專利名稱：通過(guò)插入熱塑性網(wǎng)施加的焊點(diǎn)牢固連接的多向?qū)盈B體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適于生成復(fù)合部件的強(qiáng)化材料的技術(shù)領(lǐng)域。更具體地，本發(fā)明涉及用于通過(guò)隨后注入或者導(dǎo)入熱固性樹(shù)脂制造復(fù)合部件的一種新的多向?qū)盈B體(Stack)及其制造工藝。
背景技術(shù)：
一方面包含一個(gè)或數(shù)個(gè)強(qiáng)化或者纖維層，而另一方面包含可以包括熱塑性塑料的主要得熱固性基體(“樹(shù)脂”)的復(fù)合的部件或器件的制造，可以例如通過(guò)所謂的“直接 (direct)”或“LCM”(Liquid Composite Molding)的工藝實(shí)施。直接工藝由以下事實(shí)限定， 即一個(gè)或數(shù)個(gè)纖維強(qiáng)化件在“干燥”狀態(tài)下被處理(即，沒(méi)有最終基體)，樹(shù)脂或者基體被分開(kāi)地處理，例如通過(guò)向包含有纖維強(qiáng)化件的模具中注入(“RTM”工藝，“Resin Transfer Molding”)，通過(guò)穿過(guò)纖維強(qiáng)化件的厚度導(dǎo)入(“ LRI ”工藝，“Liquid Resin Infusion"), 或者“RFI”工藝，“Resin Film hfusion”)，或者在模具上連續(xù)地施加的纖維強(qiáng)化件的每個(gè)單元層上用輥?zhàn)踊蛩⒆邮謩?dòng)涂覆/浸漬。對(duì)于RTM、LRI或RFI工藝，通常，首先必須制作所期望最終產(chǎn)品的模具的纖維坯體(perform)，然后用樹(shù)脂浸漬該坯體。樹(shù)脂在適當(dāng)?shù)臏囟韧ㄟ^(guò)壓力差注入或者導(dǎo)入，然后在所有的量的必須的樹(shù)脂被包含在坯體中后，組件被帶至更高的溫度以完成聚合/成網(wǎng)循環(huán)，從而開(kāi)始硬化。在這些部分中，大量的坯體由強(qiáng)化材料制成，該強(qiáng)化材料主要是碳纖維，特別是單向類型的。隨后在部件的生成期間特別通過(guò)注入或?qū)肱c單向強(qiáng)化層相聯(lián)接的樹(shù)脂，例如可以是環(huán)氧類型的熱固性樹(shù)脂。為了允許正確的流動(dòng)穿過(guò)由不同碳纖維層的層疊體構(gòu)成的坯體，該樹(shù)脂的流動(dòng)性經(jīng)常是非常好的。這種類型的樹(shù)脂的主要麻煩在于其聚合/成網(wǎng)后的脆性，這導(dǎo)致制成的復(fù)合部件具有較差的抗沖擊性。為了解決該問(wèn)題，現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)建議碳纖維的單向?qū)优c熱塑性纖維的網(wǎng)相聯(lián)接。這類解決方案特別描述專利申請(qǐng)文件中或者專利EP 1125728、US 628016, WO 2007/015706,WO 2006/121961以及US 6，503，856中。增加這個(gè)網(wǎng)使得可以改善通常用于表征結(jié)構(gòu)沖擊抗力的沖擊后壓縮(CAI)測(cè)試中的機(jī)械性能。此外，包括沿不同方向延伸的單向?qū)拥亩嘞?multiaxial)層疊體經(jīng)使用于制造復(fù)合部件。這些單向?qū)咏?jīng)常通過(guò)縫合或者編織附接至彼此。專利申請(qǐng)EP 1473132依次描述了與網(wǎng)聯(lián)接的多向單向?qū)拥膶盈B體，該層疊體的單向?qū)又g的連接是通過(guò)提供連續(xù)焊接的受熱輥?zhàn)觼?lái)實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)EP 1348791描述了單向碳層的組合，其中絲束彼此平行地定向，層間的連接通過(guò)熱塑性結(jié)合細(xì)絲實(shí)現(xiàn)，所述熱塑性結(jié)合細(xì)絲彼此對(duì)齊并間隔開(kāi)。

發(fā)明內(nèi)容
在本文中，本發(fā)明的目的之一是提供一種新型的多向?qū)盈B體，其可以得到組合了良好的機(jī)械性能的最終復(fù)合部件，并在縫合或者編織織層疊體的情況下沒(méi)有觀察到的微裂紋。本發(fā)明的另一目的是提供能夠以有吸引力的成本生成的多向?qū)盈B體。本發(fā)明的再一目的是提供具有良好懸垂性和可操作性的多向?qū)盈B體。在本文中，本發(fā)明提供了一種新型的纖維材料的層疊體，包括至少兩個(gè)碳纖維的單向?qū)樱總€(gè)單向?qū)友夭煌较蜓由?，其中單向?qū)又械拿總€(gè)在其至少一個(gè)表面上附接至相鄰的熱塑性纖維網(wǎng)，并且其中在兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g存在至少一個(gè)網(wǎng)，其特征在于，每個(gè)單向?qū)雍团c之相鄰的每個(gè)網(wǎng)之間的結(jié)合是通過(guò)所述網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并具有形成不連續(xù)的整體焊接的焊點(diǎn)，并且這些焊點(diǎn)還確保所述層疊體的內(nèi)聚力。