[发明专利]预浸料坯、层合体、纤维增强复合材料及纤维增强复合材料的制造方法

说明书

提供层合体，其包含薄预浸料坯，所述薄预浸料坯具有：包含增强纤维基质的成分(A)、包含热固性树脂的成分(B)、及包含热塑性树脂粒子的成分(C)。经过成型和非高压釜固化后，该层合体可实现具有低孔隙率且提供优异机械性能的纤维增强复合物。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年3月30日提交的美国临时专利申请第62/650,593号和于2019年3月6日提交的美国临时专利申请第62/814,518号的优先权。出于所有目的，这些专利申请各自的公开内容均通过引用整体并入本文。

技术领域

本发明涉及能够提供具有高度可加工性的预浸料坯堆叠物(层合体)的预浸料坯片材，以及由该预浸料坯堆叠物制备的具有非常低的孔隙含量和优异的抗冲击性的固化纤维增强复合材料，其中，预浸料坯非常适合用于制造大型复杂结构并与自动铺层机械兼容。预浸料坯堆叠物可以仅使用真空泵和烘箱在非高压釜工艺中进行成型。本发明也适用于使用该预浸料坯片材和预浸料坯堆叠物制备的纤维增强复合材料以及使用该预浸料坯片材和预浸料坯堆叠物的制造方法。

背景技术

纤维增强复合材料广泛应用于工业中，包括要求特别优异的结构机械性能及耐热性的航空和航天器组件。传统上，优选的成型方法之一是利用高压釜产生高压缩压力来将例如大型复杂结构压实，使得固化材料中不存在孔隙，从而生产出刚性、轻质且坚固的复合物。另一方面，这些高压釜方法的操作成本和资本成本较高，并且可能由于设备容量而限制成型尺寸，因此，鼓励开发替代的成型方法。

已开发了非高压釜(OOA)工艺等仅依赖真空的成型方法，这些方法施加大幅度降低的压缩压力。OOA工艺已被证明存在降低资金成本的潜力，并可容许扩大的成型尺寸，但由于不具有高压缩压力(例如高压釜中使用的高压)，这些工艺在挑战大型复杂结构时难以实现一致的无孔隙复合物。此外，OOA工艺适用于使用被基质树脂预先含浸的纤维(也被称为预浸料坯)制造的纤维增强复合材料部件。为了从预浸料坯形成复合部件(例如在大型复杂结构中)，通过手工层叠、或具有提高的制造效率的例如自动铺带和/或自动纤维铺放，在模具内将一层或多层预浸料坯进行组装。加热预浸料坯的组装体从而使基质树脂流动，由此将预浸料坯层压固以生产最终复合物。

目前的非高压釜工艺的路径中利用组装成预浸料坯堆叠物的半含浸预浸料坯片材，所述预浸料坯堆叠物包含多个适合手工层叠的预浸料坯片材。这样的半含浸预浸料坯片材的特征在于，在预浸料坯片材的中心(芯)部分具有干燥(未含浸)的纤维区域，这使得预浸料坯片材中存在的空气、水分和其他挥发性物质能够在固化过程中从预浸料坯片材中排出。如果使得这些挥发性物质残留在预浸料坯片材中，则会导致在由上述预浸料坯片材的堆叠物形成的固化纤维增强复合材料中产生孔隙。固化纤维增强复合材料中存在孔隙是不理想的，因为这样的缺陷通常会对这些材料的物理特性和机械特性产生不利影响。但是，在自动化工艺过程中，半含浸可能会产生干纤维球(即干燥的纤维簇)，其可能会沉积在层合体的表面，从而导致产业标准OOA预浸料坯中所见的缺陷。另一方面，鉴于其薄度和/或压缩比(bulk factor)能使得毛丝(fuzz)产生最小化，半含浸薄层预浸料坯在自动化工艺中是有利的。

为了进一步促进重量减轻、提高层合强度、以及控制最终复合物厚度，期望具有低纤维单位面积重量(＜100gsm，行业标准为重量＞150gsm)的薄层预浸料坯。然而，控制适用于OOA工艺、在中心具有干燥(未含浸)纤维区域的薄层预浸料坯的含浸水平可能是非常困难的。可以通过控制含浸来将薄层预浸料坯设计成具有与适用于OOA工艺的标准预浸料坯相似的空气通道。薄层预浸料坯可包含一条或多条不连续和/或连续的空气通道，所述空气通道可提供在OOA工艺中减少挥发性物质和滞留空气所需的平面内渗透率，但仍与自动化工艺兼容。

然而，希望开发一种薄层预浸料坯层，其促进适合OOA工艺的进一步轻质化，并具有优异的机械性能和与自动化工艺的兼容性。

发明内容