钢纤维增强的复合材料的制作方法

钢纤维增强的复合材料的制作方法
【专利摘要】本发明涉及钢纤维增强的复合材料。该钢纤维增强的复合材料包括基体材料和不锈钢纤维。不锈钢纤维具有多边形截面和不锈钢纤维具有退火的微结构。
【专利说明】钢纤维增强的复合材料【技术领域】
[0001]本发明涉及纤维增强的复合材料领域，和具体地涉及纤维增强的塑料领域。
【背景技术】
[0002]纤维增强的复合材料长时间以来是已知的。热塑性或热固性树脂用作基体材料，且不同类的增强纤维是已知的。重要的增强纤维是碳纤维，玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维，但也使用其他纤维，例如亚麻纤维和其他天然纤维。
[0003]增强可以是纤维增强的塑料(纤维增强的复合材料)的设计标准之一。然而，对于纤维增强的塑料的实际使用来说，其他参数可能甚至更加重要。对于许多的应用来说，纤维增强的塑料产品的强度不是第一重要的，而是劲度(其中包括弯曲劲度和抗扭劲度)和冲击时的能量吸收(或抗冲击性)。在复合增强剂中使用最多的三类纤维(玻璃纤维，芳族聚酰胺纤维和碳纤维)当中，碳纤维具有最高的弹性模量和因此导致纤维增强的复合材料具有比芳族聚酰胺或玻璃纤维增强的复合材料高的劲度。芳族聚酰胺和玻璃纤维增强的复合材料具有较低的劲度。用碳或玻璃纤维增强的复合材料的抗冲击性通常不被视为非常好。芳族聚酰胺增强的复合材料的缺点是低的压缩强度，高的蠕变水平和高的吸湿水平。
[0004]EP1342623A公开了一种冲击梁，它包括聚合物基体和含金属芯线的金属增强的结构。该冲击梁在冲击之中和之后，具有改进的抗冲击性和改进的完整性。然而，EP1342623A的公开内容的缺点是采用该文献中描述的金属芯线，不可能制造复杂形状的纤维增强的部件。另一缺点是，芯线的尺寸(厚度)不便于增强剂在纤维增强的复合材料的全部表面上均匀地分布且不具有高质量百分数的金属芯线。
[0005]在许多专利公布，例如在EP1650021A1, EP1787790A1, W02004/028803 中和在US2009/0017322A1中公开了自增强的聚烯烃复合材料。自增强的聚烯烃复合材料具有的优势是，它们可容易地再循环。再循 环的优点是自增强的聚烯烃复合材料不包括玻璃纤维，若当再循环含有玻璃纤维的废物材料时，可存在健康问题。自增强的聚烯烃复合材料的问题是，对于其中要求复合材料高劲度的应用来说是不足的。
[0006]发明公开
[0007]本发明的目的是提供改进的纤维增强的复合材料。本发明的具体目的是提供纤维增强的复合材料，它具有与良好的冲击性能相结合的良好的劲度(硬度)。本发明的另一优势是，可制造具有复杂形状的纤维增强的复合材料。
[0008]本发明的第一方面是纤维增强的复合材料。纤维增强的复合材料包括基体材料和不锈钢纤维。不锈钢纤维具有多边形截面且不锈钢纤维具有退火的微结构。在具体的实施方案中，多角的截面是六角的。优选地，不锈钢纤维不具有卷曲。
[0009]本发明的纤维增强的复合材料具有良好的劲度(若不锈钢纤维的劲度为约200GPa的话)和冲击时的能量吸收，同时具有充足的强度。在纤维增强的复合材料中，使用具有六角截面的不锈钢纤维在不锈钢纤维和基体材料之间产生良好的粘着性。
[0010]与用碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维增强的复合材料相比，本发明纤维增强的复合材料具有许多其他额外的优势。本发明的纤维增强的复合材料对电磁波具有屏蔽性能且具有导热以及导电性。通过不锈钢纤维的退火的微结构，对电磁波的屏蔽性能和导电性甚至得到提高。还表明，与钢结构相比，本发明的纤维增强的复合材料具有好得多的振动阻尼性能，和与类似的碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维增强的复合材料相比，也具有好得多的阻尼性倉泛。