本發(fā)明還涉及用于上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體的制造工藝，其特征在于，它包括以下步驟a)生成包括至少兩個(gè)碳纖維單向?qū)拥睦w維材料的層疊體，每個(gè)碳纖維單向?qū)友夭煌较蜓由欤渲袩崴苄岳w維網(wǎng)被放置在每個(gè)單向?qū)拥闹辽僖粋€(gè)表面上，在兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g存在至少一個(gè)網(wǎng)；b)通過(guò)加熱所述網(wǎng)以在每個(gè)單向?qū)雍团c之相鄰的每個(gè)網(wǎng)之間獲得結(jié)合并且確保所述層疊體的內(nèi)聚力，以生成形成了整體的不連續(xù)焊接的焊點(diǎn)。根據(jù)用于實(shí)施該工藝的方法，單向?qū)硬⑿?in-line)生成，在它們聯(lián)結(jié)至網(wǎng)前未被給予任何自身的內(nèi)聚力。根據(jù)用于實(shí)施該工藝的另一方法，其可以與前一個(gè)方法組合，構(gòu)成所述層疊體的所有層與網(wǎng)的橫向結(jié)合同時(shí)生成在每個(gè)焊點(diǎn)處。根據(jù)用于實(shí)施該工藝的另一方法，其可以與前述方法中的任一者或者兩者組合， 焊點(diǎn)是通過(guò)熱壓縮獲得的。根據(jù)用于實(shí)施該工藝的另一方法，其可以與前述方法中的任一者和/或任意組合，焊點(diǎn)通過(guò)對(duì)層疊體的整個(gè)厚度沖孔來(lái)獲得，每個(gè)焊點(diǎn)特別圍繞沖孔形成。


參考附圖的以下描述使得可以更好地理解本發(fā)明。圖1是示例1中描述的層疊體的部分剖視圖。圖2是本發(fā)明中描述的層疊體的俯視圖，其中層疊體的平面中的焊點(diǎn)是不連續(xù)的線條。圖3是本發(fā)明中描述的層疊體的頂部的照片，其中層疊體的平面中的焊點(diǎn)是連續(xù)的線條。圖4A是本發(fā)明中描述的層疊體的俯視圖，其中層疊體的平面中的焊點(diǎn)為圓盤(pán)形式出現(xiàn)的點(diǎn)。圖4B是本發(fā)明中描述的層疊體的俯視圖，其中層疊體的平面中的焊點(diǎn)是以圓環(huán)形式出現(xiàn)的點(diǎn)。圖5是本發(fā)明中描述的層疊體的另一俯視圖，其中層疊體的平面中的焊點(diǎn)是不連續(xù)的線條。圖6A和6B各自是沖孔方法的一個(gè)示例的透視圖。
圖7是結(jié)合了用于并行打孔的方法的變型的裝置的局部視圖。圖8和9與相應(yīng)的縫合層疊體(比較示例)相比較，示出了從示例1的層疊體獲得的機(jī)械數(shù)據(jù)。
具體實(shí)施例方式作為本發(fā)明的部分，借助于網(wǎng)的熱塑性特性確保了構(gòu)成層疊體的不同的單向?qū)又g的結(jié)合。熱焊接的執(zhí)行借助于不同的網(wǎng)定位在兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g的稱為內(nèi)部網(wǎng)的插入的網(wǎng)，和定位在周邊上以形成層疊體的外表面的稱為外部網(wǎng)的一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)。作為本發(fā)明的部分，我們提供了通過(guò)借助于插入的網(wǎng)和一個(gè)或多個(gè)外部網(wǎng)的熱塑性的特性獲得的焊點(diǎn)牢固地連接在一起的多向?qū)盈B體。具體地，不同的單向?qū)?UD)與網(wǎng)之間的結(jié)合既不是通過(guò)縫合也不是通過(guò)編織來(lái)確保的，這提供了上述優(yōu)點(diǎn)。在根據(jù)本發(fā)明的層疊體內(nèi)，至關(guān)重要的是，至少一個(gè)網(wǎng)位于兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g，以確保整體的內(nèi)聚力。有利地，根據(jù)本發(fā)明的層疊體完全由碳纖維的單向?qū)雍蜔崴苄缘睦w維網(wǎng)構(gòu)成?？梢栽趦蓚€(gè)連續(xù)的單向?qū)又g設(shè)置兩個(gè)或者更多網(wǎng)。然而根據(jù)圖1所示的本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，單個(gè)的網(wǎng)1定位在層疊體I內(nèi)的連續(xù)的單向碳纖維的兩個(gè)層2之間。根據(jù)實(shí)施對(duì)應(yīng)于圖1的發(fā)明的方法，層疊體對(duì)應(yīng)于序列(網(wǎng)/UD)n，UD代表單向?qū)?，η代表整?shù)，并且位于層疊體中的所有的網(wǎng)均具有相同的克重(grammage)。根據(jù)未示出的用于實(shí)施本發(fā)明的方法，層疊體對(duì)應(yīng)于序列(網(wǎng)/UD)7網(wǎng)，UD代表單向?qū)樱谴碚麛?shù)，外部網(wǎng)具有的克重等于各內(nèi)部網(wǎng)的克重的一半。兩種構(gòu)造均使得可以疊置形成不同的層疊體，同時(shí)在每個(gè)層間(interplay)處具有相同的克重。在所有情況中，整數(shù)η是層疊體中的層數(shù)的函數(shù)，并且將在例如2-32的范圍內(nèi)。