具有熱塑性粒子共混物的復合材料制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了預浸漬的復合材料（預浸料），該預浸料能夠固化形成具有高水平損傷耐受性的復合材料部件。所述基質(zhì)樹脂包括熱塑性粒子組分，所述熱塑性粒子組分是熔點高于固化溫度的粒子與熔點等于或低于固化溫度的粒子的共混物。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】具有熱塑性粒子共混物的復合材料
技術(shù)介紹
1. 專利
本專利技術(shù) 一般而言涉及用于制備高性能復合物部件的預浸漬的復合材料(預浸料)。更具體地，本專利技術(shù)涉及提供可以被固化/模塑從而形成復合物部件的預浸料，所述復合物部件具有高的強度、損傷耐受性(damage tolerance)和層間斷裂韋刃度(interlaminar fracture toughness)。2.
技術(shù)介紹
復合材料通常包括兩種主要的組分連續(xù)樹脂基質(zhì)和增強纖維。常常要求復合材料在苛刻的環(huán)境中發(fā)揮作用，如在復合物部件的物理極限和特性是非常關(guān)鍵和重要的航空航天領(lǐng)域中發(fā)揮作用。預浸漬的復合材料(預浸料)廣泛用于制造復合物部件。預浸料是未固化的樹脂基質(zhì)和纖維增強材料的組合，其處于準備進行模塑和固化成最終復合物部件的形式。通過用樹脂預浸漬纖維增強材料，制造商可以小心地控制浸漬到纖維網(wǎng)絡的樹脂的量和位置，確保樹脂根據(jù)需要分布于網(wǎng)絡中。眾所周知的是，復合物部件中纖維和樹脂的相對量以及樹脂在纖維網(wǎng)絡中的分布對部件的結(jié)構(gòu)特性有較大的影響。預浸料是用于制造承載載荷的結(jié)構(gòu)部件，特別是航空航天復合物部件(例如機翼、機身、艙壁和控制表面)的優(yōu)選材料。重要的是，這些部件具有足夠的強度、損失耐受性和通常對這些部件所建立的其他要求。通常用于航空航天預浸料的纖維增強材料是多向的織造織物或者是含有彼此平行延伸的纖維的單向帶。這些纖維通常為許多單根纖維或單絲的束(也稱之為纖維束，，)的形式。這些纖維或纖維束也可以被切斷，在樹脂中無規(guī)取向，從而形成非織造氈片(non-woven mat)。這些各種纖維增強材料結(jié)構(gòu)浸漬有小心控制量的未固化樹脂。所得的預浸料通常置于保護層之間，并巻起用于儲存或運輸?shù)街圃旃S。預浸料也可以為短切單向帶的短片段的形式，將這些短片段無規(guī)取向200880018581.4說明書第2/21頁從而形成短切單向帶的非織造氈片。該類型的預浸料稱為準各向同性短切的(quasi- isotropic chopped)預浸料。準各向同性短切的預浸料與更常類L的非織造纖維氈片預浸料類似，不同之處在于短切的短長度單向帶(小片)是在氈片中無規(guī)取向的，而不是短切的纖維。固化的復合材料的抗拉強度很大程度上由增強纖維和基質(zhì)樹脂的各個特性以及這兩種組分之間的相互作用所決定。此外，纖維-樹脂體積比是重要的因素。處于張緊狀態(tài)的固化復合材料往往通過由位于增強纖維束中的各纖維絲的多次拉伸斷裂所產(chǎn)生的累積損傷的機理而失效。 一旦與斷裂的單絲端相鄰的樹脂中應力水平變得太大，整個復合材料就會失效。因此，纖維強度、基質(zhì)的強度以及斷裂單絲端附近的應力耗散效率與固化復合材料的抗拉強度有關(guān)。在許多應用中，期望使固化的復合材料的抗拉強度特性最大化。然而，使抗拉強度最大化的嘗試常常可以導致對其他期望特性的負面影響，例如復合材料結(jié)構(gòu)的壓縮性能和損傷耐受性。此外，使抗拉強度最大化的嘗試可以具有對預浸料的粘性和外置壽命(out-life)的不可預知的效果。未固化的預浸料的粘附性或粘性通常被稱為粘性。未固化的預浸料的粘性是鋪疊和模塑操作過程中重要的考慮因素。沒有或幾乎沒有粘性的預浸料難于形成可以模塑形成結(jié)構(gòu)強的復合物部件的層合體。