[0011]与类似的芳族聚酰胺纤维增强的复合材料相比，本发明的纤维增强的复合材料显示出具有较高的压缩强度，较低的蠕变水平和较低的吸湿性。
[0012]根据本发明的一个实施方案，使用纤维束牵拉(bundle drawing),制造不锈钢纤维。在使用纤维束牵拉制造不锈钢纤维以供在本发明中使用的情况下，获得具有不规则和粗糙多边形截面形状的不锈钢纤维。已发现，具有不规则和粗糙截面形状的不锈钢纤维对纤维增强的复合材料中的基体材料具有改进的粘着性。例如在US-A-2050298, US-A-3277564中和在US-A-3394213中描述了纤维束牵拉。金属线材形成起始材料且用诸如铁或铜之类的涂层包衣。随后将这样一束包衣的线材包封在金属管道内。之后，借助随后的拉丝步骤，减少如此包封的管道的直径，达到具有较小直径的复合材料束。随后的拉丝步骤可以与合适的热处理交替或者不交替，以允许进一步牵拉。在复合纤维束内部，初始的线材转化成独立地包埋在覆盖材料基体内的薄的纤维。这一纤维束优选包括不大于2000根纤维，例如50至1500根纤维。一旦获得所需的最终直径，则可例如通过将覆盖材料溶解在充足的浸溃剂或溶剂内，除去覆盖材料。最终的结果是裸纤维束。在不锈钢纤维的情况下，在本发明中使用粗纱，通过将一根或更多根这些裸纤维束集中在一起，获得不锈钢纤维的粗纱。
[0013]在本发明中，不锈钢纤维由不锈钢制成。不锈钢定义为以质量计，具有最小10.5%的铬含量的钢合金。可在本发明中使用的不锈钢等级的实例包括(但不限于)AISI316，AlSI316L, AISI302, AISI302HQ, AISI304 和 AISI304F。
[0014]优选地，本发明中使 用的不锈钢纤维在拉伸模式下的平均断裂伸长率为至少6%，优选10%。在单根纤维上,采用IOOmm的试验长度和2mm/min的速度和0.005N的预负载,测试断裂伸长率。更优选，在本发明中，使用在拉伸模式下，断裂伸长率为至少13%的不锈钢纤维。甚至更优选，使用在拉伸模式下，断裂伸长率为至少15%的不锈钢纤维。已发现，使用在拉伸模式下具有较高断裂伸长率的不锈钢纤维导致具有较高冲击能吸收的纤维增强的复合材料，且对劲度不具有负面影响，并且同时仍然具有充足水平的拉伸强度。
[0015]不锈钢纤维可按照许多不同的方式存在于纤维增强的复合材料内。在一个实施方案中，不锈钢纤维以无限长度，即长丝类型(这意味着连续长度)的不锈钢纤维形式存在。
[0016]在另一实施方案中，不锈钢纤维以不锈钢纤维的粗纱形式存在于纤维增强的复合材料内。粗纱是指，正如纤维增强的复合材料工业中已知的，基本上无限长度的基本上平行的长丝的连续绳股。
[0017]在另一实施方案中，不锈钢纤维以离散长度的不锈钢纤维形式存在于纤维增强的复合材料内。这意味着不锈钢纤维具有一个纤维长度分布和一个平均纤维长度。当使用离散长度的不锈钢纤维时，平均纤维长度优选大于60mm，更优选大于90mm，甚至更优选大于150_，和仍然甚至更优选大于175_。制造离散长度的不锈钢纤维的生产方法的一个实例是拉伸断裂，该技术是纺织品工业中已知的。[0018]不锈钢纤维可以在一个或更多个方向上存在于纤维增强的复合材料内。优选地，在特定方向上的不锈钢纤维在该方向上排列，这意味着优选不锈钢纤维既不被加捻，也不具有卷曲，而是笔直和排列整齐的。[0019]根据本发明的一个实施方案，纤维增强的复合材料中的基体可以是热塑性聚合物或热固性树脂。根据本发明使用的热塑性聚合物或热固性树脂的实例是聚酰胺(例如，聚酰胺6和聚酰胺6.6)，热塑性聚酯(例如，PET:聚酯对苯二甲酸酯)，聚烯烃，聚丙烯，聚乙烯，通过马来酸酐改性的高密度聚乙烯(聚丁烯琥珀酸酯)和聚碳酸酯。
