TW201114572A - Prepregs with improved processing - Google Patents

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201114572 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之實施例係關於預浸潰纖維，且具體而言係關於 用於製作穿孔預浸材、穿孔預浸材疊層及複合物結構之方 法。 【先前技術】 纖維強化複合物（FRC)係包含基質組份之混合結構材 料，該基質組份環繞構造成一或多層之纖維強化劑的至少 一部分。由於FRC具有相對較高剛性對重量比、以及相對 較低密度，已發現其可用於其中重量係最為關心的問題之 應用（諸如飛機組件）中。 可使用經基質組份預浸潰之纖維（亦稱作預浸材）製造 FRC組份。為自預浸材形成複合物部件，在模具内組裝一 或多層預浸材且可施加熱以使基質樹脂流動，從而可固結 預浸材層。所施加熱可額外固化或聚合基質組份。 然而，較難以此方式固化預浸材以形成複合物。氣體在 疊層期間可截留於預浸材内部及預浸材之間且亦可在加熱 及/或固化預浸材期間析出。該等氣體難以自疊層去除， 此乃因基質實質上抑制氣體移動且可在複合物内產生孔隙 率。此孔隙率可進一步降低複合物之機械性質。 已研發增強在複合物製作期間去除截留氣體之技術，然 而，仍存在問題。舉例而言，可利用邊緣通氣件對預浸材 之邊緣施加真空以自預浸材疊層之侧面排除氣體。然而， 以此方式去除預浸材之截留氣體較慢且不可實質上完全去 144138.doc 201114572 除所截留氣體。 【發明内容】 在一實施例中，提供具有去除預浸材及預浸材疊層内之 氣體（例如空氣及其他揮發性物質）的增強能力之預浸材。 在某些實施例中，預浸材内存在所選構造之穿孔。該等穿 孔為穿孔預浸材中所截留氣體提供逸出該預浸材之路徑。 在一實施例中，提供一種穿孔預浸材，其中穿孔分佈遍 及預浸材之至少一部分。穿孔亦於約室溫下尺寸穩定且進 一步使氣體移動穿過穿孔預浸材。 在另一實施例中，提供一種使用一或多種穿孔預浸材製 得之複合物。該複合物具有基於複合物之總體積小於1 〇 vol. %之孔隙率。 在又一實施例中，提供一種製造穿孔預浸材之方法。該 方法包含對預浸材施加機械操作或能量以在預浸材之至少 一部分中形成一或多個穿孔。 在一替代實施例中，提供一種形成纖維強化複合物之方 法。該方法包含將一或多個穿孔引入包含基質樹脂及埋置 於基質之至少一部分中的纖維之預浸材以形成穿孔預浸 材。一或多個穿孔經構造以能夠使氣體自穿孔預浸材本體 内行進至穿孔預浸材之外表面。 在另一實施例中，提供一種穿孔預浸材疊層。該穿孔預 浸材疊層可包含一或多種上述穿孔預浸材。穿孔預浸材疊 層可進一步包含穿孔預浸材與不含穿孔之預浸材的組合。 在又一實施例中，提供一種穿孔預浸材，其中例如對於黏 144138.doc 201114572 著膜或貼面膜而言， 率小於20 wt. %，且 【實施方式】 纖維強化劑在穿孔預浸材中之重量分 例如對於樹脂膜而言可為零。 本文所用術語 仍能實施期望功 s ，術語「大約 10%、小於 5%、 圍内之量。 大約」、「約」及「實質上」代表接近 ‘或達成期望結果所述量之量。舉例而 、「約」及「實質上」可係指在小於 於1 %、小於0.1 %及小於0 〇丨％所述量範 具有實質上均勻之圓形橫截面的穿孔可呈現小於平均直 徑之10%、小於平均直徑之5%、小於平均直徑之1%、小 於平均直徑之0.1%、及小於平均直徑之〇〇1%範圍内的直 徑。在另一實例中，實質上垂直於纖維之所選平面延伸之 牙孔可呈現在小於與纖維平面正交之角的丨〇0/。'小於與纖 維平面正父之角的5 〇/〇、小於與纖維平面正交之角的1 %、 小於與纖維平面正交之角的〇 1%、及小於與纖維平面正交 之角的0.01%範圍内之定向。 本文所用術語「至少一部分」代表佔總體之量，其包含 可包括該總體在内之佔總體的量。舉例而言，術語「一部 分」可係指大於總體之〇·〇 1 %、大於總體之〇. 1 %、大於總 體之1 ◦/〇、大於總體之1 〇%、大於總體之2〇%、大於總體之 30% '大於總體之40%、大於總體之50%、大於總體之 60%、大於總體之70%、大於總體之80%、大於總體之 90%、大於總體之95%、大於總體之99%及總體的100%之 量0 144138.doc 201114572 本文所用術5吾i溫」具有如彼等熟習此項技術者已知 之其普通含義且可包括在約听至价範圍内之溫度。 本文所用術語「纖維」（「fib…戈「―)具有如彼 等熟習此項技術者已知之其普通含義且可包括一或多種適 於強化複合物之纖維材料。纖維可採取顆粒、薄片、晶 鬚、短纖維、連續纖維、片、層及其組合之任一者的形 式。連續纖維可進-步採用單向、多維（例如，二維或三 維广非織造、織造、針織、縫合、捲繞及編織纖維、以 及卷毛玻璃氈、氈墊及短切氈結構之任一者。織造纖維可 包含具有小於約1000條單絲、小於約3〇〇〇條單絲、小於約 6000條單絲、小於約12〇〇〇條單絲、小於約24〇〇〇條單絲、 小於約48000條單絲、小於約56〇〇〇條單絲、小於約⑼〇 條單絲及大於約125000條單絲之複數個織造纖維束。織造 纖維束可藉由跨纖維束縫線、緯編插人針織縫線、或少量 樹月a (上聚）保持在適當定位。 纖維之組合物可視需要而變。