
35 Kun yhden tai useamman neuleen tai kankaan päälle asetetaan muovikalvoja, lämpöpuristuksessa syntyy hyvin jäykkä ja luja pinta/ydin/pinta-eli sandwichrakenne. Orientoitu pinta ottaa vastaan kuormitustilanteessa joko veto- tai puristusjännityksen, kun taas keksinnön mukainen ydin '1 lii t im M t *1 11 97114 ottaa vastaan leikkausvoiman. Sitkeän kestomuovimatriisin ansiosta ko. kevyt kenno kestää hyvin suuria leikkausjännityksiä, mitä pystytään edelleen parantamaan valitsemalla lujitteeksi mm. UHMWPE-, lyo-trooppinen tai termotrooppinen LC-kuitu.
5
Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää erään keksinnön mukaisen rakenteen valmistusvai-10 hetta ennen lopullisen tuotteen muodostamista, kuva 2 esittää tasokuvantona mahdollisuutta järjestää neuleista muodostuvat kerrokset päällekkäin, 15 kuva 3 esittää perspektiivikuvantona yksityiskohtaa valmiista tuotteesta, kuva 4 esittää erästä kerroksen/kerrokset muodostavissa rakenteissa käytettävää lankatyyppiä, ja 20 kuva 5 esittää erästä toista kerroksen/kerrokset muodostavissa rakenteissa käytettävää lankatyyppiä.
Kuvassa 1 on esitetty tilanne ennen puristusta valmiiksi tuotteeksi 25 tuotteen tason suuntaa vastaan kohtisuorana poikkileikkauskuvantona.
: Kerroksen 1 osakerrokset 1a, 1b, 1c ja 1d muodostuvat yksinkertaisista neuleista, jotka on ladottu päällekkäin. Vaikka kuvan 1 suoritusmuodossa neuleet onkin ladottu siten, että niiden silmukkavaot ovat päällekkäisissä kerroksissa samansuuntaiset, voidaan käyttää myös ristiin-30 latomista, jolloin silmukkavaot edellisissä kerroksissa kulkevat kohtisuoraan toisiaan nähden. Silmukkavaot voidaan järjestää myös kulmiin toisiinsa nähden, esim. 45° tai 60° välein, jolloin isotrooppisuus paranee. Kerrokset muodostavat langat on muodostettu jostain edellä mainitusta hybridilangasta 3. Kuvan 1 rakenteeseen kohdistetaan voi-35 maa nuolen F suunnassa, eli rakenteen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa, jolloin kerrokset tulevat lähemmäksi toisiaan, ja samalla käytettävän lämmön avulla matriisimateriaali sulaa tuotteen tasoa vastaan kohtisuorassa suunnassa jatkuvaksi matriisifaasiksi, joka liittää 12 97114 päällekkäiset kerrokset 1a, 1b, 1c ja 1d toisiinsa. Neuleet voidaan muodostaa myös neulomalla yhteen yksinomaan matriisia olevaa lankaa ja yksinomaan lujitekuitua olevaa lankaa. Neuleen rakenteen johdosta matriisi muuttuu myös tällöin koko rakenteen läpi jatkuvaksi faa-5 siksi.