相反地，粘性太大的預浸料會難于處理，也難于放置到模具中。期望預浸料具有合適量的粘性，從而確保易于處理以及良好的層合/模塑特性。在增加給定的固化復合材料的強度和/或損傷耐受性的任何嘗試中，重要的是，未固化的預浸料的粘性保持在可接受的限度內(nèi)，從而確保合適的預浸料處理和模塑。預浸料的外置壽命，，是預浸料在得到不可接受的固化度之前可以暴露于環(huán)境條件的時間長度。預浸料的外置壽命可以廣泛地改變，這取決于許多因素，但是主要受所使用的樹脂配制物所控制。預浸料的外置壽命應當足夠長，從而允許完成正常處理、鋪疊和模塑操作，而不使預浸料得到不可接受的固化度。在增加給定的固化復合材料的強度和/或損傷耐受性的任何嘗試中，重要的是，未固化的預浸料的外置壽命保持盡可能長，從而允許在固化之前有足夠的時間加工、處理和鋪疊預浸料。為了弱化基質(zhì)和纖維之間的結(jié)合強度，增加復合物拉伸性能的最常用方法是改變纖維的表面。這可以通過在石墨化之后降低纖維的電氧化表面處理的量來實現(xiàn)。基質(zhì)纖維結(jié)合強度的降低通過界面脫結(jié)合而在暴露的單絲端部引入了應力耗散機理。該界面脫結(jié)合增加了復合物部件在因張緊而失效之前能夠承受的拉伸損傷的量。或者，將涂層或上漿劑(size)施加到纖維上可以降低樹脂-纖維結(jié)合強度。該方法在玻璃纖維復合材料是公知的，不過也可以適用于用碳纖維增強的復合材料。使用這些策略，可以實現(xiàn)抗拉強度的顯著增加。但是，該改善伴隨著諸如沖擊后壓縮(CAI)強度等性能的下降，該沖擊后壓縮強度要求樹脂基質(zhì)和纖維之間的高結(jié)合強度。另 一可選方法是使用較低模量的基質(zhì)。具有低模量的樹脂降低了在斷裂的單絲的緊鄰區(qū)域累積的應力水平。這通常通過選擇具有固有較低模量的樹脂(例如氰酸酯)來實現(xiàn)，或者通過引入諸如彈性體(羧基封端的丁二烯-丙烯腈[CTBN]、胺封端的丁二歸-丙烯腈[ATBN]等)的成分來實現(xiàn)。這些各種方法的組合也是已知的。選擇模量較低的樹脂可以有效地提高復合材料的抗拉強度。但是，這可以導致傾向于減小損傷耐受性，這通常由壓縮特性(例如沖擊后壓縮(CAI)強度和開孔壓縮(OHC)強度)的下降所度量。因此，非常難于實現(xiàn)在抗拉強度和損傷耐受性兩者的同時增加。多層預浸料通常用于形成具有層合結(jié)構(gòu)的復合物部件。這些復合物部件的分層是重要的失效模式。當兩層彼此脫結(jié)合時，發(fā)生分層。重要的設(shè)計限制因素包括引發(fā)分層所需的能量以及分層蔓延所需的能量兩者。分層的引發(fā)和生長常常通過檢查模式I(Mode I)和模式II斷裂韌度來確定。通常使用具有單向纖維取向的復合材料來測量斷裂韌度。使用Glc(雙懸臂梁(Double Cantilever Beam))和G2c(端部缺口撓曲(End Notch Flex))試馬全來定量復合材料的層間斷裂韌度。在模式I中，預斷裂的層合體失效由剝離力所控制，而在模式II中，該裂紋通過剪切力蔓延。G2c層間斷裂韌度與CAI有關(guān)。展示出高損傷耐受性的預浸料材料也具有高的CAI和G2c值。提高層間斷裂韌度的筒單方式曾經(jīng)通過引入熱塑性片材作為預浸料層之間的夾層(interleave)提高了基質(zhì)樹脂的延性。但是，該方法往往獲得難于使用的硬的、無粘性的材料。另一方法曾經(jīng)在纖維層之間包含厚度為約25至30微米的韌性樹脂中間層。所述預浸料產(chǎn)品包括富含樹脂的表面，該表面含有細的韌性的熱塑性粒子。對于中間層-增韌的材料，即使模式II斷裂韌度的初始值為不含中間層的碳纖維預浸料的約四倍，^旦是該斷裂韋刃度值降低，因為裂紋在較低的值蔓延和集中，其幾乎與無夾層的體系的值相等。最后，隨著裂紋從非常韌的層間(富含樹脂)區(qū)域移動到韌性低的層間(纖維)區(qū)，平均G2c值達到最高限度。雖然現(xiàn)有預浸料良好地適合于用于提供強的和損傷耐受的復合物部件的預期用途，仍然存在對于提供這樣的預浸料的持續(xù)需求，該預浸料可以用于制備具有甚至更高水平的強度(例如，抗拉強度和壓縮強度)、損傷耐受性(CAI)和層間斷裂韌度(Glc和G2c)的復合物部件。專利技術(shù)概述根據(jù)本專利技術(shù)，提供了這樣的預浸漬復合材料(預浸料)，其本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
