TWI414421B - 半連續性纖維預浸材料、其製造方法及利用其製造之複合材料 - Google Patents

Description

半連續性纖維預浸材料、其製造方法及利用其製造之複合材料

本發明係與複合材料有關，並且特別地，本發明是關於一種半連續性纖維預浸材料、其製作方法及利用該半連續性纖維預浸材料所製成之複合材料。

複合材料由兩種以上的材料組成，其主要強度來自於加強材，例如碳纖維與玻璃纖維等，這些加強材由例如環氧樹脂或酚醛樹脂等基材結合成為一整體。複合材料係一種可設計的材料，視不同的應用，可搭配使用不同的加強材和基材。例如，以碳纖維作為加強材搭配環氧樹脂做成的複合材料具有良好的結構性能，被大量應用於航空、交通工業與運動器材；玻璃纖維或矽纖維搭配酚醛樹脂的複合材料隔熱性好，是優良的斷熱材料和耐燃材料；碳纖維搭配酚醛樹脂具有良好的摩擦和耐熱性能，是煞車塊的理想材料。

在火箭噴嘴的應用上，視不同的部位，絕熱構件必須具備斷熱或耐燒或兩者兼具的性能，其中搭配酚醛樹脂基材及可耐受2000℃高溫的碳纖維編織布之複合材料，因具有優異之機械及耐燒性能，已成為此技術領域之主流材料。隔熱方面，或燒蝕時間較短的情況，則多使用酚醛樹脂基材搭配玻璃纖維或矽纖維之複合材料。一般而言，複合材料係由兩種或兩種以上的材料組成，舉例來說，可將環氧樹脂或酚醛樹脂等基材添加碳纖維與或玻璃纖維等材料組成複合材料，碳纖維或玻璃纖維等可加強複合材料之強度。於實際應用中，以碳纖維作為加強材搭配環氧樹脂製成的複合材料具有良好的結構性能，經常被大量應用於航空、交通工業與運動器材等用途。由於碳纖維搭配酚醛樹脂所形成之複合材料具有良好的摩擦及耐熱性能，是作為煞車塊的理想材料。

以酚醛樹脂為基材之碳纖維編織布的複合材料具有優異之機械及耐燒性能，可在高達2000℃的溫度下提供良好的熱防護；由玻璃纖維或矽纖維搭配酚醛樹脂所形成的複合材料則具有良好的隔熱性，可廣泛應用於斷熱材料及防火材料等用途。

前述纖維強化樹脂複合材料之原料大多以預浸材的方式呈現，常用的有短纖模造材料與連續纖維預浸材料兩種。一般而言，當複合材料構件的結構強度要求不高且/或主要功能為隔熱而不直接受燃氣沖刷，或燃燒時間不長時，首先考慮使用短纖模造材料，以熱壓模和熱壓機加熱加壓成型，製程單純，可製造複雜的形狀，合格率高，材料使用率可達100%，且人工與設備成本較低。常用的短纖模造材料有預混型模造材料(bulk molding compound)和板片型模造材料(sheet molding compound)等，製造的方式是使用一定長度的纖維，與樹脂以一定的比例，預混攪拌或延壓成片狀，然後烘烤成半固化狀態。以短纖維膜造材料製成之複合材料構件具有較低的結構強度，且由於纖維排列方式不易控制，故僅適用於不需直接受燃氣沖刷或燃燒時間短的場合。當複合材料構件應用於需要較高的結構強度且燒蝕條件較嚴苛之環境時，則需使用長纖維或連續纖維之製程，因為纖維的長短、排列方式以及其與氣流的夾角等均是影響複合材料之結構性能和燒蝕特性的重要因素，通常纖維連續愈長且按照需要的角度排列，複合材料的耐燒蝕性愈佳，其結構強度亦愈強，但製作和成型的困難度也隨之提高，且合格率受材料品質穩定性的影響也愈大。