Kuvassa 1 on lisäksi esitetty eräs mahdollisuus kohdistaa neulekerros-ten 1a, 1b, 1c ja 1d silmukoiden muodostamat aukot 2 siten, että ne tulevat samalle kohtaa katsottuna tuotteen tasoa vastaan kohtisuorassa 10 suunnassa. Tämän toteuttamiseksi puristuselimessä on em. suunnassa puristuspinnasta 6 ulkonevia tappeja 7, jotka menevät päällekkäisten kerrosten silmukoiden läpi. Puristuksen yhteydessä tapit 7 voivat lisäksi laajeta sivusuunnassaan neuleiden 1 venymisen mukaisesti sen ansiosta, että ne käsittävät kukin tapin sisällä olevan sen pituussuuntai-15 sen jousen 7a, joka on verhottu taipuisalla seinämämateriaalilla 7b. Tapit 7 voidaan muodostaa myös sisältä ontoiksi, jolloin niiden seinämä 7b on joustava. Tapit saadaan tällöin laajenemaan sivusuunnassa niiden sisään johdetun ilman avulla. Kohdistus on erityisen helppo tehdä neuleilla, joissa kaikki silmukat ovat säännöllisen muotoisia ja kokoisia.
20
Kuvassa 2 on esitetty kaksi päällekkäistä neulekerrosta 1a ja 1b, jotka on ladottu ristiin. Kuvassa näkyy myös neuleen sisään järjestetyt pääasiassa yhteen suuntaan kulkevat inlay-langat 3b, jotka voivat olla erityyppisiä kuin neuleen muodostavat langat 3a. Kuten kuvasta 4 käy il-25 mi, menevät myös inlay-langat ristikkäin ristiinladonnassa.
Kuvassa 3 on esitetty yksityiskohta valmiista rakenteesta. Kuten kuvasta näkyy, kysymyksessä on neule, jonka silmukat 2 ovat venyneet puristuksen yhteydessä monikulmiomaisiksi rakenteiksi. Kohtaa, jossa 30 hybridilangan 3 matriisi on liittänyt vierekkäiset, yksittäisiä silmukoita ympäröivät eri lankaosuudet yhteen, on merkitty viitenumerolla 1c.
Kuvassa 4 on esitetty eräs mahdollinen aukollisissa rakennekerroksissa 1 käytettävä lankatyyppi sen pituussuuntaisena poikkileikkauksena. 35 Lanka on monistettu lanka, joka muodostuu matriisimateriaalia olevista filamenteista 4 ja lujitemateriaalia olevista filamenteista 5. Kuvassa 5 13 97114 on puolestaan esitetty jatkuva langan 3 ytimenä oleva jatkuva lujitefila-mentti 5, jonka päälle on saatettu matriisimateriaalia oleva jatkuva kerros 4 jollain edellä kuvatulla menetelmällä. Hyvän lujuuden saavuttamiseksi lujitekuitujen osuus valmiissa tuotteessa tulisi olla yli 10 til.-%, ja 5 optimaalinen lujitekuitujen osuus on 50—60 til.-%.
*
Useampia osakerroksia voidaan saattaa päällekkäin myös laskostamalla saman aihion eri osuuksia sen sijaan, että osakerrokset muodostuisivat erillisistä kappaleista.
10
SOVELLUTUKSET
Keksinnön mukainen, painoltaan alhainen kennorakenne soveltuu kuljetusvälineiden, kuten esim. autojen, laivojen, lentokoneiden ja avaruus-15 aluksien sekundaarisiin ja primaarisiin osiin, mikä jako riippuu matriisi-ja lujitemateriaalin valinnasta. Edelliset käsittävät mm. erilaiset kuoret ja verhoukset, jälkimmäisistä ovat esimerkkinä mm. sandwich-palkit ja -profiilit. Vastaavat tuotteet käyvät myös rakennus- ja prosessiväline-teollisuuden tarpeisiin. Keksinnön mukaisella kennolla voidaan alentaa 20 merkittävästi hitausmassaa, joten tärkeitä sovellutuskohteita ovat liikkuvat koneen osat, esim. robottien raajat ja tekstiilinvalmistuskoneiden neulauslevyt. Keveytensä ansiosta kennolevy sopii myös satelliittiantennien tukirakenteeksi.
