[发明专利]基于碳纤维纸的蜂窝芯以及由蜂窝芯制成的制品

说明书

发明背景

发明领域。

本发明涉及由碳纤维纸制成的结构性蜂窝芯。

发明背景

由高性能纤维材料制成的用于夹心板的芯结构(大多数呈蜂窝结构形式)用于不同的应用中，但主要用于航空和航天工业中，其中强度与重量或硬度与重量的比率具有极高的值。作为用来制造蜂窝结构的纸基板的主要组分，芳族聚酰胺纤维已被使用了多年。也可得到由琉璃纤维和碳纤维制成的蜂窝结构，但它们仅呈织造织物基板的形式。用纸基板生产蜂窝结构的方法的成本要低于用织物基板生产芯的方法的成本，因此是人们所高度期望的。纸基板的使用也允许制造出具有较小巢室尺寸和较高重量的芯。用碳纸基板来制造芯的制造商们所面临的难题是，碳纤维的脆性极大，因而在压延所述纸材的过程中易于破裂和断裂。这就带来了显著的问题，因为通过压延来增加纸材密度是所述方法的一个必要且重要的部分。由压延所造成的高分数的断裂碳纤维将会显著地影响最终蜂窝结构的机械性能。因此需要一种由高密度压延的纸基板制成的芯结构，所述纸基板包含碳纤维，所述碳纤维具有最小分数的极短的断裂碳纤维并且具有大多数的足够长度的碳纤维以在最终复合结构中提供所期望的特性。日本专利申请6-210777公开了一种蜂窝芯，其使用芳族聚酰胺纤维和碳纤维的混合物作为巢室壁的基片。

发明概述

本发明涉及包括多个互连的壁的蜂窝结构，所述壁具有限定多个蜂窝巢室的表面，其中：

(i)巢室壁由纸材形成，所述纸材包含20-85重量％的碳纤维，

(ii)纸材具有至少35％的纤维体积分数，

(iii)碳纤维具有至少0.5mm的算术平均长度，并且

(iv)碳纤维具有至少0.9mm的长度加权平均长度。

术语“纤维体积分数”、“算术平均长度”和“长度加权平均长度”具有如“测试方法”所示的定义。

本发明还涉及包括树脂浸渍的蜂窝芯的结构夹心板，所述芯具有至少一个连接到所述芯的两个外表面的表面板，其中所述芯的巢室壁由纸材形成，所述纸材包含：

(i)20-85重量％的碳纤维、

(ii)7.5-50重量％的对位芳族聚酰胺纤维、和

(iii)7.5-30重量％的聚合物粘合剂，其中

(iv)纸材具有至少35％的纤维体积分数，

(v)碳纤维具有至少0.5mm的算术平均长度，并且

(vi)碳纤维具有至少0.9mm的长度加权平均长度。

附图简述

图1a和图1b为六边形形状的蜂窝结构的图示。

图2为六边形单元形状的蜂窝结构的另一图示。

图3为具有表面板的蜂窝结构的例证。

发明详述

本发明涉及包括多个互连的壁的蜂窝芯，所述壁具有限定多个蜂窝巢室的表面，其中巢室壁由纸材形成，所述纸材包含20-85重量％的具有非圆形截面的碳纤维，所述纸材在用树脂浸渍之前具有至少35％的纤维体积分数。碳纤维的算术平均长度为至少0.5mm，并且长度加权平均长度为至少0.9mm。

优选地，碳纤维具有0.1-3.0旦尼尔/长丝(dpf)范围内的线密度和至少1.5∶1的纤维截面宽高比(宽度对高度比)。非圆形碳纤维截面连同相对较小的纤维线密度提供了如下的纸材，所述纸材在压延并随后转化为蜂窝结构之后具有低百分比的短碳纤维或断裂碳纤维。优选地，碳纤维的算术平均长度为至少0.7mm。优选地，碳纤维的长度加权平均长度为至少1.2mm。例如，纤维截面可为狗骨形、菜豆形、椭圆形、带形或条形。

图1a为本发明的一个蜂窝结构1的平面图，其示出了由巢室壁3形成的巢室2。图1b为图1所示蜂窝结构的正视图，其示出了在巢室壁的两端形成的所述两个外表面或面4。芯也具有边缘5。图2为蜂窝结构的三维视图。其示出了具有六边形巢室2和巢室壁3的蜂窝结构1。图2在“10”处示出了蜂窝结构的“T”尺度或厚度。示出了六方形巢室；然而，其它几何排列也是可能的，其中正方形巢室、过度扩展巢室和弯曲形巢室是最常见的可能排列。此类巢室类型在本领域中为人们所熟知并且可参考T.Bitzer(Chapman & Hall，publishers，1997)的《Honeycomb Technology》中关于可能的几何巢室类型的附加信息。