纖維包括（但不限於）玻 璃、碳、芳族聚醯胺、石英、聚乙烯、聚酯、聚-對·伸苯 基-苯并雙嚼唾（PBO)、棚、碳化石夕、㈣胺、％ι〇η⑧、氮 化矽、AStr〇qUartz®、Tyrann〇⑧、Nextel⑧、Nicai〇n⑧及石 墨、及其組合。 本文所用術語「基質」、「樹脂」及「基質樹脂」具有 如彼等熟習此項技術者已知之其普通含義且可包括包含熱 固性及/或熱塑性材料在内之一或多種化合物。實例^ ^ 括（但不哏於）環氧樹脂 '環氧固化劑 '酚醛類、酚類、氰 144138.doc 201114572 酸酯類、醯亞胺類（例如，聚醯亞胺類、雙馬來醯亞胺 (BMI)、聚醚醯亞胺類）、聚酯類、笨并噁嗪類、聚笨并咪 °坐類、聚笨并噻唑類、聚醯胺類、聚醯胺醯亞胺類、聚颯 類、聚醚颯類、聚碳酸酯類、聚對笨二曱酸乙二酯類、及 聚醚酮類（例如’聚醚酮（PEK)、聚醚醚酮（PEEK)、聚醚酮 酮（PEKK)及諸如此類）、其組合、及其前體。 本文所述基質可進一步包含可溶、不可溶或部分可溶添 加劑°可提供該等添加劑以影響基質之一或多種機械、流 變、電、光學、化學及/或熱性質。該等添加劑可進一步 包含與基質發生化學反應、與基質交互作用或不與基質反 應之材料。該等添加劑之尺寸分佈及幾何結構亦可視需要 變化。舉例而言，添加劑之大小可介於奈米級尺寸（大約工 nm-100nm)、微米級尺寸（大約1〇〇nmi〇〇 及宏觀級尺 寸（大於約100 μιη)範圍内。在其他實例中，添加劑可經構 =為包括（但不限於）顆粒、薄片、棒、及諸如此類在内之 幾何結構。在額外實例中’可將添加劑分佈於基質之所選 區域（例如’础鄰基質表面）内或均勻地分佈或溶解於基質 内。添加劑之實例可包括（但不限於）有機及無機物質了例 如阻燃劑、紫外（UV)保護劑、增稠劑（例如，Cab〇sil®)、 二L強知害耐受性、韌性、耐磨性中之一或多者的強化劑 '，橡膠、陶瓷及/或玻璃）。 尤佳之添加劑係橡膠顆粒、熱塑性顆粒或 業内所熟知可改良損害耐受性。 -已為 本文所用術語「浸潰」具有如彼等熟習此項技術者已知 144138.doc 201114572 之其普通含義且可包括將基質膜、粉末、液體及或溶液引 入纖維之至少一部分中。可藉由施加熱、壓力及溶劑之一 或多者來幫助浸潰。本文所討論「全浸潰」可包括其普通 含義且可進一步包括將實質上所有纖維埋置於基質内（例 如於預浸材中）的浸潰。本文所述「部分浸潰」包括其普 通含義，且可包括小於實質上全浸潰，且含有其中纖維之 一部分未埋置於基質内之乾燥纖維區域的浸漬。 本文所用術語「預浸材」具有如彼等熟習此項技術者已 知之其普通含義，且因而包括其體積之至少一部分已浸潰 於基貝樹脂内的纖維之片或薄片。基質可以部分固化或未 固化狀態存在。 本文所用術語「疊層」具有如彼等熟習此項技術者已知 之其w通3義且可包括彼此她鄰放置之一或多個預浸材。 在某坠κ把例中，疊層内之預浸材可相對於彼此以所選定 向定位。在又一實施例中，可視情況用穿絲材料將預浸材 疊層縫合在一起以抑制其相對運動偏離所選定向。在額外 實施例中，「®層」可包含本文所述完全浸潰預浸材、部 分浸潰預浸材及穿孔預浸材之任一組合。疊層可藉由包括 (但不限於）手動疊層、自動帶疊層（ATL)、高級纖維佈置 (AFP)、及單絲捲繞在内之技術來製造。 本文所用術語「尺寸穩定」具有如彼等熟習此項技術者 已知之其普通含義且因而包括維持尺寸於所選範圍内達所 選時間段之結構能力。在某些實施例中，所選範圍可藉由 結構實施合意功能之能力（例如使氣體在所選壓力下以所 144138.doc 201114572 選速率通過）來測定。 本文所用術浯「固結」具有如彼等熟習此項技術者已知 之其普通含義且因而包括其中樹脂或基質樹脂流動以便替 代空的空間之過程。舉例而言，「固結」可包括(但不限 於）使基質流入纖維與預浸材、穿孔及諸如此類之間及其 内之空的空間。「固結」可在熱、真空及施加壓力之一或 多者作用下進一步發生。 本文所用術語「固化」（「cure」，「_」）具有如彼 :熟習此項技術者已知之其普通含義且可包括聚合及/或 父聯過程。固化可藉由包括（但不限於）加熱、曝光於紫外 光中及曝光於輻射中在内之過程來實施。在某些實施例 中’固化可在基質内發生。纟固化之前，基質可進一步包 3或多種在約室溫下為液體、半固體、晶體固體及其組 合之化合物。在其他實施例中’預浸材内之基質可經調配 或邙为經固化以呈現所選黏稠度或黏性。在某些實施例 中’可在單一過程中實施固結及固化。 本發明之實施例提供穿孔預浸材、穿孔預浸材疊層及製 以方法。穿孔預浸材具有去除截留於穿孔預浸材及穿孔預 π材噠層内及其間之氣體的增強能力。所戴留氣體可在固 過程之至少一部分之前及/或期間單獨自穿孔預浸材、 或當納入穿孔預浸材疊層時在固結過程之至少一部分之前 或期間進一步去除以形成複合物結構。在某些實施例 中，將具有所選構造之穿孔引入預浸材，之後進行疊層。 在替代貫知例中，在疊層期間或之後將具有所選構造之穿 144138.doc 201114572 孔引入預浸材。在固結預浸材之至少一部分之前及/或期 間，穿孔為截留於穿孔預浸材或穿孔預浸材疊層内及其間 之氣體提供逸出路徑，從而減小所得複合物内之殘餘孔隙 率並可提高其機械性質。舉例而言，以此方式可獲得基於 複合物之總體積具有小於10 vol· %、小於4 vol. %、及小 於1 vol. %之殘餘孔隙率的複合物。 在某些實施例中，穿孔預浸材經構造以使穿孔尺寸穩 定。結果，穿孔在引入時可保持尺寸穩定達所選時間段。 在某些實施例中，穿孔可在穿孔預浸材之儲存期間保持尺 寸穩定。在其他實施例中，穿孔可在固化過程之至少一部 分期間保持尺寸穩定。