[发明专利]制造复合材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及包含纤维和树脂基质的预浸渍体的制造方法，所述预浸渍体在堆叠以形成层合体并随后固化时形成复合材料，具体地，所述复合材料对雷击导致的损害具有改善的耐性。

背景技术

复合材料具有充分证明的优于传统构成材料的优点，具体地，以非常低的材料密度提供优异的机械性质。结果，这种材料的使用正在变得日益广泛，以及它们的应用领域从“工业”和“运动与休闲”延伸至高性能航空航天部件。

预浸渍体(包含浸渍有热固性树脂如环氧树脂的纤维布置)在形成这种复合材料中广泛使用。通常，将这种预浸渍体的一些层片按需要“叠铺”，并将所得层合体固化(通常通过暴露于升高的温度)，以产生固化的复合材料层合体。

这种预浸渍体通常通过以下方法制造：用热固性树脂浸渍结构纤维的片状结构。这种片状结构首先需要由一些所谓的纤维丝束制备。纤维丝束是单丝(例如12,000根单丝)的束，具有近似矩形的横截面，横截面尺寸约为一厘米乘以几毫米。

“铺展”这种丝束以合并和形成结构纤维的单一片材的常用方法是使它们经过一系列的铺展杆或辊。通过除去产生的“绒毛”，EP 1172191给出了该方法中的改进实例。

普通复合材料由夹有树脂层的多个预浸渍体纤维层(例如碳纤维)的层合体制成。尽管碳纤维具有一些导电性，但是夹层的存在意味着，仅主要在层合体的平面中在复合材料中呈现导电性。导电性在垂直于层合体表面的方向(所谓的z-向)上很低。

一般认为，在z-向上缺乏导电性促成复合材料层合体对电磁危害如雷击的易损性。雷击可导致复合材料的损害(其可为相当广泛)，以及如果发生在飞行中的飞机结构上，可为灾难性的。因此，这是由这种复合材料制造的航天结构的特定问题。

在现有技术中已经提出了广泛的技术和方法，以提供这种复合材料的雷击保护，通常涉及添加导电元素，代价是提高复合材料的重量。

在WO 2008/056123中，通过以下方法对雷击抗性进行了改进：在树脂夹层中添加中空导电粒子，使得它们接触相邻的纤维层并在z-向上形成电通路。然而，这经常需要精细的加工方法并可降低疲劳性质。

因此在本领域中仍需要轻质并具有优异的机械性质的导电复合材料。

发明内容

本发明的发明人意料不到地发现，预浸渍体的固化层合体的导电性的改进可通过以下方法实现：在树脂浸渍之前处理结构纤维。

因此，在第一方面，本发明涉及预浸渍体，其包含在空隙中包含热固性树脂的导电纤维结构层，和包含热固性树脂的第一树脂外层，以及包含位于结构层和外部树脂层之间的界面处的导电自由单丝群体，所述预浸渍体在升高的温度下固化时产生固化复合材料，所述固化复合材料包含填充的导电纤维的固化结构层和第一固化树脂外层，所述固化树脂外层包含分散在其中的一部分所述导电自由单丝群体。

这种预浸渍体被认为在受热时，但是在达到足以导致树脂固化的温度之前经历了微小的结构转变。当树脂受热时，它的粘性下降，以及自由纤维离开界面自由地迁移至树脂层中。当温度进一步升高时，树脂开始固化，从而将自由单丝固定在分布在树脂层中的位置。

自由纤维被认为在它们自己之间形成导电接触并桥接树脂层，从而提高固化的复合材料在z-向上的导电性。因此，可使树脂层导电，而不必在预浸渍体制造期间向它添加任何导电元素。

如果将两个这种预浸渍体放置在一起，那么一个预浸渍体的第一树脂外层如果存在于另一个预浸渍体的树脂外层上则在两个导电纤维层之间形成树脂夹层。

在一个实施方案中，可单独制备导电自由单丝，并在树脂浸渍之前堆积在结构层表面上。然而，发明人发现，通过破坏一部分导电纤维，处理导电纤维的结构层的外表面来产生自由纤维是特别便利的制造方法。

因此，在第二方面，本发明涉及制造预浸渍体的方法，所述方法包括将导电纤维片材传送至纤维破坏手段(fibre disrupting means)，导致在片材外表面上的一部分纤维变成导电自由单丝，随后用热固性树脂浸渍片材，产生包含热固性树脂的树脂外层，该外层与包含自由纤维的片材的外表面接触。

因此，破坏手段处理外表面处的纤维变成自由单丝。术语“自由单丝”是指不以物理或化学的方式与任何其它物体结合并本质上可移动的单丝。这样形成的自由单丝不与任何其它纤维粘合并可自由移动。

因此，自由单丝也将具有足以维持自由单丝性质的长度上限。

例如，自由纤维通常具有以下的长度分布：平均长度小于2.0cm，优选小于1.0cm，更优选小于0.5cm。