[0020]根据本发明的另一实施方案，纤维增强的复合材料中的基体可以是热固性树脂。根据本发明可使用的热固性树脂的实例是不饱和聚酯，环氧树脂，乙烯基酯和聚异氰脲酸酯树脂。
[0021]在本发明的具体实施方案中，不锈钢纤维具有10至100微米的当量直径。特定纤维中的术语“当量直径”要理解为具有圆形截面的假想纤维的直径，所述截面具有与特定纤维的截面的平均表面积相同的表面积。在本发明的优选实施方案中，不锈钢纤维的当量直径为30至80微米。在进一步优选的实施方案中，不锈钢纤维的当量直径为35至70微米。选择较厚的纤维(具有较高当量直径的纤维)显示出许多额外的优势。使用较厚的纤维(具有较高当量直径的纤维)显示出得到具有较高冲击吸收能和拉伸模式下较高断裂伸长率的复合材料。采用较厚纤维制造的根据本发明的纤维增强的复合材料的总成本较低，这归因于纤维制造工艺比较容易和因此比较便宜。
[0022]采用具有较高当量直径的不锈钢纤维制造的纤维增强的复合材料具有较高的冲击吸收能这一结果是令人惊奇的。在例如用碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维增强的复合材料中已知且常见的实践是使用细纤维以供最好的冲击强度。碳增强的复合材料所使用的典型碳纤维直径为7微米，对于玻璃纤维增强的复合材料来说，典型的玻璃纤维直径是8-20微米。对于芳族聚酰胺增强的复合材料来说，典型的芳族聚酰胺纤维直径是12微米。
[0023]具有较低当量直径的不锈钢纤维使得能更加容易地制造更加复杂形状的纤维增强的复合材料。具有较高当量直径的纤维具有的优势是，它们比较容易(和因此比较便宜地)生产，并导致采用较高当量直径的纤维制造的比较便宜的纤维增强的复合材料。
[0024]已发现，具有35至70微米的当量直径的不锈钢纤维提供纤维增强的复合材料最好的性能组合:劲度、冲击能吸收、充足的强度和容易制造复杂形状的纤维增强的复合材料。
[0025]在进一步优选的实施方案中，不锈钢纤维的当量直径为45至70微米。这一范围的当量直径的不锈钢纤维比较容易制造。
[0026]在本发明第一方面的进一步的实施方案中，制造纤维增强的复合材料所使用的不锈钢纤维包括施胶剂。施胶剂可以是水性聚合物材料或者施胶剂可以是溶剂基的。使用水性施胶剂的优势是，施胶剂的施加对环境更加友好。在将不锈钢纤维加工成制造纤维增强的复合材料中使用的形状中和在制造纤维增强的复合材料中，在不锈钢纤维上使用施胶剂显示出优势，因为不锈钢纤维被保持在一起。可选择施胶剂，以增加不锈钢纤维粗纱中的不锈钢纤维和纤维增强的复合材料中的基体之间的粘着性。这种施胶剂的一个实例是PVA (聚乙烯醇)。
[0027]在本发明第一方面的另一实施方案中，不锈钢纤维不具有施胶剂。不具有施胶剂的不锈钢纤维具有许多优势。它得到较大的设计自由度以制造纤维增强的复合材料，因为可制造更加复杂形状的纤维增强的复合材料，因为不锈钢纤维可更加容易地具有待制造的纤维增强的复合材料目标的形状。冲击吸收能也良好。令人惊奇地，使用不具有施胶剂的不锈钢纤维具有不锈钢纤维对基体的良好粘着性。相反，在纤维增强的复合材料中常见的实践是在纤维上使用施胶剂。例如碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维或纤维粗纱包括施胶剂，以满足碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维对采用这些纤维或纤维粗纱制造的纤维增强的复合材料中的基体的粘着性要求。
