NO326232B1 - Kompositt omfattende strukturelle og ikke-strukturelle fibre - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en kompositt, anvendelse av nevnte kompositt, og en fremgangsmåte for komposittfremstilling.

Komposittmaterialer omfatter generelt en anordning av forsterkende fibre i en harpiksmatriks. Dagens globale industrier, f.eks. flyindustrien, som benytter komposittstrukturer, anvender hovedsakelig konvensjonelle ensrettede og stoff-baserte prepreger. Slike prepreger fremstilles typisk ved å trekke kontinuerlige rovinger av forsterkende fibre eller stoffer gjennom et bad av smeltet harpiks eller harpiks oppløst i løsemidler. Prepregen formes deretter til ønsket form, anbringes i en form som lukkes og varmes opp for å herde harpiksen.

I løpet av de siste fem til syv årene har det kommet en alternativ teknologi for fremstilling av komposittdeler og som generelt betegnes flytende kompositt-støping. I flytende komposittstøping anbringes en tørr fibrøs forsterkning i en form eller et verktøy, og harpiksen injiseres inn i eller helles inn i fibrene og herdes.

Forsterkningen har betegnelsen en "preform"; en betegnelse som er vel-kjent for fagfolk på området som en angivelse av en samling av tørre fibre som utgjør den forsterkende komponenten i en kompositt i en form som er egnet for anvendelse i en flytende kompositt-støpeprosess. En preform er typisk en samling av forskjellige tekstilformer så som stoffer, snorer eller matter, avpasset eller til-formet etter behov, og settes sammen som en spesifikk operasjon før anbringelse i eller på støpeverktøyet.

Flytende kompositt-støpeteknologier, så som RTM (harpiks-transferpress-støping = resin transfer moulding) eller vakuuminfusjonsmetoder oppfattes av mange som løsningen på problemet med å fremstille komposittdeler i en rekke problematiske situasjoner, så som store aerospace-primærstrukturer og struktur-komponenter med høyt volum for motorkjøretøyer. De fordelene som flytende kompositt-støpeteknologier oppfattes å gi i forhold til konvensjonelle prepreger er reduserte avfallsmengder og sammensetningstid (lay-up time), ikke avhengighet av opphengning (dråpe) og forbedrede lagringsegenskaper.

Flytende komposittstøping medfører imidlertid sine egne problemer, spesielt når sluttanvendelsesformålene krever høy grad av seighet og når regulering av herdesyklustiden er kritisk.

Strukturelle deler krever en høy grad av seighet for de fleste formål, og dette gjelder spesielt for primære komponenter for luftfartøy. Løsningen for å innføre høy grad av seighet i en kompositt av flykvalitet har tradisjonelt vært å seiggjøre matriksen - vanligvis ved å innføre et andre fase-additiv så som en termoplastisk polymer til basis-epoksyharpiksmatriksen.

Forskjellige tilnærmingsmåter er blitt anvendt for å tilsette et termoplastisk materiale til harpiksen. Termoplasten kan blandes med den ureagerte termoherdende harpiksen ved forhøyede temperaturer for å produsere en enkeltfase, ureagert smelte. En begrensning ved denne tilnærmingsmåten er nivået av ter-moplastmateriale som kan tilsettes for å forhøye seigheten. Ettersom termoplast-materialet med høy molekylvekt løses opp i harpiksen, så øker viskositeten for blandingen brått. Selve naturen for prosessen med å innføre harpiksen i de forsterkende fibrene krever imidlertid at harpiksenes reologiske egenskaper, viskositet og elastisitet er slik at de muliggjør infiltrering av harpiksen i hele stoff-preformen. Dette er av avgjørende betydning dersom den resulterende kompositt-strukturen skal være fri for tomme rom, og lange injiseringstider og høye injek-sjonstemperaturer bør unngås. Konvensjonelle seiggjorte epoksyer er ekstremt viskøse systemer, noe som betyr at det kreves høye trykk og massive verktøyer med nødvendigheten av å varme opp harpiksene og problemer med å bringe herdetiden i overensstemmelse med injeksjons-fyllingssyklusene.

Termoplast kan også tilsettes i form av en kontinuerlig fast film som anbringes mellom to sjikt av fibre. I slike prosesser er det termoplastiske skjiktet generelt kjent som mellombladsjiktet (interleaf layer). En prosess av denne typen er beskrevet i europeisk patentsøknad nr. 0 327 142, som beskriver en kompositt som omfatter et fast kontinuerlig sjikt av et termoplastisk materiale anbrakt mellom to sjikt av fibre impregnert med termoherdende harpiks. Ved oppvarming forblir det termoherdende sjiktet og mellombladsjiktet som adskilte sjikt.

Et problem med mellomblad-tilnærmingen er at den faste termoplastiske filmen ikke løses opp i harpiksen i løpet av varmebearbeidingstrinnet. Selv om den endelige kompositten kan oppvise den ønskede økning i seighet, så er der derfor en svak harpiks-termoplast grenseflate. Den svake grenseflaten mellom intersjiktet og matriksen kan føre til dårlig motstand mot sprekking mellom sjiktene, spesielt dersom den utsettes for fuktige omgivelser.

Termoplastisk materiale kan også innføres i pulverisert form. Et eksempel på denne teknikken er beskrevet i europeisk patentsøknad nr. 0 274 899 hvor det termoplastiske materialet enten settes til harpiksen før prepregen fremstilles eller drysses på prepregoverflaten.