於實際應用中，長纖維或短纖維屬於兩種極端的材料，當考慮其性能時，則需花費高額的成本；若考慮其成本時，則須犧牲其性能。例如，美國Cytec Engineered Materials公司型號MXSE-55的產品係將矽纖維布材料含浸以橡膠改質的酚醛樹脂，烘烤製成半固化的預浸材布後，再以自動裁條切片機器裁切成邊長1/2吋(12.5mm)的正方形方塊材料。這種小方塊形狀的預浸材料可以用模壓成型，雖然纖維長度僅12.5mm，但當利用模具製做成管件時，大部分纖維布面會順著成品壁面排列，因此可相當程度地提高結構強度。Cytec Engineering公司另一類似產品MX-4926MC，係將含浸酚醛樹脂之碳纖維織布裁切成12.5mm的方塊，據稱是小型噴嘴應用中，最佳的耐燒蝕材料。

上述之纖維預浸布切塊材料係以特殊裁條切片機裁切纖維預浸材料，由於市面上並未有此種特殊型式之裁條切片機，故需要特別針對此一用途設計專用的裁條切片機，致使製造成本大幅增加。裁條切片機之機構係先使材料通過分條刀成為條狀，再由裁刀切成方塊，當纖維硬度較高時(例如碳纖維)，裁切刀片容易過熱，致使樹脂軟化而黏附在裁切刀片上，導致裁切過程必須不斷清理裁刀，嚴重影響整體生產之效率。此外，以纖維預浸布切塊材料製作之複合材料雖然性能優於預混型及板片型模造材料，但由於成型時流動性不如預混型模造材料，且不能如板片型模造材料一般依照成品形狀進行剪裁及預排，施工上極為不便。

因此，本發明提供一種半連續性纖維預浸材料、其製造方法及利用半連續性纖維預浸材料製造之複合材料，可如同纖維預浸布切塊材料一般以模壓成型，且施工上較為容易，同時，利用其製造之複合材料具有較先前技術所提更好的結構性能。

如熟習本項技術之人士所知，較大面積(例如長寬各100mm的方形)纖維預浸布是很難用模壓成型的，即使勉強成型，也很容易造產生膠質集中及/或裂縫等瑕疵，此係因纖維布的剛性所致。根據第一具體實施例，本發明利用複數個斷續性切痕及/或連續性切痕解除纖維預浸布材料的剛性，成為半連續性纖維預浸材料，而適合於模壓成型。其中，該複數個斷續性切痕係以第一方向形成於纖維預浸材料之一區域，而連續性切痕則係以第二方向形成於該區域，且使得該複數個斷續性切痕與連續性切痕交叉。

根據第二具體實施例，一種半連續性纖維預浸材料之製造方法包含下列步驟：於一纖維預浸材料上產生至少一方向的切痕，該至少一方向的切痕可以是連續性切痕或斷續性切痕，致使該纖維預浸材料具有柔軟性而適合模壓成型。

根據第三具體實施例，利用半連續性纖維預浸材料製造之複合材料的製造方法包含下列步驟：(a)將一半連續性纖維預浸材料捲繞於一模具；(b)對捲繞有該半連續性纖維預浸材料之該模具加溫，並施以一軸向壓力；(c)形成一複合材料。

綜上所述，本發明提供之半連續性纖維預浸材料、其製造方法及利用半連續性纖維預浸材料製造之複合材料的製造方法僅需使用一般的沖模刀刃和標準衝床即可切割所需之刀痕，且可快速生產及選擇性調整塊狀或條狀材料的形狀及大小，使得塊狀或條狀材料具有柔軟性及同時具備一定比例的長纖維與短纖維。本發明提供之半連續性纖維預浸材料可如同板片型模造材料一般，依據成品形狀進行剪裁及預排，大大地改善了纖維預浸布切塊材料不易施工的缺點，且利用其所製造之複合材料具有更好的結構和耐燒蝕性能，故極具市場潛力。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明提出一種半連續性纖維預浸材料、其製造方法及利用半連續性纖維預浸材料製造之複合材料。需特別強調的是，本發明所提出之半連續性纖維預浸材料並不侷限於具有兩個方向切痕，於實際應用中，該半連續性纖維預浸材料亦可能僅具有一個方向的切痕，抑或該半連續性纖維預浸材料所具有的兩個方向切痕均為斷續性切痕，只要能夠使得該半連續性纖維預浸材料具有柔軟性而適合模壓成型即可。