有利地，穿孔預浸材之此設計可去 除截留於穿孔預浸材疊層中之穿孔預浸材内及穿孔預浸材 層之間的氣體。 在某些實施例中，可藉由調整基質之黏度提供尺寸穩定 性。舉例而言，於約室溫下具有相對較高基質黏度（大於 約1,000,000厘泊（cp))可為穿孔提供尺寸穩定性。較佳地， 基質樹脂適於形成於約室溫下尺寸穩定之穿孔且能夠於大 於室溫之所選溫度下流動以填充一或多個穿孔。 在其他實施例中，可將穿孔引入完全或部分浸潰預浸 材。如下文中更詳細的論述，可製作其中預浸材纖維之一 部分未經基質樹脂浸潰之穿孔預浸材，即部分浸潰預浸 材。藉由將穿孔引入該等部分浸潰預浸材，氣體可穿過穿 孔預浸材之未浸潰部分、穿孔部分、預浸材疊層中之預浸 材間的層間區域、及其組合行進，從而增強氣體逸出部分 144138.doc -II - 201114572 浸潰穿孔預浸材及疊層之能力。有利地，將穿孔引入完全 或部分浸潰預浸材之能力可使本文所述方法供寬範圍之預 浸材及應用使用。 在額外實施例中，可進一步改變穿孔之構造以進一步增 強在固化之至少一部分之前及/或期間氣體自預浸材逸出 之能力。在一個實例中，穿孔可部分或完全延伸穿過預浸 材之厚度。在另一實例中’穿孔可以受控方式分佈遍及預 浸材，使得可自整個預浸材去除氣體，有利於形成均質複 合物。在又一實例中’可視需要改變穿孔之參數，其包括 但不限於大小、形狀、分佈及穿孔密度（每單位面積之穿 孔數目）。 圖1 A-1B繪示完全及部分浸潰預浸材丨〇〇、1 之實施 例。在一個貫施例中，預浸材1 〇 〇、1 〇 8包含纖維1 〇 4、及 已浸潰至纖維104之至少一部分中的基質丨〇2。 在施加或不施加熱及/或壓力下，基質102可以固體、半 固體膜、粉末及液體形式完全或部分浸潰至纖維104中。 在一個實例中’完全浸潰預浸材100可具有實質上埋置於 基質102之纖維。在另一實例中，部分浸潰預浸材1 〇8可含 有貫貝上無基質102之所選區域’例如含有實質上未埋置 於基質102之乾燥纖維116的無基質區114，如圖ic中所 示。在另一實例中’部分浸潰預浸材1 〇8可含有部分地不 含基質102之所選區域，例如如含有大部分乾燥纖維116之 無基質區114所示’其中無基質區114中之一些纖維埋置於 基質102，如圖ΐβ中所示。在一個實施例中，部分浸潰預 144138.doc 201114572 π材108可藉由自兩側浸潰纖維丨〇4、在預浸材i 〇8之内部 留下實質上無基質102之無基質區114來形成。在另一實例 中，部分浸潰預浸材108可藉由自單一側浸潰纖維1〇4來形 成。如下所述，無基質區域114可與所引入穿孔協同運作 以在固結及/或固化製程期間去除部分浸潰預浸材1〇8的氣 體。 可使用大量技術形成預浸材1〇〇、1〇8，該等技術包括 (但不限於）溶液製程（例如，溶液浸泡及溶液喷霧）、以及 熔融及加工製程（例如，直接熔融及膜壓延）。該等製程經 »又汁以使纖維104之至少一部分與呈可流動或可延展狀態 之基質102接觸並用基質102浸潰纖維1〇4。為有利於疊層 製私，可在基質浸潰期間及/或之後相應調節基質i 〇2之黏 性。 在溶液浸泡製程中，可使纖維1〇4穿過溶解於溶劑中之 基質固體的浴液。當纖維104穿過浴液時，其獲得一定量 之基質固體，其隨諸如纖維1〇4穿過浴液之速度及浴液内 基質固體之含量等因素而變化。在溶液噴霧製程中，將所 k里之基貝固體喷霧於纖維丨〇4上。在溶液加工之每一情 形中，浸潰纖維1 〇4在曝露於浴液或噴霧後加熱以實質上 去除溶劑並可進一步使基質開始固化製程。 在直接熔融製程中，提供基質102作為纖維104正上方之 勺較乂 /谷劑之塗層。在施加溫度下，基質1 02可充分流 動以便浸潰纖維104之至少一部分以形成預浸材1〇〇、 108。或者，在膜壓延中，將基質1〇2自熔體或溶液形式澆 144138.doc 201114572 注成膜。隨後將纖維104夾在一或多個基質膜與自一側施 加之一個膜之間，並壓延以便將基質膜插入纖維ι〇4中。& 亦可在浸漬之前或之後向基質102中添加添加劑。在― 個實施例中，添加劑可包含藉由噴灑於基質102上或其中 來添加之微粒。該等添加劑對於去除疊層層間之氣體亦可 為有利的，此乃因氣體可更自由地移動穿過由位於層間之 添加劑產生的通道。該等微粒添加劑可包括（但不限於）顆 粒，例如平均直徑小於約2〇〇 μιη之熱塑性顆粒、熱固性顆 粒、含矽顆粒、玻璃顆粒、橡膠及無機顆粒的任一組合。 預浸材100、108之纖維含量亦可隨應用規定而變化。在 一個實施例中，基於預浸材1〇〇、1〇8之總重量，纖維ι〇4 之重量分率可介於約20-80 wt_ ◦/◦之間。在又一實施例中， 例如對於黏著膜或貼面膜而言，穿孔預浸材中之纖維丨 的重1分率小於20 wt. °/〇，且例如對於樹脂膜而言可為 零。此一貫施例之穿孔預浸材可有利地用作黏著膜或貼面 膜其中穿孔為氣體提供自表面、自黏連者間或自芯材之 去除途徑。該等添加劑可包括用於複合物之共固化結合應 用 '金屬及夾心型結構應用。其中穿孔預浸材中之纖維 104的重量分率小於2〇 wt %或完全涑有之有利實施例包括 (例如）其中黏著劑中之纖維係輕質聚酯或耐綸稀鬆布的添 加劑。 由基質102佔據之預浸材1〇〇 ' 1〇s的份數亦可根據需要 而變化。在某些實施例中，基於預浸材1〇〇、1〇8之總重量， 基質102可佔據介於約2〇·8〇 %間之預浸材100、108。 144138.doc •14· 201114572 圖2A-2B繪示具有穿孔204A及部分穿孔204B之完全及部 分浸潰預浸材200、202。