Anvendelsen av pulvere medfører et problem i det at det er vanskelig å sikre at det skjer en jevn fordeling av pulver i harpiksen. Det er derfor en ujevn ladning av det termoplastiske materialet med det resultatet at kompositten vil ha områder med forskjellige seigheter. Videre er inkorporeringen av pulverisert termoplastisk materiale i harpiksen ikke egnet for flytende kompositt-støpingstek-nikker fordi viskositeten for harpiksen øker når partiklene settes til den i samsvar med standard Newtons teori med alle de medfølgende ulempene som drøftet i det foregående.

Dersom pulverpartiklene er av en størrelse som tilsvarer avstandene mellom fibre, så kan prosessen med å infiltrere harpiksen i fibrene også resultere i at de termoplastiske pulverne filtreres ut, noe som fører til en agglomerering av pulver der hvor harpiksen går inn i formen og pulverfri harpiks i massen av den endelige kompositten.

Enten den pulveriserte termoplasten settes til harpiksen eller til prepregen, så er mengden som kan inkorporeres begrenset. Det er således også den seig-gjørende virkningen, og for oppnå en brukbar forbedring av seighet må det vanligvis anvendes kostbar strukturell termoplast.

Det har i japansk patentsøknad 6-33329 blitt foreslått å inkludere termoplast i form av fibre. Søknaden beskriver en forsterket fiberblanding omfattende 99-80 vekt% karbonfibre eller grafittfibre og 1 -20 vekt% termoplastisk harpiks. Kompositten inkluderer bare ensrettede fibre, og tilnærmingsmåten beskrives som anvendbar utelukkende i en klassisk prepregteknikk.

En god kompositt er en kompositt som har en kombinasjon av fysiske egenskaper som er spesielt egnet for et spesifikt formål. De fysiske egenskapene til komposittproduktet bestemmes av bl.a. de fysiske egenskapene til det stivnede harpiksmatriksmaterialet og det strukturelle materialet, og hvor ensartetheten av fordelingen av matriksmaterialet og det strukturelle materialet i kompositten. De beste resultatene oppnås der hvor matriksmaterialet er i intim kontakt med hele det strukturelle materialet.

Det er derfor ønskelig at harpiksmatriksmaterialet er av en slik konsistens (viskositet) at det dekker (fukter) hele det strukturelle materiale og, om nødvendig, fyller mellomrommene som er dannet i det strukturelle materialet. Ensartet fukting er spesielt vanskelig å oppnå der hvor det strukturelle materialet er av kompleks struktur, f.eks. der hvor det er en preform, eller hvor forholdet av matriksmaterialet til støttematerialet er spesielt lavt.

Matriksmaterialets viskositet påvirkes av antall additiver og additivtypene. Dette skaper det problemet at selv om en væske eller et gelmatriksmateriale, omfattende ett eller flere additiver, kan ha egnede fysiske egenskaper når den/det stivner, så kan viskositeten for væsken eller gelmatriksmaterialet være for høy til å fremme jevn fordeling derav rundt bærermaterialet, spesielt der hvor bæreren er kompleks. Dette resulterer i et komposittprodukt som mangler de forventede fysiske karakteristikkene.

For å oppnå en god kombinasjon av egenskaper vil et komposittmateriale vanligvis bestå av en rekke bestanddeler. Typisk for en prepreg av luftfartøykvali-tet vil der være en høyytelsesfiberforsterkning kombinert med en kompleks polymer harpiksmatriksblanding. Denne matriksblandingen består vanligvis av en termoherdende harpiks blandet med forskjellige additiver. Disse sistnevnte additi-vene forhøyer seigheten for basisharpiksen. Slike systemer har komplekse strøm-ningskarakteristiker, og selv om de lett kan kombineres med fibre i en prepreg-form, så er anvendelse derav i andre fremstillingsteknikker begrenset. Således kan f.eks. et forsøk på å anvende en slik kompleks harpiks i en injeksjons- eller harpikstransferprosess i en kompleks fiberpreform resultere i at additiver filtereres ut og i et ikke-ensartet produkt.

Det er derfor et behov for en metode for komposittfremstilling som unngår de ovennevnte problemene, spesielt for store komplekse strukturer.

I samsvar med et første aspekt av foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en kompositt omfattende en strukturell komponent og en harpikskomponent, idet den strukturelle komponenten omfatter strukturelle fibre og et seiggjørende additiv omfattende ikke-strukturelle termoplastiske fibre, og harpikskomponenten omfatter et ikke-termoplastisk materiale, og den strukturelle komponenten er en preform omfattende en sammensetning dannet av de strukturelle fibrene og de ikke-strukturelle termoplastiske fibrene.

Videre omfatter foreliggende oppfinnelse anvendelse av en strukturell forsterkning i fremstillingen av en kompositt ved flytende komposittstøping, hvor den strukturelle forsterkningen omfatter en preform omfattende en sammensetning av tørre fibre dannet av strukturelle fibre og ikke-strukturelle termoplastiske fibre.

I samsvar med et andre aspekt av foreliggende oppfinnelse tilveiebringes det en strukturell forsterkning for anvendelse i en kompositt omfattende en preform dannet av strukturelle fibre og ikke-strukturelle termoplastiske fibre, hvor alle eller en del av de strukturelle fibrene er kombinert med de ikke-strukturelle termoplastiske fibrene i preformen, og hvor den samlede volumfraksjonen av de strukturelle fibrene i preformen er minst 65%.

Betegnelsen "strukturelle fibre" som anvendt her, viser til fibre som øker styrken til den endelige kompositten, så som glass- eller karbonfibre, og som derfor har en elastisitetsmodul på mer enn 50 GPa.

