[发明专利]复合材料

说明书

技术领域

本发明涉及用于制造纤维增强复合材料的预浸料坯。进一步地讲，本发明涉及这种预浸料坯在制造纤维增强复合材料中的用途和制造纤维增强复合材料的方法。

背景技术

多年来，在纤维增强复合材料领域，人们已经知道要提供包含浸渍有结构聚合物树脂(structural polymer resin)的纤维增强物层的预浸料坯。结构聚合物树脂的量要与纤维增强物的量仔细匹配。因此，预浸料坯可用于形成纤维增强复合材料的方法中，该方法中，提供了具有所期望形状和构造(configuration)的预浸料坯的多层层叠件(stack)，然后将所述多层层叠件加热，从而使结构聚合物树脂熔融，再固化以形成单个均一的树脂基体，其中纤维增强物按照所期望的纤维取向配置。层叠件中的树脂的量足以由具有所期望机械性能的预浸料坯的层叠件制成纤维增强结构制品。通常，结构聚合物树脂为热固性树脂(最常见为环氧树脂)，其固化以形成固态树脂基体。所述纤维可以选自各种材料，最常见的包括玻璃纤维或碳纤维。

众所周知的是，提供结构聚合物树脂完全浸渍到纤维增强物层中的预浸料坯。这为预浸料坯的外主表面提供了树脂表面，使得纤维在整个预浸料坯树脂内基本上均匀分布，这样纤维均匀嵌入在树脂内，从而将初始树脂层内无意间存在的空隙最小化。其优点在于，树脂表面可以稍微具有粘着性，这样通过粘着性树脂表面将预浸料坯粘附在相邻表面上，结果有助于通过将预浸料坯支撑在所期望的位置处来将预浸料坯铺设(lay up)到模具中。另外，纤维增强物的完全浸渍避免了对于结构聚合物树脂在固化阶段显著流动的需求，并且确保了纤维在固化阶段期间均匀地浸湿。

但是，完全浸渍的预浸料坯的一个突出问题在于，在形成这种预浸料坯的层叠件时，空气会截留(trap)在相邻的预浸料坯层之间，从而导致在最终固化后的、纤维增强复合材料的树脂基材中，会存在层间空隙(inter-ply voids)。这些空隙的存在显著降低了复合材料的机械性能。在预浸料坯铺设阶段(lay-up process)，当完全浸渍的预浸料坯层逐渐堆积(built up)以形成其多层层叠件时，空气会截留在相邻预浸料坯层之间。相邻预浸料坯层的树脂表面的粘着性(tackiness)增加了空气在预浸料坯界面处截留在层间的可能性。

在克服不希望形成层间空隙的尝试中，新近已经提出了提供只是部分浸渍有结构聚合物树脂的预浸料坯，从而在预浸料坯的一个或两个主表面上存在干燥纤维增强物层。本申请人生产出了这种已知的部分浸渍预浸料坯或半浸料坯(semipreg)，并且以注册商标SPRINT进行销售。

这种部分浸渍的预浸料坯其优点在于，在预浸料坯层叠为层叠件时，在初始真空固结(vacuum consolidation)阶段，随着干燥纤维增强物层随结构聚合物树脂的融化而完全浸湿，这一干燥纤维增强物层使得空气穿过干燥纤维增强物层而逐渐排出。在预浸料坯真空固结期间，使预浸料坯层叠件经受负压(即真空)，以帮助将空气从相邻的预浸料坯和干燥纤维增强物的区域之间去除。在随后的固化作用(curing)前，在所施加的真空作用下，干燥纤维增强物的区域逐渐被多结构聚合物树脂浸湿。因此，该部分浸渍的预浸料坯结构的优点在于，在相邻层之间的层间空隙趋向减少甚至消除。

已知利用预浸料坯可以制造各种具有不同厚度、形状和体积以及所需机械性能的产品。复合材料的一个特殊用途在于制造细长的杆(spar)或梁(beam)形式的结构件，所述结构件要求显示出高的机械劲度(stiffness)和压缩强度。对于这类杆或梁而言，为了将机械劲度和压缩强度最大化，期望提供主要沿着细长的杆或梁的方向取向的纤维，尤其是单向纤维(unidirectional fibre)。

相反，为了提供具有板状构造或者具有扭转强度的复合材料，提供双轴取向(biaxially oriented)的纤维是合乎需要的。

但是，在制造这种包含沿杆或梁的长度延伸的单向纤维的、结构性的杆或梁时，在采用这种具有干燥纤维增强物外表面的、部分浸渍的预浸料坯的情况下，还存在技术问题。该技术问题在于，没有用结构聚合物树脂浸渍的外部的单向干燥纤维容易在预浸料坯的平面内发生横向扭曲。在这些预浸料坯组装在一起成为多层层叠件时，这使得单向取向的纤维变为非线性的，从而造成在所得复合材料的平面中出现一定程度的纤维波纹(waviness)、扭曲或弯曲。单向纤维的这种非线性会降低结构件(例如杆)的压缩强度。