25 Muita neulekennon käyttökohteita ovat mm. erilaiset kaasumaisten nestemäisten aineiden ja/tai partikkeleiden suodattimet (ilman ja vesien suojelu). Kun jatkuva lujitekuitu on metallia, siihen on mahdollista johtaa sähkövirta, joten positiivisesti tai negatiivisesti varautuneet partikkelit saadaan takertumaan kennon onkaloihin. Huokoista, sisäiseltä 30 pinta-alaltaan laajaa rakennetta voidaan käyttää myös esim. bakteerien ja kasvien kasvualustana. Koska kennorakenteen pinta ala on suuri, siihen kondensoituu lämpötilan muutoksien johdosta ilman kosteutta. Tämä käyttäytyminen on hyödynnettävissä autiomaaolosuhteissa mm. veden hankinnassa. Suurta pinta-alaa voidaan käyttää myös auringon 35 säteilyenergian varastointiin, jolloin lujitteen on oltava ohutta sähköä johtavaa metallia. Tässä tapauksessa silmukka-aukkoihin on sijoitettava aurinkokennoelementit tai matriisin, esim. orgaaniset johdepoly-meerit, on kyettävä muuntamaan säteilyenergia sähkövirraksi.
14 97114
Edellä mainitut sovellutukset perustuvat tasoneuleisiin, mutta jos käytetään pyöröneuleita, voidaan valmistaa putkimaisia kennorakenteita. Taipuisan puolivalmisteen tai päällekkäin laminoitujen lieriömäisten 5 puolivalmisteiden matriisi on ensin sulatettava sylinterimäisen, kuumennettavan metallimuotin avulla, minkä jälkeen se jäähdytetään sopivalla nopeudella. Saadut putkimaiset kennolevyt sopivat mm. laakeri-pinnoiksi, tai erilaisiksi virtaussuodattimiksi ja erottimiksi. Valitsemalla matriisiksi joko tekninen lämmönkestävä (esim. polyimidisulfoni) tai 10 hiilletettävä (esim. polyakryylinitriili) polymeeri ja lujitteeksi esim. ke-raamikuitu on mahdollista valmistaa nopeasti esim. savupiippujen suodattimia ja eristeitä. Kun sylinterimäisen kennon päälle ajetaan mm. kelaamalla tai ekstruusiotekniikalla puhalluskalvo/-kalvoja, saadaan syntymään pinta/ydin- eli sandwich-rakenne, mikä soveltuu esim. mas-15 tojen, tukitankojen ja piippujen rakennusmateriaaliksi. Kennon matriisin ja lisättävän kalvon polymeerin ollessa samaa materiaalia, esim. poly-fenyleenisulfidia (PPS), prosessointivaiheessa ne hitsautuvat lujasti toisiinsa kiinni eli rajapinnoille syntyy hyvä adheesio.