Betegnelsen "ikke-strukturelle fibre" som anvendt her, viser til fibre som ikke tilsettes for å øke for styrken til den endelige kompositten ettersom de har en elastisitetsmodul på mindre enn 20 GPa. Kjente styrkende fibre dannet av materialer så som Kevlar er således ikke ikke-strukturelle fibre i henhold til uttrykkene som anvendes i foreliggende søknad.

Formen av den strukturelle forsterkningen muliggjør fjerning av alle seig-gjørende additiver fra harpiksene, noe som tillater anvendelse av epoksysystemer med lav viskositet og gjør at store deler kan impregneres med fornuftige trykk, letttvekts lavkostnadsverkøy og håndterlige syklustider. Videre kan en betydelig større mengde seiggjørende additiv inkluderes uten at det går ut over noen av bearbeidbarhetsaspektene ved flytende kompositt-støpeteknikker.

Følgelig tilveiebringes det i samsvar med et tredje aspekt av foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for fremstilling av en kompositt omfattende dannelse av en preform ved å kombinere tørre strukturelle fibre med tørre ikke-strukturelle termoplastiske fibre i en sammensetning for å tilveiebringe en strukturell komponent, injisering eller infusering av en flytende harpiks inn i den strukturelle komponenten, og herding av den flytende harpikskomponenten.

Ved å inkorporere det seiggjørende additivet i den strukturelle komponenten før tilsetning av harpiksen kan det anvendes en harpiks med lavere viskositet, dvs. en harpiks som hovedsakelig er fri for det seiggjørende additivet.

Med seiggjørende menes evnen til å øke den energien som kreves for å forsårsake endelig brudd, noe som kan vise seg i evnen til å absorbere energi under slag. En slik evne kan måles ved hjelp av egnede metoder for slagtesting som vil være kjent for fagmannen på området. Termoplastiske polymerer er kjent for å øke evnen til å absorbere slagenergi i strukturelle kompositter. Med egnet støping av preformen kan de dispergeres i hele den endelige kompositten for å gi homogen slagfasthet eller innført ved spesifikke steder for å tilveiebringe en sone-vis seiggjørende mekanisme, noe som kreves i enkelte komposittdeler.

Fortrinnsvis er det seiggjørende additivet et termoplastisk materiale hvis latente smeltevarme kan absorbere en andel av eksoterm herdeenergi, men som, etter at herdingen er fullført, går tilbake til sin faste form uten tap av seiggjørende kapasitet. Fortrinnsvis velges herdemidlet, harpiksen og det termoplastiske additivet for å tilveiebringe et herdetrinn som i det minste delvis gjennomføres under smeltepunktet for det nevnte termoplastiske additivet for derved å tillate absorp-sjon av noe av herdeenergien i smelte- eller faseendringen av additivet dersom en stor eksoterm skulle opptre. Fortrinnsvis påbegynnes herdetrinnet under temperaturen for smeltepunktet til additivet og kan gå over temperaturen for smeltepunktet under herdesyklusen.

Injisering av harpikser med lav viskositet (oppvarmet eller på annen måte) kan minske injeksjonsfyllingsdelen av bearbeidingssyklusen. Det er imidlertid også nødvendig å redusere herdesyklustiden. Dette kan oppnås ved hjelp av svært aktive harpikser, høyere temperatur etc. - men det er alltid en fare for gene-rering av en svært høy eksoterm - spesielt i tykke deler, noe som ville føre til en nedbrutt eller skadet endelig del.

Fortrinnsvis omfatter det seiggjørende additivet semi-krystallinske termoplastiske fibre.

En svært hurtig herding kan gjennomføres uten fare for overdrevne ekso-termer hvis det anvendes semi-krystallinske termoplastiske fibre som det seig-gjørende additivet. Varme generert ved herding ved en egnet temperatur kan anvendes for å generere krystallinsk smelting inne i fibrene. Den latente varmen av krystallinsk smelting vil så moderere temperaturstigningen i den termoherdende harpiksen. Valget av seiggjørende fibre med egnet krystallinsk smeltetemperatur tillater at herdesyklusen drives til dens maksimale potensiale uten fare for komposittskade. Selve de semi-krystallinske fibrene vil ganske enkelt gå tilbake til sin opprinnelige tilstand ved avkjøling, og prosessen vil ikke påvirke dele-nes endelig seighet.

Foretrukne seiggjørende additiver omfatter: polyetylen, polypropylen, poly-amider, polyetylentereftalat, polyeter-eterketon.

Fortrinnsvis er det seiggjørende additivet tilstrekkelig til å forbedre absorp-sjons-slagenergien for den ikke-seiggjorte kompositten med minst 30%, mest foretrukket med minst 50%.

Fortrinnsvis er volumprosentandelen av det seiggjørende additivet i den endelige kompositten mer enn 2%, mer foretrukket mer enn 5%, mest foretrukket mer enn 10%.

Fortrinnsvis er volumprosentandelen av det seiggjørende additivet i den endelige kompositten ikke mer enn 30%, mer foretrukket ikke mer enn 25%, mest foretrukket ikke mer enn 20%. Det er spesielt foretrukket at volumprosentandelen seiggjørende additiv i den endelige kompositten ikke er mer enn 15%.

Volumprosentandelen av strukturelle fibre i preformen er fortrinnsvis minst 65%. Minimumsverdien på 65% sikrer at det er tilstrekkelig strukturelle fibre til at det oppnås den krevede styrken. Videre er mengden av ikke-strukturelle termoplastiske fibre i preformen utilstrekkelig til å tillate direkte omdannelse av materialet til en fullstendig konsolidert termoplastisk kompositt ved hjelp av en termisk bearbeidingsvei. Andelen av seiggjørende fibre, dvs. de termoplastiske fibrene, er imidlertid høy i sammenligning med kjente metoder hvor termoplasten tilsettes i partikkelform, og følgelig er den seiggjørende virkningen sammenligningsvis mye større enn den som oppnås med de kjente metodene.

