抗拉強(qiáng)度提高的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開總體涉及固化的復(fù)合材料，并且更特別地涉及利用夾層連同加強(qiáng)層來獲得 抗拉強(qiáng)度增加的固化的復(fù)合材料的薄毯穩(wěn)定型織物（veil-stabilized fabrics)。
【背景技術(shù)】
[0002] 由單向增強(qiáng)纖維的交替層構(gòu)建的高性能復(fù)合材料擁有強(qiáng)度高、重量輕的組合優(yōu) 勢(shì)。因此復(fù)合材料用于航空航天和其它行業(yè)中，在這些行業(yè)中這樣的性能要求是很關(guān)鍵的。 一般而言，通過將若干交替層與具有以不同角度延伸的單向纖維的相鄰層鋪放來制備復(fù)合 材料。若干層這樣的單向織物的累積的凈效應(yīng)在于提供擁有出眾強(qiáng)度（或者是準(zhǔn)各向同性 的，或者在一個(gè)或多個(gè)特定方向上）的復(fù)合材料。這樣的復(fù)合材料可作為預(yù)浸料或預(yù)制件 生產(chǎn)。
[0003] 在預(yù)浸料的途徑中，各層單向織物被浸泡或浸漬基質(zhì)材料，諸如樹脂。各層可被鋪 放成將要由復(fù)合材料生產(chǎn)的最終復(fù)合材料部件的形狀。此后，可加熱被鋪放的復(fù)合材料，以 使基質(zhì)材料固化并提供成品復(fù)合材料部件。
[0004] 在預(yù)制件的途徑中，各層單向增強(qiáng)纖維或者機(jī)織、編織、經(jīng)編或其它類型的織物類 似于將之鋪放在預(yù)浸料的途徑中的方式進(jìn)行鋪放。然而，在預(yù)制件的途徑中，各層在干燥 的情況下被鋪放（即，沒有基質(zhì)材料）。此后，在液體模制工藝中向被鋪放的復(fù)合材料注入 基質(zhì)材料，并且可加熱被模制的復(fù)合材料部件以使基質(zhì)材料固化（如在預(yù)浸料的途徑中那 樣）。
[0005] 增強(qiáng)纖維的交替層或薄層提供了由預(yù)浸料或預(yù)制件制成的復(fù)合材料部件，該復(fù)合 材料部件尤其在與具體的纖維方向?qū)?zhǔn)的方向上具有很大的強(qiáng)度。從而，可生產(chǎn)非常強(qiáng)的 輕質(zhì)部分，例如，作為飛行器的機(jī)翼和機(jī)身。夾層的使用還可用來改進(jìn)復(fù)合材料的斷裂韌性 和/或抗沖擊性。
[0006] 雖然增強(qiáng)纖維的交替薄層或者夾層的使用可提供強(qiáng)度和抗沖擊性，但復(fù)合材料的 抗拉強(qiáng)度主要由增強(qiáng)纖維的性能及其與固化的基質(zhì)材料的相互作用決定。由此，為了增加 復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度，必須使用更高強(qiáng)度的增強(qiáng)纖維，這可能增加成本；或者必須使用專用 樹脂，這可能影響復(fù)合材料的其它物理特性。
[0007] 已發(fā)現(xiàn)，具有提高的（即增加的）扭曲變形和/或降低的（即較少的）擴(kuò)張負(fù)荷 的復(fù)合材料聚合物基質(zhì)（如表達(dá)為馮?米塞斯應(yīng)變關(guān)系）將增加馮·米塞斯應(yīng)變并提供增 強(qiáng)的復(fù)合材料機(jī)械性能。
[0008] 物的變形可以分為兩類：擴(kuò)張（即，體積膨脹）和扭曲。其機(jī)理對(duì)應(yīng)于在均勻的應(yīng) 力狀態(tài)下發(fā)生在此物中的彈性和塑性過程。施加到物理系統(tǒng)并導(dǎo)致體積變化的力被稱為彈 性，并且已經(jīng)使用虎克定律進(jìn)行了充分描述。如圖1所示的體積膨脹是分子間內(nèi)聚的局部 損失和密度減少的結(jié)果。只要位移較小，線性恢復(fù)力或內(nèi)聚強(qiáng)度就將扭轉(zhuǎn)所施加的力的釋 放的影響。隨著聚合物被冷卻，這里討論的內(nèi)聚力還造成隨著溫度的熱收縮，并且直接后果 是降低分子振動(dòng)的振幅?？梢允褂脛?shì)函數(shù)來描述內(nèi)聚力，勢(shì)函數(shù)將分子間引力能量和分隔 距離與范德華力和最近的相鄰斥力關(guān)聯(lián)。
[0009] 在宏觀層面，彈性變形的各向同性體將遵從以下關(guān)系而膨脹：ε v= h+J2+J3，其中 Jl= ε 1+ ε 2+ ε 3, J2= ε 1 ε 2+ ε 2 ε 3+ ε 3 ε 1，J3= ε 1 ε 2 ε 3,并且 ε 1、ε 2和 ε 3是主應(yīng)變。 體積變化可以近似為應(yīng)變J1的第一恒量，這代表了超過98 %的體積變化。
[0010]臨界體積膨脹能力在數(shù)值上等于聚合物從其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度起開始冷卻所經(jīng)歷 的收縮的量。與熱能的減少和均衡分子間距離的降低直接相關(guān)的熱收縮代表了機(jī)械或熱負(fù) 荷下的最大彈性膨脹潛力。
[0011] 合理的是，隨著聚合物鏈的具體體積或區(qū)段響應(yīng)于應(yīng)變偏壓的突然切變或協(xié)同運(yùn) 動(dòng)來觀察材料的扭曲或偏響應(yīng)與所施加的力。圖2例示的扭曲的立方體是扭曲的簡(jiǎn)單描 述。
[0012] 復(fù)合材料之中的聚合物可以并經(jīng)常承受力的施加，這嚴(yán)重限制了聚合物的流動(dòng)能 力。由纖維取向（與主應(yīng)變方向大于約30° )強(qiáng)加的約束將產(chǎn)生擴(kuò)張的臨界變形。與全局 應(yīng)變的方向的角度差小于約25°的薄層取向?qū)臄U(kuò)張臨界行為過渡到扭曲臨界行為。
