专利名称：复合材料的制作方法
复合材料
本发明涉及复合材料，并且特别地，然而并不唯一地涉及基于与塑性基体材料相 关的连续纤维增强体(continuous fibre reinforcement)或半连续纤维增强体的复合材 料，所述复合材料可包括热塑性树脂或热固性树脂。优选的实施方案利用包括诸如聚醚醚 酮的聚芳醚酮聚合物的基体材料。在航空航天工业中使用，例如，包括诸如Victrex PEEK(从Victrex Pic, UK获得 的聚醚醚酮聚合物)的高性能聚合物的复合材料被视为减少航空器的重量、提高效率并由 此减少该工业的环境影响的一个主要途径。增加复合材料的使用的关键之一是通过改善制造技术，所述制造技术旨在降低制 造成本、加工(tooling)成本、使复杂的组件能够更容易地制造并且在有限的资本投资下 促进制造规模的快速扩张。通常，复合材料的处理包括第一阶段，在该第一阶段中，纤维增强体与基体材料混 合以形成预浸料或用基体材料浸渍织物以形成预浸料。在第二阶段中，通常通过施加热和 压力来固结一层或多层预浸料以定义复合材料。一种固结方法使用袋系统(bag system)来对预浸料施加压力，如附图的
图1所说 明，图1是具有置于其中的预浸料的模具的横截面。参考该图，示出了模具2，在该模具2上 设置了复合材料4的包括一层或多层预浸料的前体。泄放层(bleeder layer)6设置在前 体4上并且释放板层(release ply) 8设置在所述层6上。压板10与泄放层6接触并将透 气层12设置在压板10上。装袋膜或片14被设置在透气层12上以定义真空袋，所述真空 袋通过密封件16被密封至模具2，例如使用硅氧烷密封剂，以便在真空袋与预浸料之间定 义封闭的空间。在模制过程的开始，经真空端口 18从密封的空间抽出气体，从而对其内的预浸料 施加约1巴的均勻压力。所述模具例如通过被置于烘箱中或高压釜中而被加热至包括在预 浸料的层中的基体材料的模制温度，因此，预浸料通过施加经真空袋施加的热和压力一段 时间而被固结。固结后，允许模具冷却并随后从模具中移除所述袋，且然后移除固结的复合材料 4。在某些情况下，所述袋可再利用；或在其他情况下被弃去。通常，袋由硅橡胶制成。当预浸料包括热固性树脂时，考虑到固结过程中涉及相对 低的温度，这样的袋通常可被再利用。然而，如果硅橡胶袋在包括诸如Victrex PEEK的高 性能热塑性塑料的预浸料的固结中使用，当可能使用400°C数量级的操作温度时，该袋的寿 命将相对较短并可能限制为单次使用。这可能使所述的装袋技术在经济上不可接受多次应用。一种目前的进展是制造使用针织工艺生产的复合结构。为了改善机械性能并降低 原料成本，制造中空的制品通常是有益的。例如，使用浸渍了针织树脂(knitted resin)的 预浸料可制成复合材料管。沿复合铺层(composite lay-up)的中心向下对囊状物充气以 推动铺层向外紧贴柱面以定义复合材料管的形状。不利地，必须设置进入开口以便放入和 取出囊状物。在没有进入途径的情况下，必须在随后连接在一起的至少两个段中完成制造。然而，接合点处代表结构中可能的弱点。 本发明的一个目的是解决前述问题中的至少一些问题。根据本发明的一个方面，提供了固结预浸料的方法，所述方法包括(i)将膜设置成邻近待固结的预浸料；和(ii)施加力以固结所述预浸料，其中所述膜成为连接至所述预浸料。因此，可制造固结的预浸料，其包括至少部分由所述膜的材料定义的外(或内)表 面。所述方法因此可提供这样的方式，在下文描述的其他优势以外，由此通过固结预浸料的 一层或多层而制成的复合材料的外(或内)表面可制得更光滑和/或流线型；具有改善的 抗破坏性(damage resistance)；和/或具有改善的耐化学性。所述方法适当地包括选择相容的膜和预浸料以便所述膜能够在所述方法中成为 连接(和保持连接)至所述预浸料。更具体地，优选地，膜和预浸料是使得当所述膜和/或 预浸料被加热时和/或被施加力以促使所述膜与所述预浸料在一起时，所述膜能够成为连 接至所述预浸料。膜连接至预浸料的强度可通过其剥离强度定义，例如基于90°剥离，使用ASTM D3330。如前述合适测量的，来自固结的预浸料的膜的剥离强度可以是至少lN/cm，优选至少 1. 5N/cm，更优选至少2N/cm，特别是至少2. 5N/cm。膜可包括一层或多层。