Fortrinnsvis er smeltetemperaturen for det seiggjørende additivet ikke den samme som herdetemperaturen for harpikskomponenten. Den kan være mellom 80 og 350°C, mer foretrukket mellom 100 og 250°C, men endelig valg derav vil avhenge av parametrene for basismatriksmaterialet. Den kan på egnet måte være 20°C over herdetemperaturen, selv om det er blitt funnet at med enkelte materialer i det minste, så kan det faktisk være foretrukket at de termoplastiske fibrene smelter.

Evnen for kompositten til å kunne produseres under anvendelse av en harpiks med lav viskositet vil underforstått øke hastigheten ved hvilken formen kan fylles. Det gjenstår imidlertid et problem med å regulere harpiksherdetidene. En nøkkelfaktor i harpiksinjiseringen er alltid å sikre at harpiksen fyller formen og fukter forsterkningen fullstendig før den herder. Fylletid og herdetid henger imidlertid sammen, og harpiksen begynner å herde straks den er blandet før injisering, og denne prosessen fortsetter i hele injiseringssyklusen.

I en foretrukken utførelse skilles injiserings- og herdetrinnene i prosessen ved at herdemidler fjernes fra harpiksformuleringen. Et harpiksherdemiddel settes i stedet til den strukturelle komponenten før injisering av harpikskomponenten. Fortrinnsvis temperaturaktiveres herdemidlet. Herdemidlet kan settes til den strukturelle komponenten ved dispersjon i de termoplastiske fibrene.

Det er nå mulig kommersielt å oppnå herdemidler som er tilgjengelige i fast pulverform, og som bare blir aktive ved en spesifikk temperatur. Denne kvalifika-sjonen gjelder spesielt når herdemidlet innkapsles i et termoplastisk fast materiale med en svært spesifikk smeltetemperatur. De mikroniserte herdemidlene kan dispergeres i den strukturelle forsterkningen, og harpiksen kan deretter injiseres varm uten fare for for tidlig reaksjon. Harpiksherding kan så settes igang når det er ønsket ved ganske enkelt å heve temperaturen til den kritiske temperaturen for å aktivere de dispergerte herdemidlene.

Denne utførelsen gjør at herding av harpiksen før tilsetning derav til den strukturelle komponenten forhindres. Derved unngås tidsberegningsproblemene der hvor harpiksviskositeten stiger på grunn av herding før tilsetning derav til den strukturelle komponenten eller under tilsetningsprosessen. Dette gir en mye større grad av kontroll over bearbeidingen, og gir også mer fleksibilitet når det gjelder komposittstrukturer fordi harpikser med lavere viskositet gir mindre bearbeidings-problemér. For eksempel kan det for kompositter med tykke laminerte strukturer være en fordel, mens det i metoder i henhold til tidligere teknikk oppstod vanske-ligheter med å tilveiebringe tilstrekkelig harpiks i det midlere sjiktet og de områ-dene av sjiktet som lå lengst fra kantene.

De temperaturaktiverte herdemidlene gir enda større kontroll ved å tilveiebringe muligheten for å fullføre harpikstilsetningen før herding og deretter heve temperaturen for å aktivere herding straks tilfredsstillende blanding av harpiks og strukturelle komponenter er oppnådd. Denne herdeoperasjonen kan være svært hurtig ettersom det kan anvendes harpikser med høy reaktivitet og de termoplastiske fibrene tilveiebringer evnen til å moderere en eksoterm temperaturstigning. Videre muliggjør den en forbedret kvalitetssikring ved at det er mulig å kontrollere fyllingen av formen og korrigere ved feil uten hensyn til at herding allerede har funnet sted.

Egnede harpiksherdetemperaturer, egnede herdemidler for spesielle harpikser og temperaturer, samt smeltepunkter for termoplastiske polymerer er vel-kjent for fagfolk på området.

Et ytterligere foretrukket trekk er anvendelsen av et tekstilslør som del av preformen, idet det anbringes i sandwichform mellom sjikt av den strukturelle komponenten.

Sløret har fortrinnsvis en større absorberingshastighet enn det/de strukturelle komponentsjikt(ene), enten på grunn av det er tynt eller på grunn av den iboende absorberingsevne for tilsløringsmaterialet eller strukturen av materialet eller en kombinasjon av disse karakteristikkene. I enkelte utførelser er det derfor foretrukket at et slørsjikt tilveiebringes som er anbrakt i sandwichform mellom de strukturelle sjiktene og som tilveiebringer midler for å øke infiltreringshastigheten av harpiks i strukturen. Med fordel føres på denne måte harpiksen fortrinnsvis inn i sentret av tykkere strukturer enn det som frem til nå har vært mulig.

Et slør er et svært fint sjikt av ikke-vevd fibrøst materiale som typisk produseres ved hjelp av en papirfremstillingsmetode. Dette sløret vil gjennom sin virkning fremme harpiksinfiltrering inn i kjernen av en preform på grunn av en større harpiksabsorberende hastighet enn resten av preformen. Ved å anbringe slør mellom sjikt av stoffer, kan harpiks således bli ført inn i sentret av tykke preformer hurtigere enn det som hittil har vært mulig. Sløret vil også fremme tilveiebringelse av selektiv seiggjøring ved at det posisjoneres i grenseflaten mellom sjikt av stoffer som er i utmerket lokalisering for delaminering i en komposittdel.