[0028]在本发明第一方面的又一实施方案中，成束地排列不锈钢纤维。这样的纤维束可以是不锈钢纤维的粗纱，或者离散长度的不锈钢纤维束，例如不锈钢纤维中拉伸断裂的银。在优选的实施方案中，不锈钢纤维束包括在不锈钢纤维束周围包裹的纤维或纱线。当在不锈钢纤维束周围包裹纤维或纱线时，不锈钢纤维束的内聚性得到改进。不锈钢纤维束的加工按照这一方式得到改进。当使用具有在不锈钢纤维束周围包裹的纤维或纱线的不锈钢纤维束时，观察到许多具体的优势。有助于生产在纤维增强的复合材料中使用的具有不锈钢纤维束的纺织品结构。同样有助于生产纤维增强的复合材料，因为当成型纤维增强的复合材料时，在力对不锈钢纤维束的影响下，不锈钢纤维束在没有展开的情况下，可制造更加复杂形状的纤维增强的复合材料。纤维增强的复合材料的冲击性能以及不锈钢纤维对纤维增强的复合材料中的基体的粘着性能表明是良好的，所述纤维增强的复合材料采用具有在不锈钢纤维束的周围包裹的纤维或纱线的不锈钢纤维束制造。
[0029]在具体的实施方案中，不锈钢纤维束包含在不锈钢纤维束周围包裹的聚乙烯醇(PVA)纤维或聚乙烯醇(PVA)纱线。
[0030]在另一具体的实施方案中，不锈钢纤维束包含在不锈钢纤维束周围包裹的热塑性纤维或热塑性纱线。在又一具体的实施方案中，不锈钢纤维束包括由在不锈钢纤维束周围包裹的双组份纤维制造的双组份纤维或纱线，优选双组份纤维具有核-壳结构，其中壳具有比核低的熔点。这些实施方案的优势是，当使用熔点高于双组份纤维的壳中热塑性纤维或热塑性纱线的熔点或软化 点的热塑性聚合物基体时，不锈钢纤维对基体具有改进的粘着性。
[0031]在另一具体的实施方案中，不锈钢纤维束包含在不锈钢纤维束周围包裹的聚酯纤维或聚酯纱线。
[0032]在本发明第一方面的又一实施方案中，纤维增强的复合材料包括在二维纺织品结构内提供的不锈钢纤维。二维纺织品结构是指宽度和长度比其厚度大得多的结构。二维纺织品结构中的不锈钢纤维可以以不同方式存在，例如以无线长度的不锈钢纤维形式，以不锈钢纤维粗纱形式，以具有离散长度的不锈钢纤维的不锈钢纤维束形式存在…
[0033]根据本发明的这一实施方案可使用的二维纺织品结构的实例是:
[0034].织造织物，它包括例如在经向和纬向上不锈钢纤维束或不锈钢纤维粗纱形式的不锈钢纤维
[0035].织造织物，它包括例如在织物的仅仅一个方向上(经向或纬向)不锈钢纤维束或不锈钢纤维粗纱形式的不锈钢纤维
[0036].纬向插入的经编针织物，它包括例如在经向或纬向，或者经向上和纬向上的且通过一根或更多根针织或编织纱线连接的不锈钢纤维束或不锈钢纤维粗纱形式的不锈钢纤维。作为一个实例，针织纱线可以是热塑性的，或者针织纱线可以由双组份纤维制造，优选双组份纤维具有核-壳结构，其中壳具有比核低的熔点。实例是使用PVA(聚乙烯醇)针织或编织纱线。
[0037].多轴织物，其中例如不锈钢纤维，不锈钢纤维束或不锈钢纤维粗纱形式的不锈钢纤维位于不同方向上且借助针织或编织纱线连接。针织纱线可以是例如热塑性的，或者针织纱线可以由双组份纤维制造，优选组份纤维具有核-壳结构，其中壳具有比核低的熔点。可使用的针织或编织纱线的一个实例是PVA(聚乙烯醇)纱线。
[0038].织物，其中例如不锈钢纤维，不锈钢纤维束或不锈钢纤维粗纱形式的不锈钢纤维位于一个或更多个方向上，和其中借助胶合或焊接到织物内的不锈钢纤维粗纱或到彼此上的一片或更多片箔或一种或更多种平纹棉麻织物，使织物(和因此在它内部的不锈钢纤维粗纱)产生内聚性。
[0039].织物，其中在不同方向上层铺不锈钢纤维且以本领域已知的方式固结成织物。W02011/018574中给出了可使用的技术，和其中使用拉伸的断裂纤维。
[0040]在纺织品结构内提供不锈钢纤维以供制造纤维增强的复合材料有助于生产纤维增强的复合材料。
[0041]使用其中存在基本上不具有卷曲的不锈钢纤维的纺织品结构表明在冲击负载下得到较好的能量吸收值和较好的复合材料劲度值。已表明对于含不锈钢纤维的纤维增强的复合材料来说，与碳、玻璃或芳族聚酰胺纤维增强的复合材料相比，不具有卷曲纺织品结构的复合材料劲度的改进比具有卷曲的纺织品结构高得多。在纺织品结构内不锈钢纤维卷曲是指在纺织品结构内不锈钢纤维的波纹状。“基本上没有卷曲”是指在纺织品结构内不锈钢纤维基本上是笔直的且没有显示出卷曲。