用于在固化溫度固化的預浸漬的復合材料，所述預浸漬的復合材料包含：　Ａ）增強纖維；和　Ｂ）包含以下物質(zhì)的基質(zhì)　ａ）樹脂組分，所述樹脂組分包含雙官能環(huán)氧樹脂和至少一種官能度大于２的多官能芳族環(huán)氧樹脂；　ｂ）熱塑性粒子組分 ，其包含熔點高于所述固化溫度的高熔點熱塑性粒子和熔點等于或低于所述固化溫度的低熔點熱塑性粒子；　ｄ）熱塑性增韌劑；以及　ｅ）固化劑。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】US 2007-4-17 11/787,7011.用于在固化溫度固化的預浸漬的復合材料，所述預浸漬的復合材料包含A)增強纖維；和B)包含以下物質(zhì)的基質(zhì)a)樹脂組分，所述樹脂組分包含雙官能環(huán)氧樹脂和至少一種官能度大于2的多官能芳族環(huán)氧樹脂；b)熱塑性粒子組分，其包含熔點高于所述固化溫度的高熔點熱塑性粒子和熔點等于或低于所述固化溫度的低熔點熱塑性粒子；d)熱塑性增韌劑；以及e)固化劑。2. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述固化溫為140°C~200°C。3. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述高熔點熱塑性粒子 選自聚酰胺6,所述低熔點熱塑性粒子選自聚酰胺6與聚酰胺12的共聚物。4. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述增強纖維選自玻璃、 碳和芳族聚酰胺。5. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述雙官能環(huán)氧樹脂選 自雙酚F的二縮水甘油基醚、雙酚A的二縮水甘油基醚、二縮水甘油基二 羥基萘，以及它們的組合。6. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述樹脂組分包括三官 能的間縮水甘油基胺和四官能的對縮水甘油基胺。7. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述熱塑性組分中所述 高熔點熱塑性粒子的量約等于所述熱塑性組分中所述低熔點熱塑性粒子的 量。8. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述增韌劑選自聚醚砜、 聚醚醚;風、聚苯s風、聚砜、聚酰亞胺、聚醚酰亞胺、芳族聚酰胺、聚酰胺、 聚酯、聚酮、聚醚醚酮、聚氨酯、聚脲、聚芳基醚、聚芳基硫醚、聚碳酸酯和聚苯醚。9. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述固化劑是芳族胺。10. 根據(jù)權(quán)利要求1的預浸漬的復合材料，其中所述基質(zhì)包含 40 65wt。/。的所述樹脂組分；3~1 Owt。/。的所述高熔點熱塑性粒子； 3 1 Owty。的所述低熔點熱塑性粒子； 10 20wt。/。的所述熱塑性增韌劑；以及...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：戴維蒂爾布魯克，達納布萊爾，莫林博伊爾，保羅麥肯齊，
申請(專利權(quán))人：赫克賽爾公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]