Fortrinnsvis er sløret et tynt sjikt av fibre produsert ved en papirfremstillingsmetode. Fortrinnsvis er sløret mindre enn 100 g/m<2>, mer foretrukket mindre enn 50 g/m<2>, mest foretrukket mindre enn 30 g/m<2>. Sløret vil tilveiebringe en kombinasjon av fiberbrodannelse med bøyelighet og sprekkdefleksjon. Sløret kan også tilveiebringe seiggjøring ved at det omfatter en blanding av ikke-strukturelle termoplastiske fibre og strukturelle fibre.

Fortrinnsvis omfatter sløret ikke mer enn 70% ikke-strukturelle termoplastiske fibre, mer foretrukket ikke mer enn 60%. Sløret kan inneholde et minimum av 20% ikke-strukturelle termoplastiske fibre. Mengden av ikke-strukturelle termoplastiske fibre bestemmes imidlertid av behovet for å opprettholde et egnet samlet innhold av strukturelle fibre i preformen.

Sløret kan også inneholde herdemidler. Hvis slørene er fordelt i hele preformen eller er festet til alle stoffene som anvendes i delen, så vil det være mulig å fjerne herdemidlene fra både harpiksen og fra de andre materialene som anvendes for å danne preformen.

Et foretrukket trekk ved et slikt slør er nærværet av et bindemiddelmateriale fordelt på eller i sløret, og som fortrinnsvis aktiveres av harpiksen, fortrinnsvis ved hjelp av harpiksens temperatur. Et egnet bindemiddel er et termoplastisk materiale med et smeltepunkt som er lavere enn smeltepunktet for den innkommende harpiksen. Alternativt kan harpikstemperaturen heves etter innstrømmingen i slø-ret for derved å aktivere bindemidlet. Det er også mulig å belegge bindemidlet direkte på overflatestrukturen som deretter anbringes mellom sjiktet av den strukturelle komponenten for så å temperaturaktiveres, men dette er ikke så bekvemt som å inkorporere det i sløret.

I et foretrukket trekk løser temperaturen til den innkommende harpiksen opp bindemidlet, men er ikke tilstrekkelig til påbegynning av herdingen, som deretter finner sted i et påfølgende oppvarmingstrinn. På denne måten kan tykke lagdelte fibermaterialer og tekstiler bindes forsvarlig sammen for å danne preformen før herdetrinnet.

Fortrinnsvis er harpiksen en termoherdende harpiks, mer foretrukket en epoksyharpiks.

Preformen kan omfatte et tekstil som kan være et vevd eller ikke-vevd stoff. Tekstilet kan omfatte en hybridtråd dvs. strukturelle fibre og seiggjørende fibre blandet i en hybridtråd, eller tekstilet kan omfatte strukturell tråd og seiggjørende tråd blandet i et enkelt tekstil. Fortrinnsvis blandes de seiggjørende fibrene med de strukturelle fibrene for å danne hybridtråden. Hybridtråder med forskjellige forhold av ikke-strukturelle termoplastiske fibre og strukturelle fibre kan anvendes i det samme stoffet eller tekstilet. På tilsvarende måte kan hybridtråder som inne-holder blandinger av forskjellig ikke-strukturelle termoplastiske fibre og strukturelle fibre anvendes i det samme stoff, tekstil eller preform.

Det grunnleggende konseptet ved å anvende hybridtråder kan varieres betydelig. Det er mulig å erstatte alle trådene i en preform med en hybridtråd, eller alternativt å erstatte bare en del. Videre kan en stor preform bestå av soner av konvensjonelle eller seiggjorte stoffer i overensstemmelse med det som kreves av delen. Dette gir en bearbeidingsfordel i det at et enkelt harpikssystem kan anvendes for en stor del, men komposittens egenskaper kan være forskjellige når det gjelder seighet og temperaturegenskaper fra sted til sted, slik at énskudds-støping av komplekse strukturer er bedre gjennomførbart.

Komposittens egenskaper kan i stor grad varieres ved å fremtide preformen med forskjellig utforminger. F.eks. med et vevet stoff vil mønstret i hvilket de strukturelle fibre og de termoplastiske fibre tilveiebringes har en virkning på komposittens generelle adferd. Anvendelsen av en strukturell forsterkning i form av et tekstil muliggjør derfor stor allsidighet.

Utførelser i henhold til foreliggende oppfinnelse skal nå beskrives ytterligere med henvisning til de medfølgende eksemplene og tegningene hvor: Fig. 1a viser en skjematisk laminær kompositt i henhold til foreliggende

oppfinnelse;

fig. 1 b viser det øvre sjiktet av den laminære kompositten på fig.1 a med et

skjematisk innslagsområde;

fig. 1c viser den skjematiske konstruksjonen av det øvre sjiktet av den laminære kompositten på fig. 1a;

fig. 1d viser et skjematisk snitt med større oppløsning av den ettergivende

sone (yield zone) 2 vist på fig. 1b;

fig. 2a viser et hybridslør anbrakt mellom to strukturelle sjikt i et laminat;

fig. 2b viser en mulig konstruksjon for hybridsløret på fig. 2a;

fig. 2c viser en alternativ konstruksjon for hybridsløret på fig. 2a;