在某些實施例中，穿孔204A可實 質上延伸穿過預浸材200、202之寬度，而部分穿孔204B可 延伸穿過預浸材200、202寬度之所選部分。 穿孔204A、204B可包含引入預浸材100、108之通道且 可包括（但不限於）刺孔、洞、孔、狹縫、間隙、裂紋及其 組合。穿孔204A、204B可沿其長度實質上均勻' 沿其長 度實質上不均勻及其組合。穿孔204 A、204B可相對於纖 維1 04之長軸以所選角度進一步定向。舉例而言，穿孔 204A、204B可大約垂直於纖維104之長軸延伸。 不欲受限於特定理論，穿孔預浸材200、202可有利於在 固結之至少一部分之前及/或期間去除個別穿孔預浸材 200、202及納入穿孔預浸材200、202之預浸材疊層300、 310中的氣體（圖3A-3B)且因而與無穿孔預浸材200、202形 成之複合物相比.可減小自其形成之複合物中的孔隙率體 積。舉例而言，穿孔204A、204B為穿孔預浸材200、202 之氣體提供逸出路徑且與未穿孔預浸相比可使氣體更容易 且以更大體積自穿孔預浸材200、202去除。氣體可包括源 自部分及/或完全浸潰預浸材200、202之基質102或無基質， 區114中的層間氣體302A及源自預浸材疊層中之基質102内 及預浸材層間之層内區域的層内氣體302B、302C。具體 而言，據信穿孔預浸材200、202適於去除可在固結期間析 出之氣體。 圖3 A及3B繪示可自其中去除氣體之部分浸潰穿孔預浸 144138.doc 15 201114572 材疊層300及完全浸潰穿孔預浸材疊層310的實施例。應瞭 解，本揭示内容之實施例可包括包含完全浸潰預浸材 100、部分浸潰預浸材102、完全浸漬穿孔預浸材200及部 分浸潰穿孔預浸材202之任一組合的疊層。 如圖3A-3B中所繪示，穿孔預浸材200、202中之氣體 302A、302B、3 02C可移動穿過基質102、無基質區114及 穿孔204A、204B之任一組合以離開穿孔預浸材200、 202。舉例而言，在力（其可因基質流動、所施加壓力及/或 真空而產生）影響下，可迫使氣體302A、302B、302C自毗 鄰之穿孔204間及/或其中離開。一旦進入穿孔204中，氣 體302A、302B、302C可容易地離開穿孔預浸材200、 202，而實質上無來自基質102之抗性。 在圖3A之部分浸潰穿孔預浸材疊層300中進一步繪示， 無基質區114可使氣體302A、302C在兩個或更多個穿孔 204A及204B之任一組合間流通。舉例而言，在氣體 302A、302C進入穿孔204A、而非沿穿孔204A離開穿孔預 浸材202時，氣體302A、302C可在離開穿孔預浸材202之 前穿過無基質區114到達穿孔204C。在另一實例中，氣體 302A、302C可穿過一或多個穿孔204A、204B到達無基質 區114，其中氣體302A、302C可穿過無基質區114行進以 逸出部分浸潰穿孔預浸材疊層300。有利地，氣體302A、 302C在穿孔204A、204B間移動之能力可為氣體302A、 302C提供離開穿孔預浸材202之各種路徑。在一或多個穿 孔204A、204B被阻斷或者原本不能通過之情形下，該等 144138.doc -16- 201114572 替代路徑可為有利的，此乃因氣體302A、302C仍可經由 穿孔204A、204B及無基質區114之其他組合離開穿孔預浸 材200 ' 202 ° 在某些實施例中，可在基質浸潰後藉由施加能量向預浸 材100、108中引入穿孔204A、204B，如圖4中所繪示。能 量可進一步包含機械及熱能量中之至少一者。在下文引入 穿孔204A、204B之上下文中論述完全及部分浸潰預浸材 1 00、108時，應瞭解，亦可將穿孔引入完全浸潰穿孔預浸 材200及部分浸潰穿？L預浸材202。此外，亦可將穿孔 204A、204B引入具有完全浸潰預浸材100、部分浸潰預浸 材102、完全浸潰穿孔預浸材200及部分浸潰穿孔預浸材 2 0 2之任一組合的疊層。 在某些實施例中，穿孔製程可使預浸材中之大量纖維斷 裂。在某些實施例中，可引入穿孔204A、204B以使自穿 孔預浸材200、202形成之複合物的機械性質（例如，抗拉 強度、拉伸模量及抗壓強度）與自無穿孔之同等預浸材製 得之複合物相比降低小於1 〇%、小於5%、及/或小於1 %。 在一個實施例中，可經由使用具有一或多個突起402之 穿刺工具400(例如針輥）施加機械能量。在一個實施例中， 穿刺工具400可為含有複數個針之針輥，按照穿透預浸材 至期望深度所需，每個針均係約1 〇〇 μηι高至約5 cm高或更 高、更佳係約1 mm至約2 5 mm高。每個針當穿入預浸材時 在預浸材表面處可具有任一類型形狀，例如圓錐形、梯 形、斜面等，其中平均直徑為約1 μπι至約10 mm、更佳約 144138.doc -17- 201114572 5 00 μιη至15 00 μιη。複數個針可具有相同或不同高度及直 徑。針較佳具有鋒利尖端之終端，但可藉由鈍的、圓形斜 面或其他期望形狀之尖端終止。穿刺工具400之突起402可 穿刺預浸材1 〇〇、1 08經過其厚度之至少一部分以引入穿孔 204Α、204Β。突起402可進一步經構造為穿孔204Α、204Β 所需之大約大小、密度及/或圖案。在替代實施例中，可 利用複數個穿刺工具400以獲得穿孔204A、204Β之期望構 造。 在又一實施例中，可經由使用能夠發射超音波410之超 音波裝置406對預浸材100、108施加機械能量。