請參照圖一，圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之半連續性纖維預浸材料的製造步驟流程圖。於此實施例中，纖維預浸材料係指碳纖維/酚樹脂預浸布，碳纖維使用T300之PAN基碳纖維以八枚綜緞斜紋方式編織(8 harness satin)而成，而酚醛樹脂係由氨水、甲醛、酚以縮合聚合方式製成，但不以此為限。藉由連續式預浸機，將碳纖維織布以預先決定的速度，依序通過酚樹脂槽、厚度控制滾輪以及溫度控制在攝氏120±5℃的烘箱，製得碳纖維/酚樹脂預浸布的樹脂含量約35-40%。

該半連續性纖維預浸材料製造方法係於一纖維預浸材料上產生至少一方向的切痕，該至少一方向的切痕可以是連續性切痕或斷續性切痕，致使該纖維預浸材料形成具有柔軟性且適合模壓成型的半連續性纖維預浸材料。

於一實施例中，如圖一所示，首先，執行步驟S20，以第一方向之複數個斷續刀刃於纖維預浸布材料之一區域切割出複數個斷續性切痕並定義該區域之寬度。接著，執行步驟S22，以第二方向之連續刀刃切割該區域，產生與該複數個斷續性切痕交叉的連續性切痕並定義區域之長度。

實際上，該半連續性纖維預浸材料製造方法所製造的半連續性纖維預浸材料並不侷限於具有兩個方向切痕，只要能夠使得該半連續性纖維預浸材料具有柔軟性而適合模壓成型即可。因此，該半連續性纖維預浸材料製造方法亦可製造出僅具有一個方向的切痕之半連續性纖維預浸材料，抑或製造出具有兩個方向的斷續性切痕之半連續性纖維預浸材料，並無一定之限制。

請參照圖二A至圖二D，圖二A係繪示第一種沖模4的示意圖，而圖二B至圖二D係繪示根據本發明以第一種沖模4切割纖維預浸布材料6的示意圖。如圖二A所示，沖模4包含第一刀刃組40及第二刀刃組42。其中，第一刀刃組40包含複數個刀刃400(斷續性)及寬度刀刃402(連續性)，而第二刀刃組42包含複數個刀刃420(連續性)及長度刀刃422(連續性)。於此實施例中，第一刀刃組40係以橫向排列，而第二刀刃42組係以直向排列，但實際上，第一刀刃40及第二刀刃42之排列情形仍有其他可能，並不以此為限，且刀刃係連續性或斷續性亦可以視應用而有不同的安排。

首先，透過沖模4之第一刀刃組40於纖維預浸布材料6之區域60上沖切出複數個斷續性切痕600並透過第一刀刃組40之寬度刀刃402沖切出區域60的寬度602，如圖二B所示。

接著，橫向移動沖模4再次沖切纖維預浸布材料6之區域60，使得沖模4之連續刀刃420沖切出與區域60上的複數個斷續性切痕600交叉的連續性切痕，且沖模4之長度刀刃422沖切出區域60的長度606。值得注意的是，由於沖模刀刃4係以橫向移動之方式執行沖切的動作，故可同時產生具有斷續性切痕600與連續性切痕604交叉之方塊材料(即區域60)及下一個區域60的直向斷續性刀痕和寬度，如圖二C所示，圖二D顯示本具體實施例所產生之方塊材料。另一種可能的做法是，使用具有圖二D所示刀刃樣式的沖模直接沖出圖二D之方塊材料，但這種沖模製造上相當困難且不易保養及維修。

若衝剪機器具有自動刀座橫移及自動送料之功能，則可迅速地將整捲纖維預浸布裁切成含有斷續切痕的方塊材料。裁切後的每個方塊材料皆具有50%的較長纖維和50%較短纖維的混合，使得方塊材料具有較佳的柔軟性，且性能更優於短纖維模造材料和裁切成小方塊的纖維預浸布切塊材料。此外，本發明使用之沖模4係為製鞋業普遍使用之自動衝剪機器，而非特別訂製之裁剪機器，且不易發生先前技術採用之裁條切片機的刀片發熱使樹脂軟化而黏附在裁刀上的情形。

請參照圖三A及圖三B，圖三A係繪示第二種沖模4示意圖，而圖三B係繪示根據本發明以第二種沖模4切割半連續性纖維預浸材料6的示意圖。圖三A與前述圖二A之差異在於：圖三A之沖模4並無圖二A之寬度刀刃402，因此，所產生的是如圖三B所示的長條形材料，而非圖二D的方形材料。