例如一层可以被设置成连接至预浸料，而另一层可以被设 置成定义固结的预浸料的部分表面。当膜包括多层时，所述膜的层在被选择用于本方法中 时可最初是彼此分开的和/或不连接至彼此；或，可选择地，可选择包括相对于彼此固定的 多层的膜。这样的膜可包括层压材料或共挤塑薄膜。当膜包括多层时，该膜的一个表面可与 该膜的相对的表面不同(例如化学上)。因此，一个表面可提供在所述方法中制备的、具有 期望表面性能的复合材料的表面，而该膜的另一表面可提供将该膜结合至预浸料的方式。 膜可包括聚丙烯共挤出模。可选择地，膜可包括聚醚酮的层和聚醚酰亚胺的层。在进一步 的实施方案中，膜可在该膜的外层之间包括连接层(tie layer)，其中，设置所述连接层以 促进将层固定在一起。然而，优选地，膜不包括超过一层。膜可具有5μπι至750μπι范围内的厚度。该厚度可小于500 μ m，优选地小于 250 μ m，更优选地小于100 μ m，特别是小于50 μ m。该厚度可以是至少10 μ m。适当地，该厚 度在10 μ m至50 μ m的范围内。当根据Def Stan 81_75测试时，膜的抗刺穿力可以是至少10KJ/m2，优选地至少 20KJ/m2。膜可包括添加剂以调节其性能。例如，它可并入诸如炭黑的导电材料以调整该膜 的电性能。然而，优选地，膜包括小于5wt%、小于2wt%、小于的添加剂。优选地，膜 不包括任何添加剂而基本上由树脂组成。虽然膜可包括树脂的混合物，但其适当地包括至少95wt%、优选地至少97wt%、 更优选地至少99wt%的单一树脂。优选地，膜基本上由单一树脂组成。所述膜优选地包括 热塑性树脂(且更优选地基本上由热塑性树脂组成)。所述膜可包括选自以下的材料如本文所述的第一聚合物、聚芳醚酮、聚芳醚砜、 聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺和聚烯烃。优选的聚芳醚酮如本文中关于所述第一聚合物描述的。
优选的聚芳醚砜包括聚醚砜、聚醚醚砜、聚砜、聚苯砜、聚-醚-二苯基_醚-苯 基-砜-苯基-、聚-醚-二苯基-醚-苯基-砜-二苯基-砜-苯基-、聚-醚-苯 基-砜-苯基-醚-苯基-砜-二苯基-砜-苯基-、和聚-醚-苯基-醚-苯基-砜-二 苯基-讽-苯基"ο优选的聚醚酰亚胺包括可包括下式的重复单元的芳族聚醚酰亚胺。
权利要求
一种固结预浸料的方法，所述方法包括(i)将膜设置成邻近待固结的预浸料；和(ii)施加力以固结所述预浸料，其中所述膜成为连接至所述预浸料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中固结的预浸料在包括至少部分由所述膜的材料定 义的外表面或内表面的方法中制成。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述膜具有在5μ m至750 μ m范围 内的厚度；并且所述膜的抗刺穿力为至少10kJ/m2。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述膜包括至少95wt%的单一树脂。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述膜包括选自以下物质的材料聚芳醚 酮、聚芳醚砜、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚酰胺、聚烯烃和第一聚合物，所述第一聚合物具有 下式的部分和/或具有下式的部分和/或具有下式的部分III其中，m、r、S、t、V、W和Z独立地表示零或正整数，E和E’独立地表示氧或硫原子或直 连键，G表示氧或硫原子、直连键或-O-Ph-O-部分，其中Ph表示苯基并且Ar选自以下部分 之一(i)至(iv)，经由其苯基部分中的一个或多个键合至相邻的部分
6.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述膜包括选自聚醚醚酮、聚醚酮、聚醚酮 醚酮酮和聚醚酮酮的第一聚合物。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述膜的熔点高于或等于在如下区域中的 所述预浸料中的树脂的熔点所述区域为所述膜在所述方法中成为连接至所述预浸料的区 域。