20 Keksinnön mukaista aukollista kennorakennetta voidaan käyttää 3-di-mensionaalisena lujiterakenteena impregnoimalla paineen avulla aukot esim. lasikuitupitoisella kertamuovilla. Vaihtoehtoisesti onteloihin voidaan syöttää ekstruuderilla sulatettua pitkäkuitulujitettua kestomuo-vigranulaattia mm. erikoissuuttimen tai "hot melt" -tekniikan avulla, jol-25 loin juokseva polymeeri kuituineen ohjataan silmukka-aukkoihin esim. telojen avulla. Lopuksi muodostunut 3-ulotteinen laminaatti jäähdyte- tään paineen alaisena joko valsseissa tai nauhapuristimessa. Kennon ja lisättävän granulaatin matriisin ollessa samaa materiaalia, esim. polypropeenia, prosessointivaiheessa ne hitsautuvat lujasti toisiinsa kiinni 30 eli rajapinnoille syntyy hyvä adheesio. Keksinnön mukainen tuote voi siis olla välituotteena valmistettaessa komposiittirakenteita, jolloin se muodostaa lujitteen (välituotteen ainesosista voidaan tällöin käyttää nimitystä lujite 1 ja matriisi 1) ja tuotteen aukkoihin voidaan järjestää lopullisen tuotteen matriisi (ns. matriisi 2), jossa voi olla myös lujitetta 35 (ns. lujite 2). Lujite 2 voi olla jatkuvia kuituja tai mikropalloja.
: . sh ; «-li; ι ; i «· 97114 15
SUORITUSESIMERKKI
Polyamidista ja E-lasista koostuva hybridilanka, jonka hienous oli noin 5 167 tex, neulottiin tasokoneella Stoll UFD interlock-asetuksella, jolloin neliöpainoksi saatiin noin 936.0 g/m2. Neuleesta leikattiin paloja (300 x 300 mm), joita ladottiin päällekkäin neljä kappaletta siten, että eri kerroksien konesuuntainen orientaatio yhtyi. Koska käytetyn matriisipoly-meerin sulamispiste on 256°C, laminaattiaihio ahtopuristettiin huokoi-10 seksi kennolevyksi lämpötilassa 264—267°C, mikä oli koneasetuksen vaihteluväli. Prosessivaiheessa noudatettiin seuraavaa aika-, paine- ja lämpötilaprofiilia:
5 min, 100.0 kN,265°C 15 - 5 min, 150.0 kN, 265°C
8 min, 100.0 kN, 264—267°C 2 min, 150.0 kN, 264—267°C
Lopuksi kappale ilmajäähdytettiin 30 kg:n painon alla. Laminaatin pak-20 suudeksi tuli suunnilleen 6 mm ja tiheydeksi huokosten kanssa 500 kg/m3. Kennolevystä sahattiin veto- ja taivutuskoenäytteet, joiden mitat esitetään alla: - vetosauvat: 25 leveys: 20.0 ± 0.5 mm • pituus: 200.0 -1.0 mm - taivutussauvat: 30 •leveys: 10.0 ±0.5 mm • pituus: 100.0 ± 0.5 mm
Vetokoe tehtiin standardin ISO 3268: 1978(E) ja 3-piste taivutuskoe 35 normin ASTM D 790 M-84 mukaan. Viiteen (5) rinnakkaisnäytteeseen perustuvat tulokset ovat seuraavat: ie 97114 - vetolujuus: 21.3 ± 1.3 MPa - murtovenymä: 3.2 ± 0.2% - Youngin moduli: 1114.0 ± 75.0 MPa 5 - taivutuslujuus: 29.3 ±1.9 MPa • taivutuskimmomoduli: 1546.0 ± 60.9 MPa
Koska keksinnön mukainen kennolevy on huokoinen, tehdyt kokeet ei-10 vät karakterisoi kovin hyvin sitä, sillä sauvojen dimensioiden mukaiset poikkipintamitat sisältävät aineettomia osia. Mikäli em. tulokset jaetaan sauvojen tiheydellä, saadaan arvoiksi seuraavat: - vetolujuus: 42.6 kN/(kg/m) 15 - Youngin moduli: 2228 kN/(kg/m) - taivutuslujuus: 58.6 kN/(kg/m) - taivutuskimmomoduli: 3092 kN/(kg/m) ♦ ia »»a a.iti i i i at i . i