以上僅為本發明所述之半連續性纖維/樹脂預浸材料之一種型式及應用，熟知此技術之人士很容易便能夠作其他變化及應用。例如，可視應用的需要而使用不同的刀刃樣式，使衝切出的正方形大小大於10公分或小於10公分，或衝出矩形或其他形狀，或使長短纖維之比例大於或小於1:1，或者，不分割成複數個正方形，而只是將整捲預浸布衝切出斷續性切痕，於使用時才依需要裁切成需要的大小及形狀。另外，亦可先將整捲纖維預浸布以手動或自動分條機裁剪成複數條特定寬度(例如100mm)的條料，再以沖模搭配一般衝剪機械沖切出需要的形狀及切痕。

請參照圖四，圖四係繪示本發明之半連續性纖維預浸布A、一般的預浸布B及小塊狀的預浸布C製成平板試片之三點彎曲測試的曲線圖。如圖四所示，本發明之半連續性纖維預浸布A於三點彎曲測試中均優於切塊材料C；而與一般的預浸布B比較，本發明之半連續性纖維預浸布A雖然強度較低，但由於其破壞前的變形量較大，故具有較佳的韌性(toughness)。

請參照圖五，圖五係繪示根據本發明之利用半連續性纖維預浸材料製造之複合材料的製造方法流程圖。如圖五所示，此具體實施例主要係製造耐燒蝕絕熱管件，亦是採用上述之半連續性纖維預浸材料製作而成。

首先，執行步驟S80，將一半連續性纖維預浸材料捲繞於一模具；接著，執行步驟S82，對捲繞有該半連續性纖維預浸材料之該模具加溫，並施以一軸向壓力；最後，執行步驟S84，形成一複合材料。

於實際應用中，藉由上述之實施例沖切的半連續性纖維預浸布，由於切痕使每一條料均具有柔軟性，且半連續性纖維預浸布包含50%的長纖維和50%的短纖維。請參照圖六A，圖六A係繪示半連續性纖維預浸布802於第一種模具成型的示意圖。如圖六A所示，藉由模具800之模心將半連續性纖維預浸布802捲成管狀胚料，使得管狀胚料形成50%的環向連續纖維後，對模具800加熱及施以軸向壓力，致使管狀胚料變成具有環向補強纖維之複合材料。

由於半連續性纖維預浸布802具有柔軟性，且徑向被管型模具的壁面所限制，因此當受到軸向成型壓力時，不但環向連續纖維可保持連續，且管狀胚料由於軸向縮短變得更加緊密。此外，軸向縮短將使原來平行於軸向的短纖維傾斜或轉成橫向或斜向排列(視捲繞的緊密程度而定)，填充於環向連續性纖維之間，形成網狀的構造。

請參照圖六B，圖六B係繪示半連續性纖維預浸布802於第二種模具800成型的示意圖。由此可知，本發明並不限於製造複合材料直管，亦可為錐管、圓柱或具有不規則輪廓之管件。換言之，使用本發明，可根據成品的形狀及尺寸設計適合之模具800，因此可減少材料浪費及後續加工處理，且可避免環向連續纖維因加工而變成不連續。

於實際應用中，可對本發明之具有網狀構造之碳酚材料重複進行碳化/滲膠的程序，製造成為具有網狀構造之碳/碳複合材料，不僅可應用於火箭噴嘴，亦可作高性能摩擦材料方面(例如煞車塊)的應用，但不以此為限。

相較於先前技術，本發明提供之半連續性纖維預浸材料、其製造方法及複合材料之製造方法僅需使用一般的沖模刀刃和標準衝床即可切割所需之刀痕，且可快速生產及選擇性調整塊狀或條狀材料的形狀及大小，使得塊狀或條狀材料具有柔軟性及同時具備一定比例的長纖維與短纖維。本發明提供之半連續性纖維預浸材料可如同板片型模造材料一般，依據成品形狀進行剪裁及預排，大大地改善了纖維預浸布切塊材料不易施工的缺點，且利用其所製造之複合材料具有更好的結構和耐燒蝕性能，故極具市場潛力。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

