[发明专利]复合材料层压制品和其制造

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料层压制品和制造复合材料层压制品的方法。特别地，本发明涉及适于制造诸如风力涡轮叶片、船体、甲板和舱壁等大型结构的复合材料层压制品。

背景技术

一些纤维增强的复合材料部件包括夹在纤维增强的复合材料的外层之间的内部硬质泡沫芯。泡沫芯广泛用于制造纤维增强的塑料部件，通过利用作为结构芯的低密度芯材料分离作为结构表皮的两个纤维增强的层来增大最终制品的刚性。纤维增强的层通过树脂材料层与低密度芯材料结合。这种结构在复合材料业中通常被称为夹芯板。

结构芯的主要功能是通过减少负荷下的总体变形和减少整个板屈曲的发生来增大板刚性，并防止表皮起皱和局部屈曲。

通常，需要最大化给定密度的泡沫的机械性能，使得重量最轻的芯能够被选择，以在纤维增强的层之间转移结构负荷。泡沫也必须与用于制造结构复合材料表皮的材料和制造方法兼容。

对于减少复合材料层压制品的制造成本和部件重量存在普遍需求。当纤维增强的层将要与芯层结合时，必须在纤维增强的层中提供足够的树脂，使得能够与芯层完全结合。本领域中要求泡沫芯与纤维增强的层在其间的界面上能够牢固可靠地结合，并且对于这种结合所需的树脂量最小，从而在获得提供特定机械性能的给定结构性能的情况下使重量和材料成本最小化。

此外，泡沫芯件的大小受到泡沫制造方法和泡沫件的加工性的限制，从而使操作者能够将泡沫填充到用于形成复合材料部件的模具中。越来越普遍的是，以加快组装的预加工形式提供泡沫芯。这些泡沫成套零件可以制作成具有自组装特征的泡沫零件拼图，如狗骨头或锯齿状边缘，以加快在模具内的组装并使芯正确定位到复合模制品中。取决于芯的复杂度，加工可能会导致相当量的泡沫材料被浪费。

在复合材料层压制品制造中普遍需要减少泡沫芯材料的浪费量。

目前在复合材料业中使用的具有最高机械性能和热性能的低密度结构泡沫(密度为50-600g/L)是交联的聚氯乙烯(PVC)泡沫、苯乙烯丙烯腈(SAN)泡沫和聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫。当纤维增强的复合材料的外层被预设定为预浸料时，这些泡沫适于取决于泡沫类型而在75-160℃的温度下进行高温预浸处理，其中在预浸料固化过程的长时间内，正在处理的泡沫应该承受至少1bar的真空压力。其他这类已知泡沫可以用于在20-75℃的处理温度下的低温应用，例如使用树脂导注处理，这在制造诸如船体、甲板和舱壁的领域中是已知的。

这些已知的泡沫是从批处理过程制造的，制造起来既耗时又昂贵。这些泡沫具有不同的交联度，使得它们更难以回收，因为它们不能再熔融加工，与真正的100％的热塑性材料不同。

预发泡聚苯乙烯(PS)，本领域中称作EPS，常用于制造低密度、低成本泡沫块和成型零件。其在复合材料业中作为结构芯的传统用途受到限制，因为聚苯乙烯泡沫具有低的耐热性和低的机械性能。聚苯乙烯芯已与室温固化的层压环氧树脂一起使用，但不适合与聚酯和乙烯基酯树脂一起使用，因为树脂材料中使用的苯乙烯会攻击并溶解聚苯乙烯泡沫。

EPS用于树脂导注和注入过程(VARTM)没有成功，因为市售的EPS等级是相对多孔的，并且泡沫在注入过程中吸收大量的树脂。被设计用于导注过程的树脂通常粘度低，并且可能含有稀释剂。此外，已经发现，一些环氧树脂在树脂导注(VARTM)处理中会攻击和软化EPS。这是由于固化环氧树脂的反应放热(升高泡沫温度)与泡沫的低耐化学性和高孔隙率的组合的原因。通常，选择环氧树脂以适于要求苛刻的应用，并且较高性能的芯通常是优选的，以最小化最终部件的重量。

已知的是，将聚苯醚(PPO)，也称为聚苯醚(PPE)，加到聚苯乙烯中，以提供具有较高机械性能的耐较高温度的材料。对于热塑性塑料不同寻常的是，PPO是可互溶的，并可与聚苯乙烯(PS)兼容。这种兼容性赋予混合的PS/PPO以一定性能范围，与材料量相关或成比例的性能一般按照两种聚合物性能的混合平均规则体现。较昂贵的PPE(PPO)增大了共混物的玻璃化转变温度(Tg)、强度和模量。这是一个关键特征，因为在兼容性低的聚合物共混物中，材料在最低耐热部件的温度下仍将呈现出一些软化。因而，提供了具有成本效益的高温、坚韧热塑性塑料。

PS/PPO被用于制造要求较高耐热性的某些工业和家用塑料制品。PPO的加入量与Tg和机械性能的改善成比例。PS/PPO的兼容性是已知的，并且已被市售，例如由GE Plastics以出售。