[发明专利]控制复合材料中渗透性和纤维体积分数的聚合物纳米颗粒

说明书

本发明涉及控制复合材料中渗透性和纤维体积分数的聚合物纳米颗粒。纤维束可包括多个增强长丝，每个增强长丝具有长丝横截面宽度。至少一部分聚合物纳米颗粒可连接至至少一个增强长丝和/或至其它聚合物纳米颗粒。聚合物纳米颗粒可具有小于增强长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。聚合物纳米颗粒可提供增强长丝之间的局部长丝间隔以减少或避免增强长丝之间的直接接触，进而允许树脂在长丝之间流动，和/或满足纤维体积分数要求。

技术领域

本公开内容一般地涉及复合材料，并且更具体地涉及复合结构中的纳米颗粒用于控制纤维床渗透性和纤维体积分数的用途。

背景技术

可通过叠铺一叠复合层以形成复合敷层来形成复合结构。每个复合层可包括多个增强纤维或纤维束。每个纤维束可包括多个增强长丝。例如，单纤维束可形成为一束数千个或更多个增强长丝。可将热和/或压力施加至复合敷层以加固该叠复合层和固化或硬化树脂。可被动地或主动地冷却复合敷层以形成复合结构。

复合结构通常被设计为具有特定的纤维体积分数以满足强度、刚度和复合结构的其它设计要求。纤维体积分数可被描述为复合结构中的增强纤维的总体积与复合结构的总体积的比率。在制造期间可控制的复合敷层的纤维体积分数的精确度对复合结构满足设计要求的能力可能具有显著的影响。

复合敷层中增强长丝之间的间隔对复合结构的纤维体积分数可能具有直接影响。对于在叠铺前使用树脂预浸渍的复合层(例如，预浸复合层)，通过在预浸操作期间控制施加至纤维束或增强长丝的树脂的量，可直接控制增强长丝之间的间隔。对于用干纤维复合层形成的复合敷层，通过控制叠铺加工条件，诸如控制在浸渍树脂进入干纤维复合层期间施加的加固压力和/或真空压力的大小和/或持续时间，可间接控制增强长丝之间的间隔。

在常规的复合材料制造中，增强长丝之间的局部间隔可从许多长丝直径至零变化。在零间隔处，增强长丝相互直接接触。增强长丝之间的直接接触可能导致数个不期望的影响。例如，直接接触的增强长丝可在树脂浸渍过程期间抑制增强长丝之间的树脂流动，其可导致增强长丝的不完全润湿，形成不期望的空隙和裂纹形核的位点。此外，直接接触的增强长丝可在复合结构中呈现高应力的位置，并且可导致树脂中的微裂纹。

可以看出，在本领域中存在对用于控制复合敷层中增强长丝之间的局部间隔的系统和方法，以允许长丝之间的树脂流动，进而满足纤维体积分数要求和减少或避免增强长丝之间的直接接触的需求。

发明内容

上文记载的与复合敷层相关的需求通过本公开内容具体地解决，本公开内容提供了可包括多个增强长丝的纤维束，每个增强长丝具有长丝横截面宽度。一个或多个聚合物纳米颗粒可被连接至增强长丝中的至少一个和/或其它聚合物纳米颗粒。聚合物纳米颗粒可具有小于增强长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。聚合物纳米颗粒可在增强长丝之间提供局部长丝间隔以减小或避免增强长丝之间的直接接触，进而允许长丝之间的树脂流动，和/或满足纤维体积分数要求。

还公开了包括树脂和嵌入树脂中的多个纤维束的组合物。每一个纤维束可由多个增强长丝组成。每个增强长丝可具有长丝横截面宽度。组合物可进一步包括连接至增强长丝的多个聚合物纳米颗粒。聚合物纳米颗粒可具有小于长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。

还公开了制造复合结构的方法。该方法可包括将多个聚合物纳米颗粒连接至一个或多个增强长丝。每一个增强长丝可具有长丝横截面宽度。聚合物纳米颗粒可具有小于长丝横截面宽度的颗粒横截面宽度。该方法可额外地包括诸如在树脂浸渍期间使用聚合物纳米颗粒维持邻近增强长丝之间的长丝间隔。

已经讨论过的特征、功能和优势可在本公开内容的多种实施方式中独立地实现或者可在还其它实施方式中组合，可参阅下文中的如下描述和附图看到其进一步的细节。

附图说明

在参阅附图的情况下，本公开内容的这些和其它特征将变得更加显而易见，其中遍及全文相同的数字表示相同的部件，并且其中：