作為本發(fā)明的部分，“碳纖維的單向?qū)印币庵竿耆苫蛘邘缀跬耆杀舜似叫袖佋O(shè)的碳纖維構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明的工藝，單向碳纖維的層能夠并行生成。在該情況中，形成層所需的絲束從卷軸展開(kāi)，并定位成彼此平行地延伸，并在傳送帶上接合在一起，所述傳送帶可能承載有網(wǎng)，網(wǎng)本身可能與一個(gè)或者數(shù)個(gè)序列的網(wǎng)/單向?qū)盈B置。因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，單向碳纖維的每個(gè)層在被聯(lián)結(jié)至熱塑性的纖維網(wǎng)前自身沒(méi)有內(nèi)聚力。在該情況中， 單向?qū)又苯拥匦纬啥鴽](méi)有中間內(nèi)聚力，并沿不同方向疊置，在兩個(gè)單向?qū)又g插入必要的網(wǎng)，特別地是單個(gè)網(wǎng)?？梢允褂贸Ｒ?guī)的多向生產(chǎn)機(jī)?？梢杂米鲄⒖嫉奈墨I(xiàn)US 4484459、US 467783UUS 5Μ1842和US 6276174特別地描述了用于形成多向的這種機(jī)器。例如，在文獻(xiàn) US 4484459中，每個(gè)單向?qū)咏柚谑菇z束圍繞安裝在兩個(gè)平行的環(huán)形鏈上的銷子經(jīng)過(guò)而形成，使得在銷子之間自由地伸展的絲束的部分彼此平行。單向?qū)油ㄟ^(guò)沿不同方向引導(dǎo)相應(yīng)的絲束而形成，并且通過(guò)縫合聯(lián)結(jié)在一起。文獻(xiàn)US 4677831中描述的技術(shù)涉及平行于主單向?qū)拥牟考姆较蚩v向地移動(dòng)主單向?qū)?，并以橫向單向?qū)痈采w該主單向?qū)?，所述橫向單向?qū)拥姆较蚺c主層(0° )形成預(yù)定的角度，例如，+45°和-45°和/或+60°和-60°。橫向?qū)油ㄟ^(guò)鋪設(shè)(lay-up)工藝沉積在兩個(gè)傳送器鏈之間，并且銷子定位在主層的每個(gè)表面上。 當(dāng)然，不管用于沿不同方向沉積單向?qū)拥氖悄姆N技術(shù)，通常用于組裝層疊體的縫合或者編織方法將被作為本發(fā)明的部分的能夠生成期望的結(jié)合的焊接方法所替代。也可以將單向碳纖維的每個(gè)層指定為在聯(lián)結(jié)至熱塑性纖維網(wǎng)前具有其自身的內(nèi)聚力。在存在與單向?qū)拥睦w維相交但不交織以確保粘結(jié)的熱塑性結(jié)合纖維的情況下，或者存在形成單向織物的緯向絲束的情況下，該內(nèi)聚力可以例如通過(guò)針刺(needlepimching) 獲得?？梢岳缡褂霉I(yè)上的單向?qū)?，其?nèi)聚力和可操作性將例如通過(guò)按照機(jī)械編織結(jié)合或者按照使用結(jié)合絲束的聚合特性的化學(xué)結(jié)合的結(jié)合絲束而確保。在所有的情況(具有自身的內(nèi)聚力的層或制造線)中，單向?qū)訉?yōu)選地在牢固地連接至網(wǎng)前提供敞開(kāi)系數(shù)為0% 的全部覆蓋。這種層例如英國(guó)的Runcom Cheshire WA71TE的SIGMATEX UK有限公司銷售的參考號(hào) PW-BUD (例如產(chǎn)品號(hào)為 PC2780600200GSM/PW-BUD/T700SC 12K50C/0600mm)的產(chǎn)品，或者瑞典的0ΧΕ0ΝΑΒ公司作為T(mén)EXERO銷售的產(chǎn)品。因此，在層與熱塑性纖維網(wǎng)聯(lián)接前為了促進(jìn)(如果有必要的話)層的操作，可以規(guī)定熱塑性的結(jié)合纖維的存在，特別是聚酰胺、共聚酰胺、聚酯、共聚酯、酯/醚嵌段共聚酰胺、聚縮醛、聚烯烴、熱塑性聚氨酯、苯氧基(phenoxies)。這些結(jié)合絲束將經(jīng)常橫向于碳纖維延伸。術(shù)語(yǔ)“單向?qū)印边€包括單向織物，其中分隔開(kāi)的緯絲與彼此平行延伸的碳纖維交織地相交，并且構(gòu)成單向織物的經(jīng)絲。即使在存在有這種結(jié)合、縫合或緯絲的這些不同的情況中，彼此平行的碳纖維占層的重量的至少95%，因此其被描述為“單向”。然而，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，單向?qū)硬话c碳纖維交織的緯向纖維，以避免任何起皺。具體說(shuō)，根據(jù)本發(fā)明所使用的單向?qū)蛹炔皇蔷幙椀模膊皇强p合的，也不是編織的。在每個(gè)單向?qū)又校?碳絲束優(yōu)選地不通過(guò)聚合聯(lián)結(jié)劑相聯(lián)接，因此被稱為干燥的，也就是說(shuō)，在它們與熱塑性網(wǎng)聯(lián)接前，它們既沒(méi)有被浸漬，也沒(méi)有被涂覆，也沒(méi)有與任何聯(lián)結(jié)聚合物相聯(lián)接。然而，碳纖維經(jīng)常表征為可以最多為它們的重量的2%的標(biāo)準(zhǔn)大小的重量比。專利EP 0972102中所描述的制造單向?qū)拥墓に囈部梢员粚?shí)施。該專利描述了一種用于生成多向纖維層的工藝，包括由以下組成的步驟沿不同方向?qū)?shù)個(gè)單向?qū)盈B置，并使疊置的層彼此聯(lián)結(jié)，其中，為了生成單向?qū)又械闹辽僖粋€(gè)單向?qū)?