fig. 3 viser absorbert energi kontra volumfraksjon x tykkelse for forskjellige

eksempler, og

figurer 4 til 6 viser opptegnelser av slagstyrke som en funksjon av tykkelse x volumfraksjon av fibre for en kompositt dannet av bare glassfibre, fig. 4, glassfibre og polypropylenfibre, fig. 5, og glassfibre og polyamidfibre, fig. 6. Fig. 1 a viser en kompositt med en laminær struktur av tre over hverandre liggende identiske, flate, rektangulære sjikt: det øvre sjikt 3a; det midtliggende sjikt b og det nedre sjikt c. Den indre strukturen er vist tydeligere på fig. 1c som viser en forstørrelse av del 4. Forstørrelsen viser at hvert sjikt er dannet av et hybridstoff omfattende tråder av strukturfibre, f.eks. karbonfibre innsatt med tråder av termoplastiske fibre herdet i en termoherdende harpiksmatriks. Fig. 1 b og fig. 1 d viser skjematisk virkningen av et slag på overflaten av det øvre sjiktet 3a. Spesielt fig. 1b viser en serie av diagonale lineære ettergivende soner (yield zones) fra det teoretiske slaget, og fig. 1d viser en forstørrelse av en lineær ettergivelsessone 2 og viser at ettergivelsessonen tilsvarer en termoplastisk tråd som strekker seg i komposittsjiktet.

Med referanse til fig. 2 viser denne en skjematisk laminær komposittkon-struksjon tilsvarende den på fig. 1, men med et hybridslør i sandwichform mellom to tekstilsjikt. Sandwich-sløret gir seighet til tekstilkompositten. To alternativer av slørkonstruksjonen er vist på figurer 2b og c. Fig. 2b viser skjematisk konstruksjonen av blandede strukturelle og ikke-strukturelle fibre og termoplastisk pulver, mens fig. 2c viser en enkeltstående konstruksjon av karbonfibre og termoplastisk pulver. I begge tilfeller tilveiebringes delamineringsmotstand og noe seiggjøring ved hjelp av fibre i broform mellom tekstilsjiktet og det fibrøse sløret. Dette forster-kes imidlertid i høy grad ved nærværet av termoplast i slørsjiktet.

Ved passende design av mellomlagssløret, kan harpiksstrømningsgraden tvers over sløret forbedres i forhold til strømningsgraden over det øvre og nedre strukturelle sjiktet og således gi forbedring av hastigheten for injisert harpiksim-pregnering inn i kompositten.

I begge tilfellene kan herdemidlet være til stede med de strukturelle komponentene før tilsetning av harpiksen, slik at herdeprosessen kan aktiveres ved egnet temperatur straks tilfredsstillende "fukting" av den strukturelle komponenten har funnet sted.

Eksempel 1

En kompositt ble fremstilt fra en stoff-preform som bestod av glassfibre blandet med polypropylenfibre i et kvadriaksialt krympestoff. Stoffet ble impregnert med en umettet polyesterharpiks med lav viskositet, og laminatet ble herdet ved romtemperatur, fulgt av en etterherding ved 80°C i samsvar med harpiksleveran-dørens spesifikasjon.

Platen var 3 mm tykk og volumfraksjonene av de tre komponentene var som følger: glassfibre 0,2 volum/volum;

polypropylenfibre 0,2 volum/volum; og

polyesterharpiks 0,6 volum/volum.

Laminatet ble testet ved at det ble utsatt for slag av en fallende vekt for å måle laminatets energiabsorpsjon. Den spesifikke testkonfigurasjonen som ble anvendt gir resultater av absorbert energi for glassfiberkompositter som faller i en hovedkurve bestemt ved tykkelsen av laminatet og volumfraksjonen av fibre. Den energien som ble absorbert av laminatet fremstilt fra preformen med polypropylenfibre satt til som seiggjørende midler var 100 J.

I motsetning til dette absorberte et lignende laminate produsert fra identisk polyesterharpiks 0,8 volum/volum, men forsterket med et stoff som var produsert utelukkende av glassfibre med en fibervolumfraksjon på 0,2 volum/volum og en tykkelse på 3 mm, et gjennomsnitt på ca. 40 J. Dette viser at tilsetning av de termoplastiske fibrene i preformen tilveiebringer en betydelig seighetsfordel.

Eksempel 2

En glassfiberepoksykompositt ble fremstilt av en DGEBA-epoksyharpiks (digylcidyleter av bisfenol-A herdet med en aminherder [Shell Epikote 828 herdet med Ciba HY932 aromatisk amin]) og et glattvevet stoff av E-glassfibre. Stoffet opptok ca. 50 volum% av kompositten. En tilsvarende kompositt ble fremstilt med det samme nivået av stoff, men hvor stoffkomponenten inneholdt 70 volum% E-glassfibre og 30 volum% av en semi-krystallinsk polymer fiber, med en krystallinsk smeltetemperatur på 210°C.

Komposittene ble produsert ved å impregnere stoffene og laminere til en tykkelse på 6 cm tykk og herde i en ovn innstilt på 190°C. Termoelementer inn-kapslet i sentret av laminatet målte temperaturstigningen i materialene ettersom de først stilte seg inn på ovnstemperaturen og så gjennomgikk ytterligere temperaturstigning på grunn av den eksoterme herdeprosessen.

Laminatet med bare glassfibre oppviste en temperaturstigning godt over ovnstemperaturen på 190°C og som ble hurtig og nådde en toppverdi på 300°C, og på dette punktet ble det observert betydelig nedbryting av epoksyen. Laminatet med semi-krystallinske termoplastiske fibre oppviste også en temperaturstigning på grunn av den eksoterme herdingen, men straks denne temperaturen nådde den krystallinske smeltetemperaturen for de termoplastiske fibrene, ble hele temperaturstigningen stoppet og epoksyharpiksen ble ikke merkbart nedbrutt.