超音波410 包含具有超音波範圍内之頻率的壓力波。在進入預浸材 100、108時，壓力波可造成基質102破碎，產生刺孔 204A、204B。藉由超音波410形成之刺孔204A、204B亦可 藉由冷卻預浸材1 〇〇、108來製作以便減少使基質102破碎 所需之能量。在又一實施例中，對冷卻預浸材施加機械操 作以形成孔或穿孔。 在另一實例中，可經由使用雷射404施加熱能量。雷射 404之光束412經構造以穿過預浸材100、108燒成所選深度 之穿孔204八、2048。光束412之橫截面積可大約等於期望 穿孔204之橫截面積。 所形成穿孔可具有足以使氣體自穿孔預浸材或穿孔預浸 材4層逸出之任一尺寸直徑。舉例而言，端視穿孔之密度 及使複數個穿孔允許氣體足夠逸出之其他因素，各穿孔之 平均直徑可為自約1 μηι或更小至約5000 μιη或更大，且較 144138.doc -18- 201114572 佳自約50 μιη至約500 μιη。在其他實施例中，可選擇穿孔 204之分佈以使氣體302Α、302Β、302C逸出穿孔預浸材 200、202，如圖5Α-5Β之俯視圖中所繪示。舉例而言，穿 孔204可分佈遍及穿孔預浸材200、202之大約整個體積。 分佈可為隨機的（如圖5Α中所繪示）或大約均勻（如圖5Β中 所繪示）。在一個實施例中，端視穿孔直徑，穿孔204可以 大於約一個穿孔/20平方公分至與使氣體足夠逸出所需一 般多之平均密度存在。在又一實例中，穿孔204可以所選 圖案分佈。另外，穿孔204可間隔所選距離（例如，邊緣至 邊緣距離、中心至中心距離及諸如此類），例如約0.01-100 mm。有利地，藉由使穿孔204分佈於穿孔預浸材200、202 之整個體積内，氣體302A、302B、302C可自穿孔預浸材 200、202之整個體積逸出，從而抑制形成不均質孔隙率之 區域。然而，應瞭解，在替代實施例中，可將穿孔204A、 204B引入預浸材100、108之所選部分，而並不穿過預浸材 100、108之實質上整個體積。 在其他實施例中，基質102之黏度可經構造以使穿孔204 保持尺寸穩定。有利地，穿孔204之尺寸穩定性可允許穿 孔預浸材200、202在製造、儲存及使用期間在無過量預防 措施情況下進行處理。所形成穿孔完全無或實質上無碳纖 維以及基質樹脂。 在另一實施例中，基質102之黏度可經構造以在固結期 間流動並填充穿孔預浸材200、202内及其中之空的空間。 舉例而言，在一個實施例中，基質102之黏度可經構造以 144138.doc -19- 201114572 在施加熱而無外部壓力時流動並填充空的空間。在其他實 施例中，基質102之黏度可經構造以在施加熱及外部壓力 及/或真空時流動並填充空的空間。有利地，藉由在固結 期間填充穿孔204A、204B及其他空的空間，穿孔204A、 204B及其他空的空間可經構造以便不影響所得固化為之孔 隙率。 在其他實施例中，穿孔預浸材200、202可經構造以呈現 不同黏性等級。有利地，呈現相對較高黏性等級之穿孔預 浸材200、202可適於製作複雜複合物部件，此乃因其可以 相對較緊密半徑定位。 圖6繪示用於固結及固化穿孔預浸材200、202之系統600 的一個實施例。在某些實施例中，將穿孔預浸材200、202 構造為經設計以所選定向堆疊在一起之薄片或疊層602， 對其固結並固化以形成複合物部件。舉例而言，在具有纖 維104之單向定向的穿孔預浸材200、202中，纖維104可相 對於預浸材100、108之最大尺寸以0°、90°或所選角度Θ定 向。可組合具有任一組合定向之穿孔預浸材200、202以形 成疊層602。類似地，可針對具有其他纖維架構之穿孔預 浸材200、202產生疊層602。 疊層602可進一步包含放置於疊層602中之一或多個穿孔 預浸材層間的材料。在一個實施例中，亦可如此放置包含 木材、發泡體、蜂窩狀物或其他結構材料之中心芯材。或 者或另外，可在穿孔預浸材層間放置雙層以便產生延長之 強化區域。此外，可將未浸潰或部分浸潰的輕質稀鬆布 144138.doc -20- 201114572 (例如，玻璃纖維、碳、熱塑性或其他材料之織造布或非 織造布，例如如美國專利公開案第2005/0255766號中所述） 引入疊層602内所選位置中以有利於去除氣體302A、 3 02B、3 02C或增加機械性質（例如損害耐受性）。 在其他實施例中，為改良黏性可向預浸材200/202及/或 疊層602中添加具有較基質樹脂為低之黏度的連續或不連 續樹脂膜。尤其在其中預浸材200、202之基質包含添加劑 (例如，顆粒或稀鬆布）之情形下，向疊層602中添加此種樹 脂膜可有利於預浸材200/202疊層602之製備。樹脂膜可且 較佳經穿孔。 在納入芯材結構之疊層602的實施例中，在預浸材固化 期間亦可利用黏著劑材料使芯材結合至預浸材材料。由於 開放中心芯材結構（例如蜂窩狀結構）可含有大量氣體，故 亦可使黏著劑層穿孔或成網狀以有利於去除氣體。在額外 實施例中，可穿過預浸材100、1 02A、黏著劑層及芯材層 引入穿孔204A、204B為欲去除之氣體302A、302B、302C 提供實質上暢通路徑。 疊層602可經放置以與工具604接觸，工具604為穿孔預 浸材200、202提供模板形狀以在固結及固化期間採用。舉 例而言，工具604可包含相對較平表面、彎曲表面及其組 合。在一個實施例中，第二工具可相對工具604定位以便 毗鄰第二工具模製疊層602的面。