[0042]在本发明的具 体实施方案中，纺织品结构包括热塑性材料，例如热塑性纤维或纱线，或热塑性箔或箔的长条，或平纹棉麻织物或平纹棉麻织物的组件。该纺织品结构也可包括双组份纤维或由双组份纤维制造的纱线。双组份纤维优选为壳的熔融温度低于核的核-壳类型。施加热量到这 一纺织品结构上产生在纺织品结构内热塑性材料的部分或完全熔融。在硬化之后，提供纺织品结构改进的稳定性，这有助于切割纺织品结构，且没有损失其完整性且有助于在含不锈钢的纺织品结构的模具内定位以供生产本发明的纤维增强的复合材料。
[0043]在具体的实施方案中，将不锈钢纤维和/或含不锈钢纤维的纺织品结构制成预浸溃体，所述预浸溃体包括制造本发明的纤维增强的复合材料所要求的部分或全部基体材料。
[0044]在本发明的具体实施方案中，在钢纤维粗纱方向上，本发明的纤维增强的复合材料在拉伸模式下的断裂伸长率大于7%。在优选的实施方案中，在钢纤维粗纱方向上，纤维增强的复合材料在拉伸模式下的断裂伸长率大于8%。在进一步优选的实施方案中，在钢纤维粗纱方向上，在拉伸模式下的断裂伸长率大于10%。根据ASTM D3093-93，进行拉伸测试。采用高密度聚乙烯(HDPE)作为基体材料制造显示出在钢纤维粗纱方向上，在拉伸模式下的断裂伸长率大于10%的本发明的纤维增强的复合材料的一个实例。
[0045]本发明的另一实施方案是其中纤维增强的复合材料除了包含不锈钢纤维以外，还包含增强纤维，和其中纤维增强的复合材料中的基体材料包含聚烯烃聚合物。额外的增强纤维可以例如包括聚烯烃纤维或聚烯烃胶带。这一实施方案的优势是，复合材料具有高的劲度，这归因于不锈钢纤维的存在。进一步的优势是容易循环复合材料，该复合材料可以在没有健康问题的情况下，例如被粉碎，且可再利用该材料制造具有聚烯烃基体的新的复合材料，同时该不锈钢纤维提供增强。本发明这一实施方案的进一步的优势是，纤维增强的复合材料具有屏蔽性能，这归因于不锈钢纤维的存在。可根据本领域中已知的任何技术，例如如 EP1650021A1, EP1787790A1, W02004/028803 和 US2009/0017322A1 中所述，制造根据本发明这一实施方案的复合材料。可例如通过使用不同的层制造本发明的复合材料，其中一些层包括不锈钢纤维，和其他层含有聚烯烃纤维或聚烯烃胶带。可通过在含聚烯烃纤维或聚烯烃胶带的一层或多层内掺入，提供根据这一实施方案的聚合物基体，或者根据这一实施方案的聚合物基体完全或部分地独立供应。按照这一方式，可采用退火的不锈钢纤维的额外增强物，制造自增强的聚烯烃复合材料，从而得到具有优异劲度值的如此形成的复合材料。
[0046]在具体的实施方案中，纤维基复合材料包括混杂的织物。该混杂的织物包括不锈钢纤维，和聚烯烃纤维或聚烯烃胶带。在更优选的实施方案中，混杂的织物还已经部分或全部包括基体材料。
[0047]在另一具体的实施方案中，聚烯烃纤维或聚烯烃胶带选自聚乙烯，聚丙烯或其组合，优选乙烯和丙烯的共聚物，更优选乙烯-丙烯的嵌段共聚物或者丙烯-乙烯的嵌段共聚物。
[0048]在另一具体的实施方案中，聚合物基体中的聚烯烃聚合物选自聚乙烯，聚丙烯或其组合，优选乙烯和丙烯的共聚物，更优选乙烯-丙烯的嵌段共聚物或者丙烯-乙烯的嵌段共聚物。
[0049]在进一步具体的实施方案中，基体材料中的聚烯烃聚合物的DSC熔融温度低于聚烯烃纤维或聚烯烃胶带的DSC熔融温度。在IS011357-3中定义了 DSC熔融温度。这一熔融温度的差别便于在基体的熔融温度以上热处理(例如成型并固结复合材料)，所述热处理不会影响增强物的机械性能 。
[0050]在本发明的第二方面中，提供一种机械部件，它包括根据本发明第一方面的纤维增强的复合材料。