Claims (13)

17 97114
1. Tasomainen huokoinen komposiittirakenne, joka käsittää lujittavan 5 rakenteen sekä matriisin, jolloin se muodostuu useammasta päällekkäisestä jatkuvien lankojen (3, 3a, 3b) muodostamasta säännöllisestä aukollisesta tasomaisesta rakenteesta (1a, 1b, 1c...), jolloin huokoset (2) muodostuvat em. rakenteiden aukoista, lujittava rakenne muodostuu aukollisen rakenteen rakenneosana toimivan langan (3) käsittämistä 10 lujitekuiduista ja matriisi saman rakenteen langan (3) käsittämästä matriisimateriaalista, joka liittää yksittäisiä aukkoja ympäröivät, saman kerroksen eri lankaosuudet yhteen sekä eri kerrokset (1a, 1b, 1c...) toisiinsa samalla jäykistäen rakenteen, tunnettu siitä, että kerrokset (1a, 1b, 1c...) muodostuvat neuleista ja huokoset (2) ovat neuleen sil-15 mukoita, jotka on kohdistettu samalle kohtaa kerrosten (1a, 1b, 1c...) tasossa.
2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että rakenneosana toimiva lanka (3) on hybridilanka, t.s. se käsittää se- 20 kä lujitekuitua että matriisia.
3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että lujitekuituina on jatkuva filamentti, kuten lasi.
4. Patenttivaatimusten 2 ja 3 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että lanka (3) muodostuu jatkuvasta matriisifilamentista (4) ja luji-tefilamentista (5).
5. Patenttivaatimusten 2 ja 3 mukainen komposiittirakenne, tunnettu 30 siitä, että lanka (3) muodostuu lujitefilamentista (5) ja sen päällä olevasta matriisipäällysteestä (4).
6. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että lanka (3) muodostuu yhteen kehrätyistä lujitetapulikuiduista ja 35 matriisitapulikuiduista. « is 97114
7. Jonkin patenttivaatimuksen 1—6 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että matriisimateriaali (4) on kestomuovia, jolloin lanka-osuudet ovat liittyneet yhteen ja rakenne on jäykistynyt lämpökäsittelyssä sulaneen ja jähmettyneen matriisin avulla. 5
8. Jonkin patenttivaatimuksen 1—6 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että matriisimateriaali on lämpökäsittelyssä amorfiseksi hiileksi hiilletettyä materiaalia, jonka avulla lankaosuudet ovat liittyneet yhteen ja rakenne on jäykistynyt. 10
9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen komposiittirakenne, tunnettu siitä, että se on hiili-hiili-komposiitti, jolloin myös lujitekuituina on amorfiseksi hiileksi lämpökäsittelyssä hiilletetty materiaali.
10. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1—9 mukainen komposiittira kenne, tunnettu siitä, että neuleen silmukat (2) on venytetty alkuperäisestä muodostaan.
11. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1—10 mukainen komposiitti-20 rakenne, tunnettu siitä, että päällekkäisissä kerroksissa (1a, 1b, 1c...) neuleiden silmukkavaot kulkevat ristikkäin toisiinsa nähden.
12. Menetelmä patenttivaatimuksen 7 mukaisen komposiittirakenteen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että päällekkäiset kerrokset (1a, 1b, 25 1c...) puristetaan matriisimateriaalin sulamislämpötilassa haluttuun muotoon, minkä jälkeen saatu kappale jäähdytetään.
13. Menetelmä patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukaisen komposiittirakenteen valmistamiseksi, tunnettu siitä, että hiilletettävää materiaalia si- 30 sältävät päällekkäiset kerrokset (1a, 1b, 1c...) hiilletetään lämmön avulla uunissa suojailmakehässä siten, että hiilletettävä materiaali muuttuu amorfiseksi hiileksi, minkä jälkeen kappale jäähdytetään. 97114
FI906234A 1990-12-18 1990-12-18 Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi FI97114C (fi)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI906234A FI97114C (fi) 1990-12-18 1990-12-18 Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi
EP92900584A EP0652821B1 (en) 1990-12-18 1991-12-18 Planar porous composite structure and method for its manufacture
CA002098740A CA2098740A1 (en) 1990-12-18 1991-12-18 Planar porous composite structure and method for its manufacture
PCT/FI1991/000393 WO1992011126A1 (en) 1990-12-18 1991-12-18 Planar porous composite structure and method for its manufacture
DE69130297T DE69130297T2 (de) 1990-12-18 1991-12-18 Flache poröse verbundstruktur und verfahren zu deren herstellung
US08/589,312 US5888609A (en) 1990-12-18 1996-01-22 Planar porous composite structure and method for its manufacture

