[发明专利]具有改进的抗冲击强度的复合层合物及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及碳纤维增强聚合物的复合材料，更具体地说涉及具有改进的抗冲击强度的碳纤维增强聚合物的复合层合物，及其制备方法和用途。

背景技术

由高强度和高模量的碳纤维和环氧树脂基材组成的碳纤维增强聚合物(CFRP)具有非常高的比强度和比模量、良好的热稳定性、并且耐腐蚀，因此被广泛地应用于交通运输、运动器材、或其他要求轻质和高强度的领域作为结构部件材料。随着对降低能耗之需求的逐渐增加，特别是在交通运输领域，使用碳纤维增强聚合物材料来取代金属材料作为轻型汽车、高速列车、以及商用飞机的部件材料已越来越常见。在环保意识渐强的社会中，推广碳纤维增强聚合物材料之应用亦将越来越重要。

对于碳纤维增强聚合物材料的主要应用领域来说，所必需的重要性能之一是在受到意外冲击或打击的情况下，可保持其结构的完整性。特别是当考虑在汽车中使用碳纤维增强聚合物材料作为结构部件以减轻重量时，非常关键的是用碳纤维增强聚合物制成的结构部件具有与传统上用钢或铝制成的部件所具有的相近或相同的保护力度。与由其他高性能纤维，例如对位芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维制备的复合材料相比，碳纤维增强聚合物材料具有高的比强度和比模量，但是具有较差的抗冲击强度，从而限制了碳纤维增强聚合物材料之应用推广。

目前，在复合材料工业，人们为了提高碳纤维增强聚合物材料部件的抗冲击强度，通常采取两种方式：(1)增加碳纤维增强聚合物材料部件的厚度，然而这样同时也增加了该部件的最终重量和成本；(2)将碳纤维增强聚合物材料与具有较好的抗冲击性能的其他高性能纤维的材料组合使用，所述具有较好的抗冲击性能的其他高性能纤维包括对位芳香族聚酰胺纤维或玻璃纤维，但是这样的组合纤维材料仍然存在该产品的总重增加和厚度增加的问题。

加拿大专利申请CA25454981公开了一种用于运动器材的复合层合物，所述复合层合物包含(a)作为外层的多个含纤维之树脂预浸的复合材料层，和(b)作为芯层的夹在所述多个树脂预浸的复合材料层之间的具刚性更高之纤维的预浸纤维层。其中所述的作为外层的树脂预浸的复合材料层的纤维选自包括玻璃纤维、纤维和纤维等的高性能纤维，所述纤维可以是编织的也可以是无纺的；作为所述芯层的纤维可选自例如碳纤维、石墨纤维、或玻璃纤维与碳纤维混合的高性能纤维。所述复合层合物通常包括1-6层的所述芯层(优选是碳纤维层)和4-12层的所述外层的复合材料层(优选是玻璃纤维层)，所述复合层合物的厚度通常为4-30mm。

美国专利US6,995,099B1公开了一种纤维增强聚合物材料的复合材料，其包含(a)片状的纤维增强聚合物材料层，和(b)层合到所述纤维增强聚合物材料层的至少一侧表面的无纺层；所述纤维增强聚合物材料层中使用具有高强度和高弹性模量的纤维，例如玻璃纤维、对位芳香族聚酰胺纤维或碳纤维，优选为碳纤维，该层是单向编织物、双向编织物或缝编布的形式；所述无纺层的纤维包括尼龙6、尼龙66、维尼纶、对位芳香族聚酰胺、聚酯、聚乙烯等等，优选具有高结晶度的尼龙6和尼龙66纤维。该专利公开了层(a)与层(b)一体化的三种方式，一种是在层(b)中采用短纤维，通过例如针刺方法使层(b)的短纤维穿过层(a)而使层(a)和层(b)一体化；再一种是使用压敏粘合剂将层(b)与层(a)一体化；另一种方法是通过在层(b)中加入5-50重量％的低熔点纤维，通过热熔融所述的低熔点纤维而将层(b)和层(a)融合在一起。

日本专利申请JP2005-336407A公开了一种表面光滑性优异的复合层合物，所述复合层合物包括纤维增强层、层合到纤维增强层的一侧或两侧表面的无纺纤维层、以及浸渍到所形成的层合物中的基体树脂；其中所述的纤维增强层包括的纤维可以是任何纤维，优选碳纤维、玻璃纤维和对位芳香族聚酰胺纤维；无纺纤维层的纤维可以是碳纤维、玻璃纤维、芳香族对位聚酰胺纤维、硼纤维、金属纤维等，优选例如碳纤维和玻璃纤维。出于复合层合物的表面平滑性的考虑，无纺纤维层的厚度为0.05-0.5mm，纤维增强层的厚度为0.2mm或更小，并且无纺纤维层的厚度与纤维增强层的厚度比为0.5或更大。

在目前的现有技术文献中，尽管人们采用了例如玻璃纤维、石墨纤维、对位芳香族聚酰胺纤维等与碳纤维增强聚合物材料混合使用，但是尚未找到一种复合材料能理想地提高其抗冲击强度，并且同时保持该材料的厚度和重量基本上不变。

发明内容

本发明的目的是在基本上不增加材料的厚度和其单位面积重量的情况下，提供具有改进的抗冲击强度的碳纤维增强聚合物的复合层合物。