专利名称：提供层压材料的全厚度增强的方法及增强的层压材料的制作方法
技术领域：
本发明涉及提供复合材料的全厚度(through-thickness)增强的方法,并且特别地但不限定于提供层压复合材料的全厚度增强的方法。
背景技术：
在聚合物基质内保持有增强纤维的层压复合材料广泛地应用在许多工程应用中。这类材料相对于常规的金属材料来说，通常每单位重量可以提供更高的强度和硬度。这使得这类复合材料对于重量敏感的应用来说具有优势，例如在航空领域中的那些应用。层压复合材料的一个已知的问题在于，与相应的面内性能相比它们的层间或全厚度机械性能较差。这类低层间强度和断裂韧性会限制复合部件的设计，甚至可能限制这类材料在某些应用中的使用。一种解决这一问题的方式是使用增韧的基质材料。这类基质材料比常规的基质材料通常要昂贵得多，常常具有较差的高温性能并且可能仍不能提供足够的断裂韧性。一种用于改善层间强度性能的可供选择的解决方式是将全厚度纤维插入层压材料中。已经开发了多种不同的技术来插入这类增强纤维。一种这类技术包括使用缝合(stitching)来插入所述全厚度增强纤维。这需要使用直径超过5_的针。当使用这一尺寸的针来穿透纤维层压制品的时候，可能会造成所述层压制品的纤维的显著的切割和变形。这可能导致面内材料性能降低超过20%。此外，使用连续纤维来进行全厚度增强可能会导致在层压制品顶部的少数几个片层(Ply)内形成纽结，这是由从一个针脚横跨到下一针脚的纤维环路造成的结果。这也会导致所述材料的面内性能降低。一种用于将全厚度增强纤维插入层压材料中的可供选择的方法为装订或者Z-钉扎(z-pinning)。这些增强纤维通常为纤维状结构并且在插入末端形成有45°斜面。常规Z-钉扎技术的一个问题在于由于末端斜面与层压制品的紧密堆积的纤维的相互作用使得增强纤维相对于所需的插入轨迹产生偏斜。这会导致所插入的纤维相对于层压制品的平面不适当地产生角度或者弯曲，这显著地降低了它们的全厚度增强性能。常规Z-钉扎工艺的另一个问题在于由于需要迫使纤维增强销钉穿过层压制品的紧密压实的纤维层因而该销钉可能会在插入过程中分裂或者破裂。这会降低增强销钉存在的效果。
发明内容
根据本发明的第一方面，涉及提供层压材料的全厚度增强的方法，所述层压材料包含具有胶凝点的聚合物基质材料，所述方法包括如下步骤(a)提供层压材料；(b)加热所述层压材料至第一预设温度，所述第一预设温度定义为在该温度下距离到达所述胶凝点还有第一预设时间间隔的温度；
(c)在所述层压材料中形成多个孔；和(d)在所述多个孔的每一个中插入增强元件。在本发明的一种实施方式中，所述增强元件形成为侧面平行(parallel sided)的柱体或者纤维。在其他的实施方式中，所述元件可以具有其他的几何构型，例如渐尖的(tapered)或者其它形状的柱体和/或可以是有凹槽的或者有棱纹的。将所述材料加热至第一预设温度的步骤导致所述基质材料的动态粘度从室温下的数值显著地降低。这使得孔形成步骤能够更加容易而且更快地实施，因为所述基质材料更加流体化。一旦达到所述第一预设温度，就必须在有限的第一预设时间间隔内形成所述孔，并且相应的增强纤维必须在所述基质材料开始固化之前插入。一旦固化过程开始，就不可能在不损坏所述材料的情况下形成孔或者插入纤维。在本发明的方法中，所述层压材料整体被加热至所述第一预设温度，例如通过使用加热炉(oven)。在本发明的其他实施方式中，所述层压材料可以使用聚焦的微波能量来选择性地加热。如果所述层压材料较大和/或需要插入大量的增强纤维，那么这可能是有用的。通过将增强纤维插入层压材料内的预形成的孔中，纤维分裂或者被周围的层压制品的纤维偏斜的风险就会显著地降低。任选地，所述多个孔中的每一个均通过将针插入层压材料中来形成，所述针具有圆锥形尖端。具有尖锐的、圆锥形尖端的针的使用与如上所述降低的粘度相结合，使得层压制品的纤维能够在所述针穿过该材料的过程中被所述针偏斜，这使得所述针损坏层压制品纤维的可能性最小化。