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI906234 1990-12-18
FI906234A FI97114C (fi) 1990-12-18 1990-12-18 Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi

Publications (4)

Publication Number Publication Date
FI906234A0 FI906234A0 (fi) 1990-12-18
FI906234A FI906234A (fi) 1992-06-19
FI97114B FI97114B (fi) 1996-07-15
FI97114C true FI97114C (fi) 1996-10-25

Family

ID=8531599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI906234A FI97114C (fi) 1990-12-18 1990-12-18 Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP0652821B1 (fi)
CA (1) CA2098740A1 (fi)
DE (1) DE69130297T2 (fi)
FI (1) FI97114C (fi)
WO (1) WO1992011126A1 (fi)

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB9212697D0 (en) * 1992-06-15 1992-07-29 Short Brothers Plc Composite structure manufacture
DE19957906A1 (de) * 1999-12-01 2001-06-28 Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh Verfahren zur Herstellung eines Faserverbund-Bauteils sowie Vorrichtung zur Herstellung eines solchen
DE102008063545C5 (de) * 2008-12-09 2015-04-30 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Multiaxialgelege, Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoffs und Faserverbundkunststoff
CN104086154B (zh) * 2014-06-23 2017-01-11 山东理工大学 基于真空蒸镀的硅藻土基减阻防垢抑藻型功能复合结构的制作方法
EP3406778B1 (en) 2017-05-22 2022-04-13 Ratier-Figeac SAS Method of manufacturing a composite aircraft blade
RU2678020C1 (ru) * 2017-09-11 2019-01-22 Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Московской области "Технологический университет" Способ изготовления объемно армированного композиционного материала

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB1392373A (en) * 1972-07-14 1975-04-30 Oberlausitzer Textilbetriebe V Production of composite textile materials
US3914494A (en) * 1973-04-03 1975-10-21 Celanese Corp Pervious low density carbon fiber reinforced composite articles
GB2067612A (en) * 1980-01-23 1981-07-30 Smith H R Fibre reinforced materials and methods of making and using them
DE3341292A1 (de) * 1983-07-02 1985-01-03 Bayer Ag, 5090 Leverkusen Verfahren zur herstellung von faserverstaerkten formkoerpern
DE3408769A1 (de) * 1984-03-09 1985-09-12 Bayer Ag, 5090 Leverkusen Verfahren zur herstellung von faserverstaerkten formkoerpern und profilen
JPS63152637A (ja) * 1986-12-16 1988-06-25 Toray Ind Inc 樹脂の補強用プリフオ−ム材

Also Published As

Publication number Publication date
DE69130297T2 (de) 1999-05-20
CA2098740A1 (en) 1992-06-19
FI906234A (fi) 1992-06-19
FI906234A0 (fi) 1990-12-18
EP0652821A1 (en) 1995-05-17
DE69130297D1 (de) 1998-11-05
WO1992011126A1 (en) 1992-07-09
FI97114B (fi) 1996-07-15
EP0652821B1 (en) 1998-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5888609A (en) Planar porous composite structure and method for its manufacture
RU2583017C2 (ru) Содержащая однонаправленные волокнистые ленты волокнистая заготовка из пучков армирующих волокон и конструктивный элемент из композитного материала
CA1331733C (en) Process for continuously forming reinforced articles
US11141949B2 (en) Methods of producing thermoplastic composites using fabric-based thermoplastic prepregs
AU2003200494B2 (en) Moulding Materials
US5082701A (en) Multi-directional, light-weight, high-strength interlaced material and method of making the material
KR20100130286A (ko) 섬유강화수지 볼트 및 그 제조방법
JP2011073436A (ja) 中間製品および中間製品複合体
FI97114C (fi) Tasomainen huokoinen komposiittirakenne ja menetelmä sen valmistamiseksi
FI85670C (fi) Foerfarande foer tillverkning av ett kompositstycke.
Gowayed Types of fiber and fiber arrangement in fiber-reinforced polymer (FRP) composites
KR20180079729A (ko) 준등방성 특성을 가지는 섬유 강화 플라스틱 성형품 및 이의 제조방법
EP4140710A1 (en) Reinforced fiber tape material and production method therefor, fiber reinforced resin
EP0449033B1 (en) Process for the manufacture of sandwich structures
CN115583055A (zh) 纤维增强复合材料的制造工艺及纤维增强复合材料
GB2237583A (en) Fibre reinforced thermoplastic composites
US5229177A (en) Multi-directional, light-weight, high-strength interlaced material
Liu et al. Non-isothermal forming of glass fiber/polypropylene commingled yarn fabric composites
Baeten et al. Optimisation of a GMT-based cold pressing technique for low cost textile reinforced thermoplastic composites
Friedrich Commingled yarns and their use for composites
JP2006123417A (ja) 多方向繊維強化熱可塑性樹脂板及びその製造法並びに製造システムと加圧成形装置
AU618573C (en) Multi-directional, light-weight, high-strength interlaced material and method of making the material
Gowayed High performance fibers and fabrics for civil engineering applications
Friedrich THE PREFORMS

Legal Events

Date Code Title Description
BB Publication of examined application
MM Patent lapsed

Owner name: VALTION TEKNILLINEN TUTKIMUSKESKUS