[0051]在本发明第二方面的另一实施方案中，提供一种粉碎锥(crush cone)，它包括根据本发明第一方面的纤维增强的复合材料。
[0052]在本发明第二方面的又一实施方案中，提供一种纵梁，它包括根据本发明第一方面的纤维增强的复合材料。
[0053]在本发明第二方面的另一实施方案中，提供一种门板，它包括根据本发明第一方面的纤维增强的复合材料。
[0054]本发明的第三方面是制造根据本发明的纤维增强的复合材料。该方法包括许多步骤。一个步骤是提供具有多边形截面的不锈钢纤维，该不锈钢纤维具有退火的微结构。另一步骤提供热固性或热固性树脂。另一步骤结合不锈钢纤维和热固性或热固性树脂。另一步骤是成型不锈钢纤维和热固性或热塑性基体，并固化如此成型的纤维增强的复合材料。但使用热固性基体(例如使用环氧或聚酯热固性树脂)时，固化可以是使用热的交联操作。当使用热塑性基体时，固化可以是硬化操作。[0055]结合不锈钢纤维和基体可根据本领域已知的任何技术。制造本发明的纤维增强的复合材料的技术的实例是注塑(采用在模具内铺开的不锈钢纤维或纺织品产品)，压塑，树脂压铸，热成形，叠铺和喷附(spray-up)技术，长丝缠绕和拉挤。
[0056]根据本发明第三方面的具体实施方案，该方法进一步包括在结合不锈钢纤维和热固性或热固性树脂之前，制造含不锈钢纤维的二维纺织品结构。
[0057] 附图简述
[0058]图1a示出了根据本发明的不锈钢纤维的粗纱。
[0059]图1b示出了根据本发明的不锈钢纤维的多边形截面的细节。
[0060]图2示出了不锈钢纤维的实例，其中纱线绕不锈钢纤维粗纱包裹。
[0061]图3示出了根据本发明的纤维增强的复合板的实例的展开图。
[0062]图4示出了根据本发明的更加复杂形状的纤维增强的复合材料的实例。
[0063]图5不出了横向三点弯曲测试装置。
[0064]实施本发明的模式
[0065]提供许多实施例来描述本发明。
[0066]图1a示出了可在本发明中使用的不锈钢纤维粗纱10。该不锈钢纤维粗纱包括一系列单独的连续不锈钢纤维12。单独的连续不锈钢纤维12在不锈钢纤维粗纱内基本上平行于彼此铺开。这种不锈钢纤维粗纱的实例包括275根连续的不锈钢纤维(=无限长度的不锈钢纤维)，且各自的当量直径为40微米并具有退火的微结构且由AISI316钢种制成。优选地，本发明所使用的不锈钢纤维粗纱在粗纱截面内具有90至1000根纤维。优选地，纤维的当量直径为10至100微米，更优选30至80微米，甚至更优选35至70微米。不锈钢纤维粗纱的一些实例:90根当量直径为30微米的纤维(51 Itex的粗纱);275根当量直径为12微米的纤维(250tex的粗纱);275根当量直径为40微米的纤维(2775tex的粗纱);275根当量直径为60微米的纤维^244tex的粗纱)；550根当量直径为60微米的纤维(12487tex的粗纱)；1000根当量直径为60微米的纤维(22704tex的粗纱)。例如所有这些由AISI316钢种制成。
[0067]图1b示出了可根据本发明使用的不锈钢纤维的多边形截面14的实例。
[0068]图2示出了不锈钢纤维粗纱20的实例，其中纱线绕不锈钢纤维粗纱包裹。两根长丝或纱线22和24绕不锈钢纤维粗纱包裹(各自为375根当量直径为40微米的长丝且具有退火的微结构)。绕不锈钢纤维粗纱包裹的纱线的实例是PVA(聚乙烯醇)纱线；例如IlOdtex的复丝纱线(它包括25根长丝)。在例举的实施方案中，在不锈钢粗纱周围，在350圈/米的捻度下包裹纱线，其中一根纱线在S-方向上和一根纱线在Z-方向上。在备选的例举实施方案中，包裹长丝或纱线是共聚酰胺。共聚酰胺具有低的熔点和/或低的软化点。这一纱线的实例是获自Luxilon Industries公司的300旦的"Thermolux85VLV2〃。