此外，所述针的圆锥形尖端的对称特性使得在所述针穿过层压材料时发生侧向偏斜的可能性最小化。这有助于使待接收所述增强纤维的孔更加精确地与其预期的路径对正。任选地，所述针延伸穿过层压材料。常规的增强纤维通常形成有斜切的尖端(约45° )，它用于帮助所述纤维插入层压材料。如果增强纤维的插入深度等于层压材料的厚度，那么该斜面会降低纤维的有效长度。有效长度的降低量取决于斜切角度，举例来说，对于45°的斜面，有效长度降低了约等于纤维直径的长度。这一有效长度的降低会削弱纤维对于层压材料的增强效果。通过形成完全穿过层压材料的孔，增强纤维可以插入层压材料中使得斜切的末端部分完全地穿过所述材料。由此，增强纤维的有效长度等于其插入深度(即层压材料的厚度)。任选地，所述针的直径优选小于约1. OOmm,更优选小于约O. 80mm并且最优选小于约 O. 55mm。用于常规的全厚度增强复合材料的增强纤维可具有一系列的直径。典型的常用增强纤维的直径为O. 28mm至O. 51mm。优选使用直径约等于或者稍大于相应增强纤维的直径的针。这是因为通过将层压材料的基质加热至第一预设温度而造成的该基质的粘度特性，导致当针从材料中抽出时围绕所述孔的材料会恢复，由此降低了孔的直径。 任选地，在将针插入层压材料中时，使针绕其长轴旋转。在将针插入层压材料中时，使针绕其长轴旋转能够通过使针更加容易地从所述材料的纤维之间穿过而降低将针插入层压材料中所需的力。任选地，所述针包括表面涂层，使得涂覆的针的摩擦系数小于相应的未涂覆的针的摩擦系数。所述针的表面摩擦系数的降低减小了将针插入层压材料中所需的力并且还降低了基质材料粘附到所述针上的趋势。任选地，所述多个孔通过多个针同时形成。典型的待形成为具有全厚度增强的复合部件可以具有高达约25，000的全厚度增强纤维。如果所述增强纤维中的每一个均单独地插入，那么很可能加工时间会过长，这将使得该过程耗费时间、成本昂贵并且因而是不切实际的。通过在单一操作中形成多个孔，所述过程可以显著地提高速度并降低成本。这使得所述方法更有成本效益并且由此更具有商业价值。任选地,在将针插入层压材料中时,对所述针或者每个针施加超声能量。在将针插入材料中时对其施加超声能量造成对与该针接触的层压制品的局部加热，这产生了局部软化并进而有助于插入。任选地,所述增强元件包括具有斜角(angled)的尖端。任选地，所述增强元件由选自硼、碳、玻璃、碳化硅、氧化铝、氮化铝、刚性酚醛树月旨、刚性聚酰亚胺、刚性环氧树脂及这类材料的复合物的材料形成。所述增强元件可以由与所述层压材料的基质相容的材料形成。任选地，在将增强元件插入层压材料内的各孔时，使增强元件绕其长轴旋转。如上所述，常规的增强纤维通常在它们的插入尖端形成有45°的斜面。在层压材料中形成供增强纤维插入的孔可以显著地降低由于增强纤维与层压制品的紧密堆积的纤维之间的相互作用导致的增强纤维相对于其预定的插入路径产生偏斜的趋势。当将增强纤维插入预形成的孔中时，通过旋转所述增强纤维，末端斜面在插入操作期间并没有保持在相同的位置，而是围绕所述纤维的长轴连续地旋转。这进一步地降低了所述纤维在层压制品的纤维的作用下相对于其预定路径产生偏斜的趋势。增强纤维沿着其长轴的旋转可以朝任一方向和/或可以是振荡的。举例来说，所述振荡的运动可以采用一系列的连续顺时针旋转和更小的逆时针旋转的形式。任选地，所述针被冷却至第二预设温度，所述第二预设温度小于所述第一预设温度，并且定义为在该温度下距离达到胶凝点还有第二预设时间间隔的温度。如上所述，通过加热所述层压材料至第一预设温度，层压制品基质的粘度显著地降低。这可能会导致在所述针移除时围绕新形成的孔的基质材料恢复至部分闭合或者填塞所述孔。在将所述针插入加热的层压材料之前，将所述针冷却至小于所述第一预设温度的第二预设温度，致使当所述针插入层压制品中时它局部地冷却紧密围绕所述孔的基质材料。这增加了紧密围绕所述孔的区域内的基质材料的粘度，并且降低了所述材料恢复进入该新形成的孔内的趋势。在一种设置形式中，在将所述针插入加热的层压材料之前，将它冷却至约-20°C。在另一种设置形式中，所述针可以冷却至更高的温度，该温度在任何情况下可能均小于室温。