Eksempel 3

En karbonfiberkompositt, 3 mm tykk, ble fremstilt fra et glattvevet stoff og en epoksyharpiks (digylcidyleter av bisfenol A herdet med en amidherder [Shell Epikote 828 herdet med Ciba HY932 aromatisk amin]). Stoffet inneholdt 70 volum% karbonfibre (Torayca T300) og 30 volum% nylon 6,6 fibre. Stoffet ble impregnert med den flytende epoksyharpiksen og herdet ved romtemperatur i 24 timer fulgt av en etterherding ved 100°C i 4 timer. Det herdede laminatet inneholdt ca. 50 volum% karbonfibre og 21 volum% nylonfibre. Den resterende andelen på 29% av blandingen var herdet epoksyharpiks. En tilsvarende kompositt ble fremstilt ved å impregnere et stoff produsert utelukkende av karbonfibre. I dette tilfellet opptok de glattvevede karbonfibrene 50 volum% av kompositten og epoksyharpiksmatriksen opptok de gjenværende 50%.

Begge laminatene ble underkastet slagtester med høy energi ved hjelp av fallende vekter. Laminatet omfattende bare karbonfibre og en epoksymatriks absorberte 50 J energi. Laminatet med karbonfibrene, nylonfibrene og epoksyma-triksen absorberte 85 J.

Eksempler 4 til 7

Tester har blitt gjennomført med en serie av medium volumfraksjon glassfiberkompositter som oppviser slagseighet (energi absorbert under salg med fallende vekter med full penetrering) som forbedres med faktor på 2-3 ved å inkludere termoplastiske fibre, sammenlignet med de ikke-modifiserte analogene. Tester har også vist en bemerkelsesverdig mangel på sensitivitet mot innsnitt i åpenhull-strekktestene på de samme materialene.

Slagresultatene for to materialer mot to kontrollprøver er vist på fig. 3, og tabell 1 definerer de testede materialene.

De strukturelle komponentene innbefattet hver ca. 50:50 volumandeler glass til seiggjørende additiv.

Fig. 3 viser slagresultatene for eksempler 4-7 som en opptegnelse av

absorbert energi mot tykkelse x volum av fibre. Slag-hovedkurven for SMC (ark-støpekompositt), GMTer (glassmatte-termoplaster) og prepreger etc. er blitt lagt ovenpå hverandre for sammenligningsformål. Den absorberte energien for komposittene inneholdende polypropylen og polyester er betydelig forbedret i sammenligning med analoge kompositter uten noe seiggjørende additiv.

Figurer 4 til 6 er opptegnelser som viser slagstyrke, det vil si energi absorbert under penetrering, som en funksjon av tykkelse x volumfraksjon av fibre. Hver opptegnelse har data fra tre forskjellige termoherdende matrikser, nemlig to epoksyer og en polyester. Den første opptegnelsen på fig. 4 viser resultatene oppnådd når det anvendes utelukkende glassfibre, idet volumfraksjonen av glassfibre i kompositten er mellom 30 og 50%. Den andre og tredje opptegnelsen på figurer 5 og 6 viser resultatene når andelen av glassfibrene erstattes av polypropylen, fig. 5, og polyamid, fig. 6. Opptegnelsene viser at inkluderingen av de termoplastiske polymerene tilveiebringer betydelige fordeler mht. forbedret slagstyrke. Virkningen er dessuten konsistent med forskjellige matrikser.

Harpiksene som er anvendt i studien som produserte opptegnelsene på figurer 4 til 6 inkluderer en umettet isoftalsyrepolyesterharpiks (UP), Crystic 272 (et produkt fra Scott Bader plc) og to epoksysystemer, EP1 var en kaldherdings-epoksyharpiks (digylcidyleter av bisfenol A herdet med en amidherder (Shell Epikote 828 herdet med Ciba HY932 aromatisk amin) og EP2 var en lav enkelt-dels, lav-viskositets epoksyharpiks levert av Cytec-Fiberite, Cycom 823, og som ble herdet ved 120°C.

Den eksperimentelle prosedyren i alle disse forsøkene omfattet anvendelse av en instrumentert fallvekts-slagtest hvor en slaginnretning utstyrt med en hemi-sfærisk ende på 20 mm får falle på et platestykke av testkompositten. Kompositt-prøvestykket er en tynn plate, typisk 3 mm tykk, og 60 mm x 60 mm i størrelse og som ganske enkelt er anbrakt på en stålring med en indre diameter på 40 mm. Slaginnretningen slippes fra en høyde på 1 m og har tilstrekkelig masse, slik at den kinetiske energien er tilstrekkelig til at slaginnretningen fullstendig penetrerer stykket. Testen måler kreftene under slaget og den energien som absorberes beregnes ut fra kraft-tid-opptegnelsen og den målte hastigheten for slaginnretningen når den slår inn i prøvestykket.

Anvendelsen av termoplastiske fibre inkorporert i harpiksmatriken tilveiebringer et termoplastisk område i den termoherdende matriksen som gir en mekanisme for plastisk deformasjon og ettergivenhet som ikke er mulig i den umodifiserte termoherdende harpiksen alene. Den lave viskositeten av den umodifiserte termoherdende harpiksen gjør det mulig å støpe store deler i løpet av akseptable tidsperioder og å anvende lavt injeksjonstrykk for prosessen, noe som også vil fjerne eventuelle problemer med fiberslemming nær injeksjonspunktene på grunn av de påførte trykk.

