[发明专利]在长的纤维加强复合物中通过添加碳纳米管的透印减轻

说明书

技术领域

本发明涉及用于减轻具有织造的（woven）长纤维加强物的模制聚合物复合结构中的透印或大体上对应于纤维织物尺度的表面凸凹的方法。

背景技术

熟知可通过添加诸如塑料、短切纤维或长纤维的强和/或刚性加强物以形成复合结构来改进材料的强度和刚度。这种实践可应用于许多基质材料，包括金属、陶瓷和聚合物，但常常与聚合物基质一起使用，与陶瓷或金属相比，其提供更小的强度和刚度，但具有更低密度。因此，这样的加强聚合物结构可提供良好的强度和刚度与低质量的组合。

如果低质量是特别关注的，可使用更高强度和低密度的纤维加强物作为低密度聚合物基质的补充来进一步最小化复合物质量。最小化复合物的质量将越来越多地取决于最小化加强更高强度纤维的质量，因为性能需求加速了增加纤维体积分数（fiber volume fraction）的趋势。一种常用的高强度低密度加强物为碳纤维。

在某些应用中，考虑仅有限的几个工程设计属性，如加强聚合物的刚度、强度或质量可能足以判断其是否适合于特定目的。但在更多的应用中，必须考虑更宽范围的工程设计性质、特征和行为。例如，在其中采用多种材料的组件中，在性能或外观方面与其它不同材料的相容性可能成为问题。恰当的例子出现在某些汽车应用中，其中个别加强复合构件或结构，例如发动机罩，可邻近例如挡泥板的金属片构件定位。预期所有构件的涂漆外观应当匹配。

加强纤维可用作离散加强物但在许多情况下，碳纤维以有组织地分组布置。例如，在某些碳纤维加强聚合物中，大体上圆柱形的碳纤维首先组织为丝束。这些丝束为疏松地聚集在一起的连续或接近连续的无捻纤维的集合体。丝束常常采取丝带状配置且可具有大体上椭圆形截面且可任选地使用环氧胶剂而略微固定。这样的丝束然后可织造为任何所需二维图案以形成加强织物或薄片。虽然个别纤维可具有至少大约一微米的直径，更典型的尺寸在10微米与20微米之间。相比而言，可包含约1000到50000纤维的丝束的宽度可在1.0毫米至10毫米之间，或等效地在1000微米与10,000微米之间。典型织造图案可略微粗糙，且相邻的平行丝束以1毫米与5毫米之间的距离间隔开。

构件的制造始于利用聚合物树脂来浸渍织造薄片，其为了易于处理，常常为部分固化的或者为B阶化的但保持柔性和舒适性。这样的树脂浸渍的薄片被称作预浸材料。

在批量生产中，常常采用受热的多部件模具。这样的模具能接纳预浸材料且使之在模具受热之前在压力下成形为所需的物品形状。然后可升高模具温度以升高预浸材料温度且使得树脂固化并形成复合物物品。模具部件是可分开的以加载预浸材料和提取固化的物品且各模具部件当组装为其操作配置时限定对应于所需物品几何形状的模腔。

这样的模具可接纳单个预浸材料但更通常地，多个树脂浸渍的薄片放置为一个在另一个之上以形成铺层。在组装铺层时，薄片和其相关联的加强物可相对于彼此移位或旋转以减小完成的构件中的平面内性质方向性。铺层可在模具中制成或可离线制备并仅在完全组装时才放置于模具内。

聚合物和加强物的热膨胀系数（CTE）显著不同，此外，大部分碳纤维具有各向异性CTE，表现出沿着其轴线的一个CTE和在其直径上的第二CTE，保证在纤维与聚合物的更大且更各向同性CTE之间的至少某些CTE失配。在复合物品冷却期间，此CTE失配将产生应力，应力将产生织造图案的透印，即模仿织造图案间隔的表面扭曲。在纤维丝束之间的区域将相比于覆盖纤维丝束的更高区域下陷。

这些表面扭曲或者纤维图案的透印清楚可见，特别是在涂漆的表面上且在客户可观察到的任何‘显示表面’上是不可接受的。因此，许多可看到的纤维复合构件在最终涂漆之前需要大量修饰，通常涂底漆和砂磨。

因此需要抑制或最小化在纤维加强复合面板中的透印以最小化在面板组装和涂漆之前对补救表面处理的需要。

发明内容

本发明提供最小化织造纤维加强聚合物复合物品的表面中的透印扭曲的方法。实践本发明以便在原本受益于存在大量织造纤维加强层的聚合物复合物品上提供更高品质的可见表面层。