下文将参照附图以非限制性实施例的方式来描述本发明的实施方式，其中图1示出了常规复合层压材料的示意性的、局部剖视图；图2示出了层压复合材料使用的典型的环氧树脂的胶凝时间-温度图。图3示出了图2的环氧树脂的动态粘度-温度图。图4示出了图2的环氧树脂的热流-温度图。图5a和5b示出了将针插入层压复合材料中以形成孔的示意图；并且图6示出了将增强纤维插入层压复合材料内的孔的示意图。
具体实施例方式图1示出了层压复合材料100的实例，其包括多个纤维层110。在图1的实施方式中，每个纤维层Iio均包括保持在基质材料130中的多个单向定向的纤维120。在可供选择的设置形式中，所述纤维层可以包括具有其它取向的纤维。每个层110的相对的纤维取向以及纤维层110的数量均由成品部件待经受的设计负载所决定。本发明的方法包括加热未固化的复合层压材料100至第一预设温度。所述第一预设温度对于每种基质材料130都是唯一的，并且在该基质材料的固化参数、流变学和胶凝时间以及第一预设时间间隔的基础上确定。所述第一预设时间间隔是可用于完成全厚度增强纤维到材料100的插入的时间，并且取决于成品部件的几何构型和增强纤维的数量。图2示出了可用于层压复合材料的典型环氧树脂材料的胶凝时间图(胶凝时间对温度)。这一数据容易从基质材料供应商处获得。胶凝时间图显示了在任何特定温度下达到所述材料的胶凝点之前可用的时间。所述胶凝点定义为基质材料的固化反应的开始，即在该点处基质材料的分子开始链接在一起(或者胶凝)并且所述材料开始硬化。参考图2，如果需要100分钟的第一预设时间间隔来完成增强纤维的插入过程，那么可以看出所述第一预设温度为100°c。图3示出了图2的环氧树脂材料的流变图(动态粘度对温度)。从图3可以看出，通过加热所述层压材料至第一预设温度(在这种情况中，100°C )，所述环氧树脂基质材料的粘度将会大大低于室温下的粘度。这一粘度上的降低极大地帮助了增强纤维的插入过程。胶凝点在图3中显示为流变图的拐点，即在该点处由于加热导致的粘度降低停止而进一步加热致使粘度快速增加因为所述材料开始固化或硬化。如在图4中所示，可以根据环氧树脂的固化图(热流对温度)来对第一预设温度的适用性作进一步检查。从图4中可以看出，对于当前的实例，所述第一预设温度(100°C)低于该树脂开始固化或硬化的温度，该温度由该曲线上的峰指示。因此，所述基质材料处于粘性状态，这极大地便利了增强纤维的插入。如上所述,所述胶凝点对应于树脂中固化反应的开始。该点在图4中示出为热流随着温度的升高开始增加的起始点。一旦整个层压材料达到所述第一预设温度，就将具有尖锐的、圆锥形插入尖端170的针160首先插入所述材料中然后移除以形成孔180，为后续的增强纤维190的插入做好准备。这在图5a和5b中以示意性的方式显示。针160具有实心的、圆柱形形式和O. 30mm的直径。在另一种设置形式中，可以使用直径不同的针。然而，针160的直径应当大于所使用的增强纤维190的直径，它在本发明中为 O. 28mm。虽然孔180可以逐个形成，但是在本发明中使用自动控制器(未示出)来同时将多个针160插入层压材料100中，由此在单一操作中形成多个孔180。如上所述，通过加热复合材料100至第一预设温度，基质材料130的粘度显著地降低，这使得当针160穿过所述材料时层压纤维120能够被针160偏斜。这进而降低了孔形成步骤期间针160损坏层压纤维120的可能性。每个针160都设有平滑的、抛光的表面，这使得当针160插入和移除时针160和层压材料之间的摩擦阻力最小化。这种平滑表面还使得孔形成步骤期间在针160上的树脂材料的携取(pick-up)或者纤维120的钩挂(catching)最小化。在孔形成之后，增强纤维190与孔180对正并插入所述层压材料中。在增强纤维190插入所述材料中时，它可以围绕其长轴旋转。在不偏离本发明的必要特征的前提下，本发明可以其它具体形式来实施。所描述的实施方式在各个方面均应理解为仅作为说明性的而不是限制性的。因此，本发明的范围通过所附的权利要求来指出，而不是通过前述的说明。所有落入所述权利要求的含义和等同范围内的变形均涵盖在它们的范围之内。