，將至少一根絲束進(jìn)行擴(kuò)展以獲得具有實(shí)質(zhì)上厚度一致的層，并且寬度至少為5cm，而表面密度不超過(guò)300g/m2，并且單向?qū)釉O(shè)置有允許它在與至少一個(gè)其它的單向?qū)盈B置前進(jìn)行操作的內(nèi)聚力。在一個(gè)具體的制造模式中，碳纖維的每個(gè)單向?qū)泳哂?00j80g/m2的表面密度。該克重范圍使得設(shè)計(jì)工程師通過(guò)改變作為不同機(jī)械應(yīng)力模式的復(fù)合結(jié)構(gòu)的函數(shù)的不同層的層疊順序，可以容易準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的尺寸。較低碳克重的基本層將在選擇不同的可能恒定厚度的層疊體時(shí)提供更強(qiáng)的通用性。在每個(gè)單向?qū)又?，碳纖維經(jīng)常呈現(xiàn)為至少1000根細(xì)絲束的形式，特別地為 3000-50, 000根細(xì)絲，例如:3K、6K、1I或ΜΚ。碳纖維具有60-3800特克斯之間的計(jì)數(shù)，優(yōu)選為400-900特克斯之間。碳單向?qū)拥暮穸仍?0-270 μ m之間變化?！熬W(wǎng)，，表示連續(xù)的或短纖維的非編織材料。具體說(shuō)，構(gòu)成非編織材料的纖維將具有 0. 5到70 μ m范圍內(nèi)的平均直徑。例如，在短纖維非編織材料的情況中，纖維將具有I-IOOmm 的長(zhǎng)度。根據(jù)本發(fā)明，構(gòu)成網(wǎng)的纖維有利地由熱塑性材料構(gòu)成，特別選自以下材料聚酰胺 (PA :PA6, PA12，PAl 1，PA6，6，PA 6，10，PA 6，12，...)，共聚酰胺(CoPA)，聚酰胺嵌段醚或酯(ΡΕΒΑΧ，ΡΕΒΑ)，聚酞酰胺(PPA)，聚酯(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-ΡΕΤ-，聚對(duì)苯二甲酸丁二酯-ΡΒΤ-. · ·)，共聚酯(CoPE)，熱塑性聚氨酯(TPU)，聚縮醛(POM. · ·)，聚烯烴(PP，HDPE， LDPE, LLDPE. ···),聚醚砜(PES)，聚砜(PSU. · ·)，聚亞苯基砜(PPSU. · ·)，聚醚醚酮(PEEK)， 聚醚酮酮(PEKK)，聚苯硫醚(PPS)，或者聚醚酰亞胺(PEI)，熱塑性聚酰亞胺，液晶聚合物(LCP)，聚酚氧，例如苯乙烯-丁二烯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(SBM)、甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MAM)等嵌段共聚物或者由這些熱塑性材料構(gòu)成的纖維的混合物。網(wǎng)與單向?qū)勇?lián)接前的厚度非常接近它們?cè)诠探Y(jié)的層疊體內(nèi)的厚度。不同網(wǎng)在聯(lián)接前的厚度可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)NF EN ISO 9073-2來(lái)確定，該標(biāo)準(zhǔn)使用的方法A具有^27mm2 (60mm 直徑的圓盤(pán))的測(cè)試面積和的施加壓力。在層疊體內(nèi)，例如，每個(gè)網(wǎng)具有0.5-50微米的厚度，優(yōu)選為3-35微米。當(dāng)層疊體通過(guò)真空注入技術(shù)用于形成尤其具有較厚厚度的復(fù)合部件時(shí)，該厚度對(duì)高體積纖維比貢獻(xiàn)特別大。此外，作為一個(gè)示例，每個(gè)網(wǎng)具有0. 2-20g/ m2范圍內(nèi)的表面密度。為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，有利的是，存在于層疊體中的所有網(wǎng)均是完全相同的，但在(網(wǎng)/UD) 1V網(wǎng)層疊體的情況中兩個(gè)外部網(wǎng)除外，其克重將等于每個(gè)內(nèi)部網(wǎng)的克重的一半。在層疊體中，現(xiàn)有單向?qū)又械闹辽賰蓚€(gè)單向?qū)訉⒍ㄎ怀裳貎蓚€(gè)不同的方向定向。 因此層疊體可以被稱為多向的。所有的單向?qū)涌梢跃哂型瓴煌姆较?，或者僅其中的一些可以具有不同的方向，而其它的可以具有完全相同的方向。在數(shù)個(gè)層具有完全相同的方向的情況中，它們將不是兩個(gè)連續(xù)的層。否則，單向?qū)訉?yōu)選具有完全相同的特征。經(jīng)常優(yōu)選的定向?yàn)榕c生成的部件的主軸成0°、+45°或-45° (對(duì)應(yīng)地等同于+135° )和+90°角的方向。0°方位對(duì)應(yīng)于制造層疊體的機(jī)器的軸線，即，對(duì)應(yīng)于層疊體在其制造期間的行進(jìn)方向的軸線。部件的主軸線，其通常是部件的最大軸線，通常與0°重合。例如，可以生成準(zhǔn)各向同性的、對(duì)稱的或者通過(guò)選擇各層的取向而定向的層疊體。準(zhǔn)各向同性層疊的示例包括的層疊角度為45° /0° /135° /90°或者90° /135° /0° /45°。對(duì)稱層疊的示例包括的層疊角度為0° /90° /0°或者45° /135° /45°。具體說(shuō)，可以考慮組裝2_32個(gè)層片，特別是16-M個(gè)層片。