可在壓力固化系統中對 工具604及第二工具施加力以固結穿孔預浸材200、202並 對其進行加熱以固化穿孔預浸材200、202。對於該壓力固 144138.doc -21 · 201114572 化系統而言，真空封殼61G係可選的。為抑制基質ι〇2流出 疊層602或為改良氣體流動’亦可此鄰疊層術之邊緣放置 一或多個壩606。 疊層602及工具604可進—步由具有通氣件612(例如未浸 潰的玻璃纖維）之真空封殼61G包圍。在―個實施例中，通 氣件612可础鄰疊層6()2之至少—個水平表面定位用以表面 通氣。在另"'實施財，通氣件612可晚鄰疊層6〇2之-或 多個邊緣放置用以邊緣通氣。在其他實施例中，可定位通 氣件612用以表面及邊緣通氣二者。可視需要進一步利用 密封谬帶以在工具6G4與真空封殼㈣之間產生大約真空氣 密密封。 在其他實施例中，可在預浸材2〇〇、2〇2與通氣件612之 間在一或多個表面處引入分離膜614以有利於自系統6〇〇移 出所衣得複合物。在某些實施例中，分離膜6丨4可滲透氣 體。在替代實施例中，可對分離膜614進行穿孔。在額外 實施例中，分離膜6丨4可為實質上不可滲透氣體但可允許 氣體302A、302B、302C行進至疊層6〇2之邊緣用以去除。 可經由通氣件612對真空封殼6丨〇施加真空，以有利於去 除疊層602之氣體302A、302B、302C。可在壓力下（例如 在高壓釜中）或在無壓力下（例如在烘箱中）進一步加熱疊層 602 ’以降低基質1 〇2之黏度並誘發使基質1 流動之壓 差。基質流可填充抽真空區域並替代疊層6〇2之氣體 302A、302B、302C。當基質102之黏度足夠低以有利於固 結時，基質102可進一步流動並進入穿孔2〇4及疊層中之其 144138.doc •22· 201114572 他抽真空或開放體積。 在完成疊層602之固結及固化時，疊層602形成複合物部 件’基於該複合物之總體積，其可具有小於約1〇 v〇1 。之 孔隙率。 實例 提供以下實例以展示所揭示穿孔預浸材之實施例的益 處。舉例而言’已觀察到，與無穿孔之預浸材相比，在無 邊緣通氣情況下穿孔預浸材200、202可顯著改良氣體自穿 孔預浸材疊層300、310之去除，並在固結及固化時得到低 孔隙率的複合物。此外’該等實例顯示，發現氣體3 〇 2 A、 302B、302C自疊層内之穿孔預浸材層中及其間的去除速 率較無穿孔之相當預浸材者為大。該等實例係出於闡釋性 目的論述且不應將此理解為限制所揭示實施例之範鳴。 實例1 -在唯真空袋（VBO)條件下在烘箱中自部分浸潰預浸 材製得之碳纖維/環氧複合物 自包圍於真空袋圍罩中之部分浸潰預浸材製作三種碳纖 維/¼氧複合物（s式驗1、2及3 )並使其唯經受真空壓力（無高 壓爸壓力）。此加工方式亦稱作唯真空袋（VBO)加工。改變 使用邊緣通氣或密封及存在及無穿孔以檢測各自對複合物 孔隙率之影響。觀察到’自具有密封邊緣（無邊緣通氣）之 穿孔預浸材製得之複合物較在實質上相同條件下自無穿孔 之預浸材製得之複合物呈現顯著更低之孔隙率。此外，自 具有密封邊緣之穿孔預浸材製得之複合物的孔隙率等級呈 現與自邊緣通氣之未穿孔預浸材製得之相當複合物大約相 144138.doc -23· 201114572 同的孔隙率等級。 試·發厂具有邊緣通氣之未穿孔預浸材 試驗1之碳纖維/環氧複合物係自單向預浸材製得，該等 預浸材包含具有約145 g/m2之面積纖維重量的聚丙烯腈 (PAN)基纖維、Thornel® T40/800 (Cytec Industries，West Paterson，NJ)。將包含 CYCOM® 5215 環氧樹脂（Cytec Industries，West Paterson, NJ)之基質部分浸潰以使預浸材 之基質重量分率係大約35 wt. %。將預浸材切割成大約 30.5 cmx30.5 cm之片並將大約30個該等片堆疊成（〇)3〇疊 層。將疊層用具有通氣束之聚矽氧壩沿邊緣包封起來以有 利於邊緣通氣’將其置於真空封殼令並使其經受大約2〇 mm Hg絕對真空達約4小時。隨後，藉由加熱至約82<)(：之 溫度並保持約4小時固化疊層。將如此形成之複合物壓層 分段並拋光並觀察到具有小於約〇丨體積％之孔隙率。 試·發2·具有密封邊緣之未穿孔預浸材 以類似於試驗i之方式製作試驗2之碳纖維/環氧複合 物，只是疊層的所有邊緣使用密封膠帶密封而包封起來， 此實質上抑制邊緣通氣。將如此形成之複合物壓層分段並 拋光並觀察到具有約5·5體積％之孔隙率。 弑發1具有密封邊緣之穿孔預浸材 以類似於試驗2之方式製作試驗3之碳纖維/環氧複合 ㈣材用約18"長且直徑4"之木製圓柱形針輕進 :二械穿孔，該針輥含有尺寸為6 _高及 之圓錐形硬合金針’該等針末端具有鋒利尖端且均勾間隔 144l38.doc • 24 . 201114572 大約6 mm。針輥針穿過預浸材厚度之所選距離以形成穿 孔穿透距離越大，則所得穿孔之大小就越大。端視穿透 密度，穿孔之直徑大小可合意的自約_㈣至約】龍變 化。針輥多次滾過預浸材將合意的增加所得穿孔之密度， 同時維持各穿孔之相對一致的大小，此提供大約2個穿孔/ cm之穿孔雄、度。穿孔實質上延伸穿過各預浸材層之厚 度，產生直徑為約300 μιη之穿孔，並將其引入預浸材，之 後進行豐層。將如此形成之複合物壓層分段並拋光並觀察 到具有小於約0· 1體積。/。之孔隙率。 