[0069]图3示出了根据本发明的纤维增强的复合板的实例的展开图。该复合板30由多层组成。基体层32在钢纤维粗纱增强层34和36之间。在该实例中，钢纤维粗纱增强层是具有11根粗纱/cm的单向层(UD-层)。钢纤维粗纱是各自的当量直径为40微米且具有退火微结构的275根长丝。钢纤维粗纱层34在一个方向上取向；而钢纤维粗纱层36以与钢纤维粗纱层34的方向呈90度取向。在该实例中，PP-PE(聚丙烯-聚乙烯)共聚物，和具体地，由Amcor生产的Rayofilm T用作基体材料。该复合材料的厚度为2.2mm。[0070]可使用的UD-层的实例是其中钢纤维粗纱层彼此基本上平行铺开，和其中平纹棉麻织物粘结到钢纤维粗纱层上提供如此形成的UD-织物内聚性的织物。平纹棉麻织物可由275dtex的聚酯复丝纱线制成且借助PVA(聚乙烯醇)作为粘结剂粘结。使用相同的粘结剂将平纹棉麻织物粘结到钢纤维粗纱层上提供UD-织物内聚性。在平纹棉麻织物的实例中，存在200根275dteX/100cm平纹棉麻织物宽度的聚酯复丝纱线，且对角地定位相同的纱线(在+25°和-25°的方向上)，且斜纹纱线之间的距离为5mm。
[0071 ] 使用含钢纤维粗纱的织物，制造类似的板。
[0072]图4示出了更加复杂形状的复合材料的实例，用双曲线的形状覆盖物体40。在钢纤维粗纱方向成90度角下定位在一个方向上各自含不锈钢纤维粗纱的两层增强层42和44。钢纤维粗纱增强层是具有11根粗纱/cm的单向层(UD-层)。钢纤维粗纱是275根各自的当量直径为40微米且具有退火微结构的长丝。将增强物插在模具内，并以基体材料形式添加聚丙烯，并制造复合材料。如此制造的覆盖物的厚度为2.1_。
[0073]根据本发明制造实验室规模的粉碎锥。粉碎锥例如在汽车碰撞的情况下在汽车前面中使用以吸收能量。采用不锈钢纤维粗纱，绕心轴缠绕两层窄的织造织物层，制造实验室规模的粉碎锥样品(40微米的当量直径，退火的微结构，在纤维束内375根长丝，在织物的经纱上11根经纱/cm，和在纬向上20tex的聚酯纺丝纱线，4根纬纱/cm，以便形成厚度为
0.85mm的织物)。采用冷-固化的环氧树脂，浸溃纤维增强物，并施加固化。粉碎锥的长度为IOOmm和厚度为2mm。在冲击行为中测试实验室规模的粉碎锥,具有满意的结果。
[0074]图5示出了横向三点弯曲测试装置50。制造具有尺寸长度为80mm，宽度为IOmm和厚度为1.90mm的纤维增强的复合材料样品52。采用在宽度方向上校准的退火不锈钢纤维54，制造纤维增强的复合材料样品。在两个点56上支持纤维增强的复合材料样品52，纤维增强的复合材料样品的长度在两个支持点56之间延伸。在两个支持点56之间的中点施加力F。如图5所示的弯曲试验基本上是粘着试验，表1中示出了实验结果。每一测试样品具有42%的纤维体积分数，纤维是在各自具有275根退火的不锈钢纤维的粗纱内提供的当量直径为30微米的退火的不锈钢纤维束拉伸纤维。纤维增强的复合材料样品中的基体材料是聚酰胺6，固化温度为260°C。包裹不锈钢纤维粗纱所使用的PVA(聚乙烯醇)纱线是IlOdtex的复丝纱线(它包括25根长丝)。在不锈钢粗纱周围，在350圈/米的捻度下包裹PVA纱线，其中一根纱线在S-方向上和一根纱线在Z-方向上。所使用的共聚酰胺是获自Luxilon Industries公司的300旦的〃Thermolux85VLV2〃。试验结果(表1)显不出所有样品具有满意的结果。在三点弯曲试验中，其中不锈钢纤维粗纱具有PVA施胶剂的样品和其中绕不锈钢纤维粗纱包裹PVA纱线的样品在劲度和最大应力(强度)方面显示出优异的结果， 从而表明与不具有施胶剂或者没有包裹纱线的情况相比，粘着性得到显著改进，
[0075]
【权利要求】
1.一种纤维增强的复合材料，它包含基体材料和不锈钢纤维，其中所述不锈钢纤维具有多边形截面和所述不锈钢纤维具有退火的微结构。