當(dāng)前最常使用的層片的數(shù)量為8、16、24、32層片，其可以例如是上述4層準(zhǔn)各向同性層疊體的倍數(shù)。根據(jù)本發(fā)明，層疊體，即網(wǎng)和UD的組，既不是通過(guò)縫合也不是通過(guò)編織牢固地連接在一起的，而是通過(guò)存在于層疊體中的網(wǎng)的熱塑性特性生成的焊接部牢固地連接在一起的。為此，加熱/冷卻操作只在層疊體的表面上的某些區(qū)域上進(jìn)行。該加熱可以通過(guò)常規(guī)的電阻加熱或者通過(guò)超聲波方法實(shí)現(xiàn)。加熱導(dǎo)致不同的網(wǎng)熔化或者至少軟化。使用網(wǎng)的熱塑性特性的這種結(jié)合是有利的，因?yàn)樗苊饬擞煽p合或者編織絲束的存在表現(xiàn)帶來(lái)的所有缺點(diǎn)，特別是以下問(wèn)題，例如起皺、微裂紋、隨后得到復(fù)合部件的機(jī)械性能的降低等。所實(shí)施的結(jié)合對(duì)應(yīng)于不連續(xù)的焊接，這與通過(guò)在層疊體的整個(gè)表面上進(jìn)行熱壓縮所獲得的連續(xù)的焊接相反。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于每個(gè)單向?qū)樱泻更c(diǎn)的表面為單向?qū)拥谋砻娴睦?. 1-40%, 優(yōu)選為0. 5-15%。不連續(xù)的焊接就能量而言是有利的，同樣在制造隨后的復(fù)合部件時(shí)對(duì)于層疊體的懸垂性也是有利的。引起整體不連續(xù)的焊點(diǎn)處于適當(dāng)?shù)奈恢?。術(shù)語(yǔ)“點(diǎn)”用作描述的一部分來(lái)代表屬于一組焊接部的單個(gè)焊接部，因此包括不同形式的焊接部。在層疊體的平面中，即平行于各不同的網(wǎng)和單向?qū)拥钠矫?，焊點(diǎn)可以特別呈現(xiàn)為如圖2所示的不連續(xù)的線條10的形式，或者如圖3所示的連續(xù)的線條，S卩，在單向?qū)拥娜繉挾壬涎由鞛楦鞣N形狀的點(diǎn)，特別是如圖4A所示的標(biāo)記為20的圓形，或者如圖4B所示的標(biāo)記為30的棱形、 環(huán)形等。這些焊點(diǎn)分布在層疊體的表面上以確保其內(nèi)聚力，并使得貫穿層疊體的整個(gè)厚度可以確保單向?qū)优c網(wǎng)之間的結(jié)合。這種結(jié)合特別地可以是橫向的?？梢允褂眠m配的熱或者超聲波加熱方法，特別是在結(jié)合線條的情況中可以使用一個(gè)或數(shù)個(gè)加熱棒的形式，或者在點(diǎn)結(jié)合的情況中可以使用加熱沖孔的形式，其在與層疊體的接觸點(diǎn)處的幾何結(jié)構(gòu)將被適配成期望形狀的點(diǎn)結(jié)合。這種加熱方法可以產(chǎn)生190-220°C的溫度，并以10-50kPa的壓力壓在層疊體上，持續(xù)例如0. 1- ，優(yōu)選地為0. 5-ls。當(dāng)然，這些值僅是示例性的，并且其特別取決于層片的數(shù)量和網(wǎng)的熱塑性成分。例如，焊點(diǎn)可以有規(guī)則地生成，并且優(yōu)選定位在沿一個(gè)或者兩個(gè)方向延伸的直線上，特別是隔著4-50mm的間隔，并且兩條平行線之間的距離在 IO-IOOmm的范圍內(nèi)。從一條平行線到另一平行線的焊接部將如圖4A所示地對(duì)齊，或者偏移，特別是如圖4B所示地偏移半個(gè)步長(zhǎng)，圖4B示出了焊接部為環(huán)形的情況。這種焊點(diǎn)例如可以具有較大的尺寸，平行于層疊體的表面測(cè)量時(shí)在2-100mm的范圍內(nèi)。在單向?qū)优c網(wǎng)聯(lián)接前具有自身的內(nèi)聚力的情況中將優(yōu)選地實(shí)施焊點(diǎn)。如果單向?qū)釉谂c網(wǎng)聯(lián)接前發(fā)生粘結(jié)， 則對(duì)于每個(gè)單向?qū)樱泻更c(diǎn)的表面為單向?qū)拥谋砻娴睦?. 1-30%，優(yōu)選為0. 5-5%。如果層在與網(wǎng)聯(lián)接前沒(méi)有自身的內(nèi)聚力，則對(duì)于每個(gè)單向?qū)?，焊點(diǎn)部分為單向?qū)拥目偯娣e的1_40%，優(yōu)選為5-15%。在該情況中，優(yōu)選地使用線條形式的焊點(diǎn)，因?yàn)樗鼈儗⒏菀椎卮_保單向?qū)拥乃薪z束的結(jié)合，并提供了層疊體的內(nèi)聚力和可操作性。在一個(gè)實(shí)施例中，焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)于彼此平行的連續(xù)焊接線條。連續(xù)的焊接線條例如可以彼此分隔開(kāi) 10-50mm。在另一實(shí)施例中，焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不連續(xù)的焊接線條。不連續(xù)的焊接線條例如可以具有IO-IOOmm的長(zhǎng)度。不連續(xù)的焊接線條可以沿著平行線分布，一條線與另一條線相對(duì)于彼此偏移，如圖2所示。也可以生成如圖5所示的沿不同方向延伸的線條狀的不連續(xù)的焊接部40、50，其中沖孔之間的距離僅是示例性的，可以具有不同的變型，提及后者是因?yàn)槭纠?2中使用了它們。在該情況中，單行內(nèi)的偏移的存在并非總是必要的。