8.根据权利要求5或权利要求6所述的方法，其中所述膜基本上由所述第一聚合物组成。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述预浸料包括热塑性树脂或热固性树脂 和纤维增强体。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述预浸料的所述热塑性树脂选自聚烯烃、聚酰 胺、聚芳醚酮、聚苯硫醚、聚醚酰亚胺、聚芳醚砜、聚酰胺、液晶聚合物和权利要求5所述的 第一聚合物。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述膜被设置成对所述预浸料施加力以将其固结。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述预浸料的温度在所述固结过程中被 升高至超过300°C。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述膜被选择用作装袋膜并且被设置成 邻近待固结的预浸料；且所述膜随后被促使紧贴所述预浸料以促进其固结。
14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中所述膜被设置以定义气体贮器，所 述气体贮器被设置在由预浸料定义的封闭结构内。
15.根据任一前述权利要求所述的方法，其中在预浸料被固结时，将其设置成定义中空 结构。
16.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其中所述膜被设置在模具上或其他制 造工具上并且预浸料被置于所述膜上。
17.—种制造复合材料的方法，所述方法包括按照任一前述权利要求所述的方法固结 预浸料。
18.一种保护固结的预浸料的表面的方法，所述方法包括 (i)将膜设置成邻近待固结的预浸料；和( )施加力以固结所述预浸料，其中所述膜成为连接至所述预浸料。
19.一种组件，其包括权利要求17所述的复合材料。
20.一种固结的预浸料，其包括在所述预浸料的表面上的膜层。
21.根据权利要求20所述的预浸料，其中所述膜包括聚醚醚酮。
22.根据权利要求20或权利要求21所述的预浸料，其中所述预浸料包括与纤维增强体 结合的聚醚醚酮；和也包括聚醚醚酮的膜层。
23.根据权利要求20至22中任一项所述的预浸料，所述预浸料包括具有低于300°C的 降解温度的预浸料树脂，所述固结的预浸料包括膜层，其中所述膜包括具有至少高于使用 的所述树脂的降解温度50°C的熔点的树脂。
24.根据权利要求20至23中任一项所述的预浸料，其中所述膜层设置在朝内的表面上。
25.根据权利要求20至24中任一项所述的预浸料，其中所述固结的预浸料包括热塑性 树脂。
26.—种中空结构，所述中空结构不包括提供进入所述中空结构的内部区域的开口并 且在所述结构中不包括已被填充或否则被阻塞的开口并且在定义所述中空结构的任意两 部分之间不包括接合点，其中所述结构包括膜层和包含树脂与纤维增强体两者的层。
27.一种制造中空结构的方法，所述中空结构包括在其内表面上的膜层，所述方法包括选择根据权利要求26所述的中空结构；和在所述中空结构中形成开口以提供从所述 结构的外部进入内部的方式。
28.—种中空结构，所述中空结构包括提供进入所述中空结构的内部区域的一个或多 个开口，其中所述结构在其内表面上包括膜层。全文摘要
在预浸料的固结中使用聚醚醚酮膜以便该膜被结合到固结的预浸料中，定义了固结的预浸料的外层并因此提供具有有利性能的固结的预浸料。在一个实施方案中，膜可用作装袋材料。在该实施方案中，预浸料被定位在模具中以定义复合材料(20)的前体。装袋膜(22)被设置靠近所述预浸料，并经端口18施加真空以抽空预浸料与膜(22)之间的空间并使用感应加热以使预浸料中的树脂熔化。此外，膜(22)屈服并拉长然后该拉伸的膜将覆盖预浸料且作为装袋材料。另一实施方案解决了在制造中空制品中可膨胀的囊状物的放入和/或取出问题并利用了充气的热塑性的袋。
文档编号B29C70/44GK101965259SQ200980106761
公开日2011年2月2日 申请日期2009年2月11日 优先权日2008年2月29日
发明者艾伦·伍德 申请人:英国威克斯制造有限公司