實例1-匯總 表1-實例1之匯總 試驗 基質 纖維 部分浸潰 基質份數 (wt. %) 穿孔 邊緣通氣 孔隙率 (體積％) 1 Cycom 5215 T40/800 是 35 否 是 小於0.1 — 1 Cycom 5215 T40/800 是 35 否 否 5.5 3 Cycom 5215 T40/800 是 35 是 否 小於ο.Γ— 表1之資料顯示在使用唯真空壓力製作未穿孔預浸材疊 層時使用邊緣通氣可顯著減小複合物之孔隙率，減小達約 5.5 vol. %至小於約〇· 1 v〇l. 〇/〇。進一步觀察到，經由使用 穿孔預浸材而無需邊緣通氣即可獲得類似之複合物孔隙率 減小。 實例2-使用高壓蚤壓力及真空自部分浸潰預浸材製得之 碳纖維/環氧複合物 利用真空及高壓釜壓力自部分浸潰預浸材製作三種碳纖 維/環氧複合物（試驗4、5及6)。改變邊緣通氣及存在及無 144138.doc •25· 201114572 穿孔以檢測各自對複合物孔隙率之影響。觀察到，利用高 壓爸壓力自無邊緣通氣之部分浸潰穿孔預浸材製得之複合 物較在實質上相同條件下自無穿孔之部分浸潰預浸材製得 之複合物呈現顯著更低的孔隙率。利用高壓釜壓力自無邊 緣通氣之穿孔預浸材製得之複合物的孔隙率等級呈現與自 具有邊緣通氣之未穿孔預浸材製得之相當複合物大約相同 的孔隙率等級且較無邊緣通氣之未穿孔預浸材實質上小。 試發‘具有邊緣通氣之未穿孔預浸材 試驗4之碳纖維/環氧複合物係自單向預浸材製得，該等 預浸材包含具有約190 g/m2之面積纖維重量的聚丙烯腈 (PAN)基纖維 HTS (Toho Tenax)。將包含CYCOM® 977-2 環 氧樹脂（Cytec Industries，West Paterson，NJ)之基質部分浸 潰以使預浸材之重量分率係大約34 wt· %。形成約50.8 cmx 50.8 cm之疊層’該疊層大約在板之中心處具有大小介於 約7.6 Cmx7.6 cm至10.2 cmxl0.2 cm間之多層積層。疊層係 利用呈交替0。/90。定向的約20層預浸材構造成，其中約額 外20層的積層交替散佈於較大層中。疊層進一步經構造以 使大量空氣（總共大約200 cm3)截留於積層附近之預浸材層 之間。用具有通氣束之聚矽氧壩沿邊緣圍包疊層以使邊緣 附接至通氣件。將疊層放置於真空封殼中並經受大約20 mm Hg絕對真空達約4小時。隨後，藉由加熱至約177°C並 施加約100 psi壓力達約2小時來固化疊層。將如此形成之 複合物壓層分段並拋光並觀察到整個壓層及層累積區域中 及其附近具有小於約〇，1體積％之孔隙率。 144138.doc 26· 201114572 雜5_具有密封邊緣之未穿孔預浸材 以類似於試驗4夕ne二，a, 式驗4之方式製作試驗5之碳纖维/環 :广疊層的所有四個邊緣用真空密封膠帶密封而包: 貫質上抑制邊緣通氣。如此形成之複合物在層累 積區域令及其附近的孔隙率量測為約5體積％以上。、 就泰-具有密封邊緣之穿孔預浸材 嫌心β驗5之方式、所有四個邊緣均用真空密封膠 ㈣封來製作試驗6的碳纖維/環氧複合物U使用實例 1中所述針輕用針親機械地穿透預浸材以提供大約2個穿孔/ =之穿孔密度。在疊層之前’穿孔實質上延伸穿過各預 汉材層之谷度。將如此形成之複合物壓層分段並拋光並 察到整個壓層及居g ^ 禮及層累積£域中及其附近具有小於約〇 積％之孔隙率。 實例2-匯總 表2-實例2之匿總

匯總表2中之資料顯未力^ 抖”属不在使用真空及高壓釜壓力製作未 穿孔預浸材疊層時使用邊缘# @ … 町讥用逭緣通虱件可顯著減小複合物之孔 隙率，減小達約5 ν〇ι %至小於約 一 j J 0.1 ν〇1· %。該貫料進一 步顯示’經由使用穿孔預浸材而盔需邊絡，a ^扣吖權/θ扣 、 …、而遣緣通氣即可獲得類 似之複合物孔隙率減小。 144138.doc -27· 201114572 實例3-在唯真空袋（VBO)條件下在烘箱中自完全浸潰預浸 材製得之碳纖維/環氧複合物 自實質上完全浸潰預浸材製作兩種碳纖維/環氧複合物 (試驗7及8)。觀察到，唯利用真空壓力自完全浸潰穿孔預 浸材製得之複合物較自無穿孔之預浸材在實質上相同條件 下固結之複合物呈現為低之孔隙率。 試發7-無邊緣通氣之未穿孔完全浸潰預浸材 試驗7之碳纖維/環氧複合物係自單向預浸材製作，該等 預浸材包含具有約145 g/m2之面積纖維重量的Thornel® 丁40/800。實質上完全浸潰包含0丫(：〇]^@5215環氧樹脂之 基質且預浸材之基質重量分率係大約35 vol. %。在約 1 05°C之溫度下、以大約1米/分鐘速度並使用較慢線速度 浸潰預浸材以使樹脂實質上完全浸漬預浸材。將預浸材切 割成大約30.5 cmx30.5 cm之片並將大約30個該等片堆疊成 (〇)30疊層。疊層之所有四個邊緣用真空密封膠帶密封且針 刺分離件覆蓋邊緣密封疊層而包封起來。覆蓋分離件實質 上抑制氣體藉由邊緣通氣去除，且當唯真空壓力加工時模 擬極大狹縫帶部件。將圍包疊層放置於含有通氣件之真空 封殼中並使其經受大約20 mm Hg絕對真空達約4小時。隨 後，藉由加熱至約82°C之溫度並保持約4小時在唯真空壓 力下固化疊層。將如此形成之複合物壓層分段並拋光並觀 察到具有約5體積％之孔隙率。 弑發無邊緣通氣之穿孔完全浸潰預浸材 以類似於試驗7之方式製作試驗8之碳纖維/環氧複合 144138.doc •28· 201114572 物，只是使用實例1中所述針輥用針輥機械地穿透預浸材 以提供大約2個穿孔/cm2。在疊層之前，穿孔實質上延伸 穿過各預浸材層之厚度。將如此形成之複合物壓層拋光並 觀察到具有約〇. 1體積％之孔隙率。 