在沿相同方向延伸的不連續(xù)的焊接線條的相同行內(nèi)，不連續(xù)的焊接線條例如可以彼此分隔開(kāi)5-50mm。不管焊接線條的類型如何，連續(xù)或者不連續(xù)，它們例如可以具有20-200mm的寬度。以上所指出的所有尺寸當(dāng)然涉及的是層疊體的平面，即每個(gè)單向?qū)拥钠矫?。如前所述，為了在所有的纖維的自身沒(méi)有在先的內(nèi)聚力時(shí)確保單向?qū)拥乃械睦w維的結(jié)合，焊接部可以在中間材料的整個(gè)寬度上沿連續(xù)的線條延伸，如圖3所示。于是將選擇線條的方向以沿不平行于單向?qū)拥娜我蝗∠虻姆较蜓由臁Ｒ部梢詫?shí)施為如圖2和5所示的不連續(xù)的線條，其每個(gè)均是根據(jù)本發(fā)明的層疊體I的俯視圖，在其上生成有不連續(xù)的焊接線條，在圖2中標(biāo)記為10并且在圖5中標(biāo)記為40、50，使得存在于層疊體中的每個(gè)單向?qū)拥拿總€(gè)絲束有規(guī)則地遭遇焊接部，例如每隔IOOmm至少一個(gè)焊接部，優(yōu)選地每隔IOmm至少一個(gè)焊接部?？梢酝ㄟ^(guò)分開(kāi)的加熱條或者諸如帶凹槽的條的焊接方法來(lái)生成焊接部40、50， 使得可以在一個(gè)焊接操作中生成兩個(gè)焊接線條40、50或者更多。這里再次提及，優(yōu)選地，當(dāng)存在數(shù)行不連續(xù)的焊接線條時(shí)，不連續(xù)的焊接線條的取向不平行于單向?qū)拥睦w維的所有取向，或者僅是不平行于一些取向。當(dāng)然，當(dāng)單向?qū)幼陨砭哂性谙鹊膬?nèi)聚力時(shí)，這些使用連續(xù)或者不連續(xù)線條的不同焊接方法也都以使用，在這種情況中，焊接線條的取向較不重要，并且它們可以分開(kāi)更遠(yuǎn)。可以通過(guò)逐個(gè)地增加每個(gè)層片并在每次增加層片后確保結(jié)合的方法生成層疊體。 然而，優(yōu)選的是結(jié)合在單個(gè)步驟中升成，這會(huì)帶來(lái)明顯的工業(yè)效益。為此，盡管上述加熱方法是完全適用的，但是也可以使用以下的加熱方法其將穿透到層疊體內(nèi)，并完全地穿透通過(guò)層疊體，以在穿透區(qū)域中在所有的網(wǎng)上產(chǎn)生直接加熱，特別是對(duì)位于層疊體中心的網(wǎng)。在該情況下，伴隨各層片的彼此結(jié)合，在層疊體中產(chǎn)生了沖孔以生成用于樹(shù)脂的擴(kuò)散通道，該通道延伸至層疊體的厚度中，并經(jīng)常橫向于層疊體的層片是。當(dāng)然可以進(jìn)行如上所述的層疊體的第一結(jié)合，并然后產(chǎn)生沖孔以增強(qiáng)所制造的層疊體的滲透性，但是由于成本這一明顯原因，優(yōu)選的是同時(shí)生成期望的焊接部和沖孔。在所有的情況中，實(shí)現(xiàn)0. 05-3%的敞開(kāi)系數(shù)是值得的，敞開(kāi)系數(shù)優(yōu)選為0. 1-0. 6%，通過(guò)穿過(guò)層疊體的厚度的沖孔而得到。這種敞開(kāi)系數(shù)使得可以獲得與通過(guò)常規(guī)的多向縫合獲得的滲透性相當(dāng)或者更優(yōu)的有益的滲透性。存在于層疊體上的沖孔例如較大，平行于層片的表面測(cè)得的范圍為l-10mm。根據(jù)這種實(shí)施例變型，由此可以獲得用于層疊體的橫向滲透性，對(duì)于57-63%的VFR特別是60%的VFlU^iJ 是ΙΟ—1、2到10_14m2，優(yōu)選為ΙΟ—、2到10_13m2。沖孔可以通過(guò)任意合適的打孔裝置生成，一般地例如針、銷子或其它。圍繞打孔裝置施加熱量，以獲得期望的層片之間的結(jié)合，這還可以硬化沖孔。這樣產(chǎn)生了沖孔裝置周圍的網(wǎng)的熔化，在冷卻后，形成了圍繞沖孔的一種孔眼。 當(dāng)打孔裝置被移除后，立即冷卻，由此使所得到的沖孔可以硬化。優(yōu)選地，加熱裝置直接集成在打孔裝置中，以使沖孔裝置本身被加熱。有利的是打孔裝置100具有如圖6A所示的肩部110，沖孔期間層疊體抵靠在所述肩部上，從而使得層片在結(jié)合期間靠著彼此壓緊。壓在組件上的同時(shí)該肩部本身被加熱并加熱網(wǎng)以在圍繞沖孔的較大區(qū)域上焊接。在該情況下， 焊點(diǎn)可以類似于環(huán)30，如圖4B所示，其圍繞每個(gè)沖孔31。與層疊體接觸的肩部110的表面實(shí)際上對(duì)應(yīng)于所得的焊接部。圖5B示出了另一加熱/沖孔裝置200，其用于焊接部為不連續(xù)的線條的形式的情況中。在所示示例中，生成不連續(xù)的焊接線條的條加熱器200配備有兩個(gè)針210，以使得在每個(gè)不連續(xù)的線條上形成兩個(gè)孔。打孔期間施加的壓力類似于用于單獨(dú)加熱的所描述的壓力，并且例如可以位20-40kPa的范圍內(nèi)，并且特別地施加持續(xù)1. l-2s 的持續(xù)時(shí)間，特別地持續(xù)0. 5-ls。選擇該壓力以在層疊體的所有點(diǎn)處維持基本恒定的厚度。對(duì)于圖5A所示打孔裝置100，如圖6所示，可以通過(guò)沿沖孔線和間隔臺(tái)階對(duì)齊的沖孔裝置手動(dòng)地或者優(yōu)選自動(dòng)地進(jìn)行打孔。