S20~S22、S80~S84．．．流程步驟

4．．．沖模

40．．．第一刀刃組

400．．．斷續刀刃

402．．．寬度刀刃

42．．．第二刀刃組

420．．．連續刀刃

422．．．長度刀刃

6．．．纖維預浸布材料

60．．．區域

600．．．斷續性切痕

602．．．寬度

604．．．連續性切痕

606．．．長度

802．．．半連續性纖維預浸布

800．．．模具

圖一係繪示根據本發明之一具體實施例之半連續性纖維預浸材料的製造步驟流程圖。

圖二A係繪示第一種沖模刀刃的示意圖。

圖二B至圖二D係繪示根據本發明以第一種沖模刀刃切割纖維預浸材料的示意圖。

圖三A係繪示第二種沖模刀刃示意圖。

圖三B係繪示根據本發明以第二種沖模刀刃切割半連續性纖維預浸材料的示意圖。

圖四係繪示本發明之半連續性纖維預浸布、一般的預浸布及小塊狀的預浸布製成平板試片之三點彎曲測試的曲線圖。

圖五係繪示根據本發明之利用半連續性纖維預浸材料製造之複合材料的製造方法流程圖。

圖六A係繪示半連續性纖維預浸布於第一種模具成型的示意圖。

圖六B係繪示半連續性纖維預浸布於第二種模具成型的示意圖。

S20~S22．．．流程步驟

Claims (10)

1. 一種半連續性纖維預浸材料，係由至少兩方向強化纖維互相交織與基質樹脂所構成之編織布，該編織布由複數個兩方向互相交叉之刀痕所切割，其中一方向之切痕為斷續性切痕，而另一方向之切痕為連續性及斷續性切痕之其中一者，以使該半連續性纖維預浸材料具有長纖維與短纖維。
2. 如申請專利範圍第1項所述之半連續性纖維預浸材料，其中該纖維預浸材料係將纖維織布含浸高分子樹脂且烘烤成半固化狀態所形成之纖維預浸布材料。
3. 如申請專利範圍第1項所述之半連續性纖維預浸材料，其中該至少兩方向包含一第一方向及一第二方向，該第一方向與該第二方向係分別為一橫向切割或一直向切割。
4. 一種半連續性纖維預浸材料的製造方法，包含下列步驟：使用包含第一刀刃組及第二刀刃組之沖模，其中該等兩刀刃組各自涵蓋相同形狀並相鄰之區域，且該等兩刀刃組各自包含複數個互為平行之刀刃，而該等兩刀刃組係配置於不同方向，其中該第一刀刃組包含斷續刀刃，該第二刀刃組包含斷續刀刃及連續刀刃之其中一者，並於一纖維預浸材料之區域進行第一次沖切，產生兩組相鄰且不同方向之複數個平行刀痕，且分別移動該第一刀刃組之沖模與該第二刀刃組之沖模，以使該纖維預浸材料之區域中的第一刀刃組區域與該第二刀刃組區域重疊，接著進行第二次沖切，讓該重疊區域產生兩個方向之交叉切痕，並持續以前述方式移動該第一刀刃組之沖模與該第二刀刃組之沖模進行沖切，以獲得半連續性纖維預浸材料。
5. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該纖維預浸材料係將纖維織布含浸高分子樹脂且烘烤成半固化狀態所形成之纖維預浸布材料。
6. 如申請專利範圍第4項所述之製造方法，其中該至少兩方向包含一第一方向及一第二方向，該第一方向與該第二方向係分別為一橫向切割或一直向切割。
7. 一種利用半連續性纖維預浸材料之複合材料製造方法，包含下列步驟：(a)將一半連續性纖維預浸材料捲繞成管狀或柱狀胚料；(b)將該管狀或柱狀胚料置於成型模具中；以及(c)以熱壓機對該管狀或該柱狀胚料沿其軸向施以壓力並提供成型所需溫度，使其形成一複合材料。
8. 如申請專利範圍第7項所述之製造方法，其中該纖維預浸材料係將纖維織布含浸高分子樹脂且烘烤成半固化狀態所形成之纖維預浸布材料。
9. 如申請專利範圍第7項所述之複合材料的製造方法，其中該半連續性纖維預浸材料係透過下列步驟製造：於一纖維預浸材料上產生至少兩方向的切痕，該至少兩方向的切痕為連續性切痕或斷續性切痕，致使該纖維預浸材料形成具有柔軟性且適合模壓成型的該半連續性纖維預浸材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之複合材料的製造方法，其中該至少兩方向包含一第一方向及一第二方向，該第一方向與該第二方向係分別為一橫向切割或一直向切割。