Oppfinnelsen har potensiale til å gjøre flere komposittfabrikasjonsteknik-ker mer effektive ved at den er i stand til å håndtere et større område av rna-triksformuleringer, og deres virkning med eksisterende systemer kan økes ettersom strømning og utvætingstider kan reduseres. Dette vil resultere i en reduk-sjon i den tid det tar å fremstille en komponent.

Claims (25)

1. Kompositt, karakterisert ved at den omfatter en strukturell komponent og en harpikskomponent, hvor den strukturelle komponenten omfatter strukturelle fibre og et seiggjørende additiv omfattende ikke-strukturelle termoplastiske fibre, og harpikskomponenten omfatter et ikke-termoplastisk materiale, og den strukturelle komponenten er en preform omfattende en sammensetning dannet av de strukturelle fibrene og de ikke-strukturelle termoplastiske fibrene.

2. Kompositt ifølge krav 1, karakterisert ved at harpikskomponenten er en termoherdende harpiks-blanding.

3. Kompositt ifølge krav 1 eller krav 2, karakterisert ved at harpikskomponenten er en termoherdende harpiks-blanding med lav viskositet.

4. Kompositt ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at prosentandelen av det seiggjørende additivet i kompositten er mer enn 2 volum%, men mindre enn 30 volum%.

5. Kompositt ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at volumet av det seiggjørende additivet utgjør mer enn 5%, men mindre enn 25%.

6. Kompositt ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at volumet av det seiggjørende additivet er mer enn 10%, men mindre enn 20%.

7. Kompositt ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den strukturelle forsterkningskomponenten tilveiebringes i form av en rekke sjikt av tekstil og at minst ett slør tilveiebringes mellom et par av tilstøtende sjikt, idet sløret omfatter et tynt sjikt av vevd eller ikke-vevd materiale.

8. Kompositt ifølge hvilke som helst av de foregående krav, karakterisert ved at volumfraksjonen av de strukturelle fibrene i preformen er minst 65%.

9. Anvendelse av en strukturell forsterkning i fremstillingen av en kompositt ved flytende komposittstøping, hvor den strukturelle forsterkningen omfatter en preform omfattende en sammensetning av tørre fibre dannet av strukturelle fibre og ikke-strukturelle termoplastiske fibre.

10. Strukturell forsterkning for anvendelse i en kompositt, karakterisert ved at den omfatter en preform som omfatter en tørr fibrøs sammensetning dannet av strukturelle fibre og ikke-strukturelle termoplastiske fibre, idet volumfraksjonen av de strukturelle fibrene i preformen er minst 65%.

11. Strukturell forsterkning ifølge krav 10, karakterisert ved at minst noe av de termoplastiske fibrene er semi-krystallinske.

12. Strukturell forsterkning ifølge krav 10 eller krav 11, karakterisert ved at den videre omfatter et harpiksherdende middel.

13. Strukturell forsterkning ifølge krav 12, karakterisert ved at herdemidlet er temperaturaktiverbart.

14. Strukturell forsterkning ifølge hvilke som helst av kravene 10 til 13, karakterisert ved at preformen omfatter sjikt av tekstil, og at forsterkningskomponenten i tillegg omfatter minst ett slør mellom et tilstøtende par av sjikt, idet sløret dannes av et tynt sjikt av vevd eller ikke-vevd materiale.

15. Strukturell forsterkning ifølge krav 14, karakterisert ved at sløret inkluderer termoplastiske fibre.

16. Strukturell forsterkning ifølge krav 14 eller krav 15, karakterisert ved at bindemiddelmaterialet er fordelt på eller i sløret.

17. Strukturell forsterkning ifølge hvilke som helst av kravene 14 til 16, karakterisert ved at sløret har en større absorberingshastighet for harpiks enn fibrene.

18. Strukturell forsterkning ifølge kravene 10 til 17, karakterisert ved at preformen inkluderer et tekstil omfattende et hybridgarn av blandede strukturelle fibre og termoplastiske fibre eller tråd av strukturelle fibre og tråd av termoplastiske fibre.

19. Fremgangsmåte for fremstilling av en kompositt, karakterisert ved at den omfatter dannelse av en preform ved å kombinere tørre strukturelle fibre med tørre ikke-strukturelle termoplastiske fibre i en sammensetning for å tilveiebringe en strukturell komponent, injisering eller infusering av en flytende harpiks inn i den strukturelle komponenten, og herding av den flytende harpikskomponenten.

20. Fremgangsmåte ifølge krav 19, karakterisert ved at et harpiksherdemiddel settes til den strukturelle komponenten før harpikskomponenten.

21. Fremgangsmåte ifølge krav 20, karakterisert ved at herdemidlet inkapsles i et materiale som smelter ved en første temperatur og hvor herdetrinnet omfatter heving av temperaturen til den første temperaturen for å aktivere herdemidlet.

22. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 19 til 21, karakterisert ved at herdetrinnet gjennomføres minst delvis ved en temperatur under smeltepunktet for de termoplastiske fibrene.

23. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 19 til 22, karakterisert ved at preformen inkluderer at tekstil tilveiebringes i sjikt og et slør tilveiebringes mellom minst et tilstøtende par av sjikt før tilsetning av harpiksen, idet sløret omfatter et tynt sjikt av vevd eller ikke-vevd materiale.

24. Fremgangsmåte ifølge krav 23, karakterisert ved at den omfatter fordeling av bindemiddelmaterialet på eller i sløret.

25. Fremgangsmåte ifølge hvilke som helst av kravene 19 til 24, karakterisert ved at harpiksinjeksjonsprosessen er harpiks-transfer-presstøping eller komposittharpiks-sprøytestøping.