對(duì)于復(fù)合部件的制造，熱固性樹(shù)脂或者基體將隨后被添加至層疊體，例如通過(guò)注入包含它的模具中(“RTM”工藝，英語(yǔ)為“Resin Transfer Molding”)，或者通過(guò)導(dǎo)入(穿過(guò)層片的厚度:“LRI”工藝，英語(yǔ)為“Liquid Resin Infusion”，或者“RFI ”工藝，英語(yǔ)為 "Resin Film hfusion”)。所使用的基體經(jīng)常是熱固性的。注入的樹(shù)脂例如選自以下熱固性聚合物環(huán)氧樹(shù)脂、不飽和聚酯、乙烯基酯、酚醛塑料、聚酰亞胺、雙馬來(lái)酰亞胺。復(fù)合部件然后在熱處理后獲得。具體說(shuō)，復(fù)合部件通常通過(guò)實(shí)行由所述聚合物的供應(yīng)商推薦的以及本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的熱處理，經(jīng)由所使用聚合物的常規(guī)硬化循環(huán)獲得。期望部件的該硬化階段通過(guò)根據(jù)限定的溫度和壓力循環(huán)的聚合/成網(wǎng)以及隨后的冷卻來(lái)獲得。在真空下導(dǎo)入的情況中，處理循環(huán)期間所施加的壓力較低，而在向RTM模具中進(jìn)行注入的情況中壓力較高。根據(jù)本發(fā)明的有利特征，獲得的復(fù)合部件具有的纖維體積比為 57-63%，優(yōu)選為59-61%，即使在它們具有富裕的厚度時(shí)，特別是大于IOmm時(shí)，和/或當(dāng)在低于大氣壓的壓力下，特別是小于1巴，優(yōu)選在0. 1到1巴之間，通過(guò)注入的方法制造時(shí)。這些體積纖維比適于用于主要部件的結(jié)構(gòu)，即，航空中承受機(jī)械應(yīng)力(機(jī)身、機(jī)翼...)的關(guān)鍵部件。復(fù)合部件的體積纖維比(VFR)根據(jù)測(cè)得的復(fù)合部件的厚度、已知的單向碳層的表面密度和碳纖維的性能計(jì)算，使用以下方程式
權(quán)利要求
1.纖維材料的層疊體，包括至少兩個(gè)碳纖維的單向?qū)?，每個(gè)單向?qū)友夭煌姆较蜓由欤?其中單向?qū)又械拿總€(gè)在該單向?qū)拥闹辽僖粋€(gè)表面上聯(lián)結(jié)至相鄰的熱塑性纖維的網(wǎng)，至少一個(gè)網(wǎng)存在于兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g，其特征在于，每個(gè)單向?qū)雍团c該單向?qū)酉噜彽拿總€(gè)網(wǎng)之間的結(jié)合借助于所述網(wǎng)確保，并且具有生成了不連續(xù)的整體焊接的焊點(diǎn)，并且這些焊點(diǎn)還確保了所述層疊體的內(nèi)聚力。
2.如權(quán)利要求1所述的層疊體，其特征在于，單個(gè)的網(wǎng)位于兩個(gè)連續(xù)的碳纖維單向?qū)又g。
3.如權(quán)利要求1或2所述的層疊體，其特征在于，所述層疊體是序列(網(wǎng)/UD)n，UD代表單向?qū)樱谴碚麛?shù)，并且所述層疊體中的所有網(wǎng)具有完全相同的克重。
4.如權(quán)利要求1或2所述的層疊體，其特征在于，所述層疊體是序列(網(wǎng)/UD)7網(wǎng)，UD 代表單向?qū)?，η代表整?shù)，并且外部網(wǎng)的克重等于每個(gè)內(nèi)部網(wǎng)的克重的一半。
5.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，不同的單向?qū)优c網(wǎng)之間的結(jié)合不是通過(guò)縫合或者編織來(lái)確保的。
6.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)于彼此平行的連續(xù)的焊接線條。
7.如權(quán)利要求6所述的層疊體，其特征在于，焊接線條具有與任一個(gè)單向?qū)硬黄叫械牟煌姆较颉?br> 8.如權(quán)利要求1-5中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，焊點(diǎn)對(duì)應(yīng)于不連續(xù)的焊接線條
9.如權(quán)利要求8所述的層疊體，其特征在于，不連續(xù)的線條相對(duì)于彼此偏移，使得每根絲束規(guī)則地遇到焊接部，例如，每50mm至少一個(gè)焊接部。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，每個(gè)碳纖維單向?qū)釉诼?lián)結(jié)至熱塑性纖維網(wǎng)前自身沒(méi)有內(nèi)聚力。
11.如權(quán)利要求1-9中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，每個(gè)碳纖維單向?qū)釉诼?lián)結(jié)至熱塑性纖維網(wǎng)前自身具有內(nèi)聚力，在存在有與單向?qū)拥睦w維相交但不交織的熱塑性結(jié)合纖維并通過(guò)粘結(jié)確保結(jié)合，或者存在形成單向織物的緯向絲束的情況下，該內(nèi)聚力通過(guò)針刺獲得。
12.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，每個(gè)碳纖維單向?qū)泳哂?100-280g/m2的表面密度。
13.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，它具有的敞開(kāi)系數(shù)位0%。