表3-實例3之匯總 試驗 基質 纖維 全浸潰 基質份數 (vol. %) 穿孔 密封 邊緣 孔隙率 (體積％) 7 Cycom 5215 Thomel T40/800 是 35 否 是 5 8 Cycom 5215 Thomel T40/800 是 35 0.1 匯總表3中之資料顯示，在複合物製作加工期間使完全 浸潰穿孔預浸材疊層經受真空與未穿孔預浸材疊層相比可 顯著減小複合物之孔隙率，減小達約5 vol. %至約0.1 vol. %。該等結果顯示在實質上完全浸潰預浸材内引入穿孔可 顯著增強氣體自預浸材之去除。密封邊緣以模擬大部件。 儘管上述說明已顯示、闡述、及指出本發明教示之基本 新穎特徵，但應瞭解，彼等熟習此項技術者可對所繪示設 備以及其用途以詳細形式進行各種省略、取代、及改變， 此並不背離本發明教示之範疇。因此，本發明教示之範疇 不應限於上述論述，但應由隨附申請專利範圍界定。 【圖式簡單說明】 圖1A-1C繪示完全浸潰（1A)及部分浸潰（1B及1C)預浸材 之實施例； 圖2 A-2B分別繪示具有穿孔之完全及部分浸潰預浸材的 實施例； 144138.doc •29· 201114572 圖3A-3B分別繪示可使氣體自圖2A-2B之完全及部分穿 孔預浸材及預浸材疊層實質上去除的可能機制； 圖4繪示用於將穿孔引入預浸材系統中之方法； 圖5A-5B係具有分佈穿孔之預浸材實施例的俯視圖：（A) 隨機穿孔分佈；（B)實質上均勻穿孔分佈；且 圖6繪示用於固結及固化穿孔預浸材以形成複合物結構 之系統的一個實施例。 【主要元件符號說明】 1 00 完全浸潰預浸材 102 基質 104 纖維 108 部分浸潰預浸材 114 無基質區 116 乾燥纖維 200 完全浸潰預浸材 202 部分浸潰預浸材 204A 穿孔 204B 部分穿孔 300 部分浸潰穿孔預浸材疊層 302A 層間氣體 302B 層内氣體 302C 層内氣體 310 完全浸潰穿孔預浸材疊層 400 穿刺工具 144138.doc -30· 201114572 402 突起 404 雷射 406 超音波裝置 410 超音波 412 光束 600 系統 602 疊層 604 工具 606 壩 610 真空封殼 612 通氣件 614 分離膜 144138.doc •31

Claims (1)

1. 201114572 七、申請專利範圍： 1. 一種穿孔預浸材，其包含： 預浸材，其包含基質樹脂及埋置於該基質樹脂之至少 一部分中的纖維；及 複數個穿孔，其分佈遍及該預浸材之至少一部分以使 氣體移動穿過該預浸材； 其中該基質樹脂適於形成在約室溫下尺寸穩定之穿孔 且能夠在高於室溫之所選溫度下流動以填充該等穿孔中 之一或多個。 2. 如請求項1之穿孔預浸材，其中該基質樹脂具有一定黏 度以使該基質樹脂於所選時段内在約室溫下實質上不會 流入該等穿孔。 3. 如請求項1之穿孔預浸材，其中於約室溫下該基質樹脂 之黏度大於約1,000,000 cp。 4. 如請求項1之穿孔預浸材，其中在固結及/或固化期間該 基質樹脂之黏度小於約300,000 cp以助於該基質樹脂流 入該等穿孔預浸材中包括該等穿孔在内的空隙空間中。 5. 如請求項1之穿孔預浸材，其中該一或多個穿孔包含刺 孔、洞、孔、裂紋、狹縫、間隙及其組合。 6. 如請求項1之穿孔預浸材，其中該一或多個穿孔延伸穿 過該穿孔預浸材厚度之所選距離。 7. 如請求項1之穿孔預浸材，其中該等穿孔係以大於約1個 穿孔/20平方公分之密度存在於該穿孔預浸材中。 8. 如請求項1之穿孔預浸材，其中於約2個穿孔/平方公分之 144138.doc 201114572 密度下該等穿孔具有約100 至約500 之直徑。 9. 如請求項1之穿孔預浸材，其中該穿孔預浸材經部分浸 潰或完全浸潰。 10. 如請求項1之穿孔預浸材’其中該等纖維估該穿孔預浸 材重量分率之20 wt. %以下。 11. 一種形成纖維強化複合物之方法’其包含： 引入一或多種穿孔預浸材’其包含基質樹脂及埋置於 該基質樹脂之至少一部分中的纖維； 施加熱、真空或壓力中之至少一者以固結及/或固化該 等穿孔預浸材中之至少一者以形成複合物； 其中一或多個穿孔經構造以能夠將該一或多種穿孔預 浸材本體内之氣體輸送至該穿孔預浸材之外表面。 12·如請求項1丨之方法，其中該穿孔預浸材經部分浸潰或完 全浸潰。 13. 一種藉由請求項11之方法製得之複合物，基於該複合物 之總體積’其具有小於1〇 v〇l %之孔隙率。 14. 一種製造穿孔預浸材之方法，其包含： 傳輸能量給預浸材以在該預浸材之一部分中形成延伸 穿過該預浸材厚度之所選距離的一或多個穿孔。 15. 如凊求項14之方法，其中該能量係以針壓形式傳輸以自 外表面穿刺該預浸材穿過該預浸材厚度之所選距離。 16. 如凊求項14之方法’其中該能量係以超音波壓力波形式 傳輸》 17. 如凊求項14之方法，其中該能量係藉由施加熱能傳輸。 144138.doc 201114572 18. 如請求項14之方法，其中平均每約1.0 cm2該預浸材存在 至少1個穿孔。 19. 如請求項14之製造穿孔預浸材的方法，其中該預浸材包 含佔該預浸材重量分率之20 wt. %以下的纖維。 20. —種穿孔預浸材疊層，其包含一或多個穿孔預浸材。 2 1.如請求項20之穿孔預浸材疊層，其中該穿孔預浸材疊層 進一步包含一或多個無穿孔之預浸材。 22.如請求項20之穿孔預浸材疊層，其中將有及/或無穿孔之 預浸材組裝成疊層且隨後將穿孔引入該預浸材疊層之至 少一部分中。 144138.doc