权利要求
1.提供层压材料(100)的全厚度增强的方法，所述层压材料(100)包含具有胶凝点的聚合物基质材料(130)，所述方法包括如下的步骤(a)提供层压材料；(b)加热所述层压材料(100)至第一预设温度，所述第一预设温度定义为在该温度下距离达到所述胶凝点还有第一预设时间间隔的温度；(c)在所述层压材料(100)中形成多个孔(180);和(d)在所述多个孔(180)的每一个中插入增强元件(190)。
2.如权利要求1所述的方法,其中所述多个孔(180)中的每一个均通过将针(160)插入所述层压材料(100)中来形成，所述针(160)具有圆锥形尖端(170)。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述针(160)延伸穿过所述层压材料(100)。
4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述针(160)的直径优选小于约1.00mm，更优选小于约O. 80mm并且最优选小于约O. 55mm。
5.如权利要求2至4中任一项所述的方法，其中当所述针(160)插入层压材料(100)中时使所述针(160)绕其长轴旋转。
6.如权利要求2至5中任一项所述的方法，所述针(160)包括表面涂层，使得已涂覆的针的摩擦系数小于相应的未涂覆的针的摩擦系数。
7.如权利要求2至6中任一项所述的方法，其中所述多个孔(180)由多个针(160)同时形成。
8.如权利要求2至7中任一项所述的方法，其中当所述针(160)插入所述层压材料中时对所述针(160)或者每个针(160)施加超声能量。
9.如权利要求1至8中任一项所述的方法，其中所述增强元件(190)包括具有斜角的尖立而。
10.如权利要求1至9中任一项所述的方法，其中所述增强元件(190)由选自硼、碳、玻璃、碳化硅、氧化铝、氮化铝、刚性酚醛树脂、刚性聚酰亚胺、刚性环氧树脂及这类材料的复合物的材料形成。
11.如权利要求1至10中任一项所述的方法，其中当所述增强元件(190)插入所述层压材料内的各个孔(180)中时使增强元件(190)绕其长轴旋转。
12.如权利要求2至11中任一项所述的方法，其中所述针(160)冷却至第二预设温度，所述第二预设温度小于所述第一预设温度并且定义为在该温度下距离达到所述胶凝点还有第二预设时间间隔的温度。
13.增强的层压材料，由权利要求1至12中任一项所述的方法形成。
全文摘要
本发明涉及提供层压复合材料的全厚度增强的方法，包括将包含聚合物基质材料和多个纤维层的层压复合材料加热至第一预设温度，该温度定义为距离所述基质材料达到其胶凝点还有第一预设时间间隔的温度。所述第一预设时间间隔定义为将所需量的全厚度增强纤维插入所述层压材料内所需的时间。在所述层压材料中形成多个孔；每个孔均通过将具有圆锥形尖端的针插入所述层压材料中来形成。然后在所述多个孔的每一个中插入增强元件。本发明还涉及通过本发明方法得到的增强的层压材料。
文档编号B32B3/08GK103042732SQ201210459998
公开日2013年4月17日 申请日期2012年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者J·K·兰德 申请人:劳斯莱斯有限公司