14.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，它具有的敞開(kāi)系數(shù)在 0. 05-3%范圍內(nèi)，優(yōu)選地為0. 1-0. 6%，通過(guò)在層疊體的厚度中形成的沖孔而獲得。
15.如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)或者權(quán)利要求14所述的層疊體，其特征在于，對(duì)于60% 的體積纖維比，它具有的滲透性為10_"到10_14m2，優(yōu)選地為10_12到10_13m2。
16.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，所述網(wǎng)的熱塑性纖維選自 聚酰胺(PA :PA6, PA12，PAl 1, PA6，6，PA 6，10，PA 6，12，…)、共聚酰胺(CoPA)、嵌段醚或酯聚酰胺(ΡΕΒΑΧ，ΡΕΒΑ)、聚酞酰胺(PPA)、聚酯(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯-ΡΕΤ-，聚對(duì)苯二甲酸丁二酯-ΡΒΤ-...)、共聚酯(CoPE)、熱塑性聚氨酯(TPU)、聚縮醛(POM...)、聚烯烴 (PP，HDPE, LDPE, LLDPE....)、聚醚砜(PES)、聚砜(PSU. · ·)、聚苯砜(PPSU. · ·)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚苯硫醚(PPS)、或者聚醚酰亞胺(PEI)、熱塑性聚酰亞胺、液晶聚合物(LCP)、聚酚氧、諸如苯乙烯-丁二烯甲基丙烯酸甲酯(SBM)共聚物、甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯(MAM)共聚物等嵌段共聚物或者這些熱塑性材料纖維的混合物。
17.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，每個(gè)網(wǎng)具有的表面密度在 0. 2-20g/m2的范圍內(nèi)。
18.如上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體，其特征在于，所述網(wǎng)中的每一個(gè)網(wǎng)具有的厚度為0. 5-50微米，優(yōu)選地為3-35微米。
19.上述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的層疊體的制造方法，其特征在于，它包括以下步驟a)生成包括至少兩個(gè)碳纖維單向?qū)拥睦w維材料的層疊體，每個(gè)碳纖維單向?qū)友夭煌姆较蜓由欤渲袩崴苄岳w維的網(wǎng)被放置在每個(gè)單向?qū)拥闹辽僖粋€(gè)表面上，至少一個(gè)網(wǎng)存在于兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g；b)通過(guò)加熱所述網(wǎng)以在每個(gè)單向?qū)雍团c該單向?qū)酉噜彽拿總€(gè)網(wǎng)之間實(shí)現(xiàn)結(jié)合并且確保所述層疊體的內(nèi)聚力，以生成形成整體不連續(xù)焊接的焊點(diǎn)。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其特征在于，單向片并行獲得，在聯(lián)結(jié)至網(wǎng)之前沒(méi)有給予任何的自身的內(nèi)聚力。
21.如權(quán)利要求19或20所述的方法，其特征在于，構(gòu)成所述層疊體的所有層與網(wǎng)之間的每個(gè)焊點(diǎn)處，同時(shí)生成了橫向結(jié)合。
22.如權(quán)利要求19-21中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述焊點(diǎn)通過(guò)熱壓縮形成。
23.如權(quán)利要求19-22中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述焊點(diǎn)通過(guò)穿過(guò)所述層疊體的厚度進(jìn)行打孔而形成，并且每個(gè)焊點(diǎn)圍繞沖孔形成。
全文摘要
本發(fā)明涉及包括至少兩個(gè)碳纖維單向?qū)拥睦w維材料的層疊體及其制造方法，每個(gè)單向?qū)友夭煌姆较蜓由?，其中單向?qū)又械拿恳粋€(gè)通過(guò)其表面中的至少一個(gè)連接至相鄰的熱塑性纖維的網(wǎng)，至少一個(gè)網(wǎng)插入兩個(gè)連續(xù)的單向?qū)又g，其特征在于，每個(gè)單向?qū)优c每個(gè)相鄰的網(wǎng)之間的連結(jié)通過(guò)網(wǎng)、生成間斷的整體焊接的焊點(diǎn)提供，并且所述焊點(diǎn)還保證層疊體的內(nèi)聚力。
文檔編號(hào)D04H13/00GK102575401SQ201080047746
公開(kāi)日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2010年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月23日
發(fā)明者J-B.希爾, J-M.貝勞德 申請(qǐng)人:赫克賽爾加固材料公司