[0013] 對(duì)組成材料變形行為的更多理解已經(jīng)啟用了可以利用復(fù)合材料的獨(dú)特性能特點(diǎn) 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。分析和測(cè)試驗(yàn)證已經(jīng)表明，利于基質(zhì)扭曲而非擴(kuò)張的機(jī)械負(fù)荷考慮了復(fù)合材 料-結(jié)構(gòu)-具體性能能力。然而，特別的組成材料的最終強(qiáng)度可以限制最高性能的實(shí)現(xiàn)。例 如，測(cè)試表明，纖維性能受到所用熱固性樹脂的低的基質(zhì)臨界扭曲能力的限制。
[0014] 從而，本領(lǐng)域技術(shù)人員在復(fù)合材料領(lǐng)域中繼續(xù)研宄和開發(fā)努力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015] 在一個(gè)實(shí)施方式中，所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料可包括：至少一個(gè)加強(qiáng)層；多 個(gè)夾層，所述多個(gè)夾層交替地布置在所述加強(qiáng)層之間并被結(jié)合至所述加強(qiáng)層，各所述夾層 均由具有第一扭曲變形能力的夾層材料形成；以及基質(zhì)材料，所述基質(zhì)材料被注入所述加 強(qiáng)層和所述夾層中，所述基質(zhì)材料具有第二扭曲變形能力，其中所述第一扭曲變形能力大 于所述第二扭曲變形能力，以增加所述復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度。
[0016] 在另一實(shí)施方式中，所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料可包括：加強(qiáng)層，所述加強(qiáng)層包 括多根單向增強(qiáng)纖維；以及一對(duì)夾層，這一對(duì)夾層布置在所述加強(qiáng)層上，各所述夾層均包括 多根聚合纖維，其中所述聚合纖維具有較高的扭曲變形能力，并且其中所述加強(qiáng)層和所述 夾層被結(jié)合到一起，以形成薄氈穩(wěn)定型織物。
[0017] 在又一實(shí)施方式中，公開了一種用于形成薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的方法，所述方法 可包括以下步驟：（1)提供包括纖維增強(qiáng)材料的至少一個(gè)加強(qiáng)層，（2)將至少一個(gè)夾層定位 在所述加強(qiáng)層上，所述夾層包括具有第一扭曲變形能力的非織造聚合纖維，（3)將所述加強(qiáng) 層和所述夾層結(jié)合到一起以形成薄氈穩(wěn)定型織物，以及（4)為所述薄氈穩(wěn)定型織物注入基 質(zhì)材料，所述基質(zhì)材料具有第二扭曲變形能力，并且（5)處理該材料以使所述基質(zhì)材料固 化，從而形成固體復(fù)合材料。
[0018] 根據(jù)以下具體說明、附圖和隨附權(quán)利要求書，所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的其 它方面將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0019] 圖1描繪了示出在施加力時(shí)的立方體的體積膨脹的立方體的立體圖；
[0020] 圖2描繪了在將偏壓應(yīng)變施加到立方體時(shí)的圖1的立方體的立體圖；
[0021] 圖3是所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的實(shí)施方式的立體圖；
[0022] 圖4是所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的薄氈穩(wěn)定型織物的實(shí)施方式的側(cè)視圖；
[0023] 圖5是所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的一部分的詳細(xì)的橫截面視圖；
[0024] 圖6是所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的薄氈穩(wěn)定型織物的另一實(shí)施方式的側(cè)視 圖；
[0025] 圖7是所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的薄氈穩(wěn)定型織物的另一實(shí)施方式的橫截 面視圖；
[0026] 圖8是用于形成圖4的所公開的薄氈穩(wěn)定型織物的所公開系統(tǒng)的實(shí)施方式的示意 圖；
[0027] 圖9 -圖12是示意性地例示所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的夾層的示例雙組分 纖維的截面圖；
[0028] 圖13是例示用于形成薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料的所公開方法的實(shí)施方式的流程圖； 以及
[0029] 圖14是薄氈幾何結(jié)構(gòu)的總體形態(tài)的詳細(xì)的示意俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 以下詳細(xì)說明參照附圖，附圖例示了本公開的【具體實(shí)施方式】。具有不同結(jié)構(gòu)和操 作的其它實(shí)施方式并不脫離本公開的范圍。在不同的附圖中，相同的附圖標(biāo)記可指代相同 的元件或組分。
[0031] 參照?qǐng)D3,所公開的薄氈穩(wěn)定型復(fù)合材料（總體指定為10)的一個(gè)實(shí)施方式可包括 多個(gè)注入基質(zhì)材料16的交替的加強(qiáng)層12和夾層14。本公開提供了由一個(gè)或多個(gè)夾層14 形成的薄氈，這增加了扭曲變形，和/或降低了擴(kuò)張負(fù)荷，以便增加復(fù)合材料10內(nèi)的馮?米 塞斯應(yīng)變。
[0032] 參照?qǐng)D4,至少一個(gè)加強(qiáng)層12可被一對(duì)夾層14覆蓋（例如，覆蓋在上縱向表面上 和