2.权利要求1的纤维增强的复合材料，其中所述不锈钢纤维是无限长度的不锈钢纤维。
3.权利要求1或2的纤维增强的复合材料，其中以不锈钢纤维粗纱形式提供所述不锈钢纤维。
4.权利要求1的纤维增强的复合材料，其中以离散长度的不锈钢纤维形式提供所述不锈钢纤维，所述离散长度的不锈钢纤维的平均纤维长度为至少60mm。
5.权利要求1-4的纤维增强的复合材料，其中所述基体材料是热塑性聚合物或热固性树脂。
6.权利要求1-5的纤维增强的复合材料，其中所述不锈钢纤维的当量直径为10至100微米。
7.权利要求1-6的纤维增强的复合材料，其中所述不锈钢纤维的当量直径为35至70微米。
8.权利要求1-7的纤维增强的复合材料，其中所述不锈钢纤维包括施胶剂。
9.权利要求1-7的纤维增强的复合材料，其中所述不锈钢纤维不具有施胶剂。
10.权利要求1-9的 纤维增强的复合材料，其中成束地排列所述不锈钢纤维，所述不锈钢纤维束包括包裹在所述不锈钢纤维束周围的纤维或纱线。
11.权利要求10的纤维增强的复合材料，其中包裹在所述不锈钢纤维束周围的所述纤维或所述纱线包含聚乙烯醇纤维。
12.权利要求1-11的纤维增强的复合材料，其中以二维织物结构的形式提供所述不锈钢纤维。
13.权利要求1-12的纤维增强的复合材料，其中当在不锈钢纤维的方向上测试时，纤维增强的复合材料在拉伸模式下的断裂伸长率大于7%。
14.权利要求1-13的纤维增强的复合材料，其中纤维增强的复合材料除了包含不锈钢纤维以外，还包含额外的增强纤维，所述额外的增强纤维包含聚烯烃纤维或聚烯烃胶带，且其中所述基体材料包含聚烯烃聚合物。
15.权利要求14的纤维增强的复合材料，其中纤维增强的复合材料包括混杂的织物，所述混杂的织物包含所述不锈钢纤维，且所述混杂的织物包括所述聚烯烃纤维或所述聚烯烃胶带。
16.权利要求14-15的纤维增强的复合材料，其中所述聚烯烃纤维或所述聚烯烃胶带选自聚乙烯、聚丙烯或其组合，优选乙烯和丙烯的共聚物，更优选乙烯-丙烯嵌段共聚物或丙烯-乙烯嵌段共聚物。
17.权利要求14-16的纤维增强的复合材料，其中所述聚合物基体中的所述聚烯烃聚合物选自聚乙烯、聚丙烯或其组合，优选乙烯和丙烯的共聚物，更优选乙烯-丙烯嵌段共聚物或丙烯-乙烯嵌段共聚物。
18.权利要求14-17的纤维增强的复合材料，其中所述基体材料的所述聚烯烃聚合物的DSC熔融温度低于所述聚烯烃纤维或所述聚烯烃胶带的DSC熔融温度。
19.一种机械部件,它包括权利要求1-18的纤维增强的复合材料。
20.一种粉碎锥，它包括权利要求1-18的纤维增强的复合材料。
21.一种纵梁，它包括权利要求1-18的纤维增强的复合材料。
22.制造纤维增强的复合材料的方法，该方法包括下述步骤: 提供不锈钢纤维的纤维，所述不锈钢纤维具有多边形截面；所述不锈钢纤维具有退火的微结构；且所述方法包括以下进一步的步骤:提供热固性或热固性树脂；使所述不锈钢纤维与所述热固性或热固性树脂结合；使所述不锈钢纤维和所述热固性或热固性树脂成型；和固化如此成型的纤维增强的复合材料。
23.制造纤维增强的复合材料的方法，该方法包括下述步骤: 提供不锈钢纤维，所述不锈钢纤维具有多边形截面；所述不锈钢纤维具有退火的微结构；且所述方法包括以下进一步的步骤:制造具有所述不锈钢纤维的二维织物结构；提供热固性或热固性树脂；使所述二 维织物结构与所述热固性或热固性树脂结合；使所述二维织物结构和所述热固性或热固性树脂成型；和固化如此成型的纤维增强的复合材料。
【文档编号】C08J5/24GK103476843SQ201180070114
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2011年4月26日 优先权日:2011年4月26日
【发明者】S·范德瓦勒 申请人:贝卡尔特公司