高性能热塑性复合材料层压制件及其制造的复合材料结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明总体涉及复合材料层压制件和由其制造的复合材料结构，尤其涉及高性能 热塑性复合材料层压制件，由其制造的复合材料结构，以及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 复合材料的应用往往仅限于作为承受低到中等结构性负载的部件。然而，为了满 足航空航天和普通运输需求中诸如对耐腐蚀性、阻燃性、抗烟性和/或耐毒性的要求，需要 轻量、低成本及高性能的复合材料。此外，上述需求，尤其是与阻燃性要求相关的需求，也存 在于与发电、建筑、海陆运相关的领域，以及与诸如用于车辆或人员的护甲或防弹材料相关 的领域。
[0003] 本发明实施方式可克服上述问题并解决上述领域的需求。
【发明内容】
[0004] 根据本文所述的各个方面，提供一种耐火复合材料层压制件，包括由内嵌于该复 合材料层压制件基质内的纤维所加强的热塑性基质材料。所述耐火复合材料层压制件的热 塑性基质材料包括聚偏二氟乙烯（PVDF)。
[0005] 根据本文所述的其他方面，还提供一种耐火复合材料层压制件，包括由内嵌于该 复合材料层压制件基质内的纤维加强的聚合物基质材料。所述耐火复合材料层压制件的聚 合物基质材料包括聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚醚醚酮（PEEK)、聚苯硫醚（PPS)以及聚醚酰亚 胺（PEI)中的至少一种。
[0006] 根据本文所述的其他方面，还提供一种包括耐火复合材料层压制件的阻燃防弹板 体。所述复合材料层压制件包括由内嵌于该复合材料层压制件基质内的纤维所加强的耐火 聚合物基质材料，其中，所述阻燃防弹板体在投射物打击至该板体时，可针对该投射物达到 NIJ标准护甲等级II-A、II、III-A、III及IV所规定的防护等级中的至少一种。
[0007] 根据本文所述的其他方面，还提供一种具有第一面和第二面的阻燃防弹板体，该 板体包括击打面部分，该击打面部分包括多个第一层片，每个所述第一层片均包括置于第 一聚合物基质材料内的纤维，所述第一聚合物基质材料包括第一阻燃树脂。所述阻燃防弹 板体还包括与所述击打面部分相邻的支撑部分，该支撑部分包括多个第二层片，每个所述 第二层片均包括位于第二聚合物基质材料内的纤维，所述第二聚合物基质材料包括第二阻 燃树脂，其中，每一层片均与相邻层片相粘合。
【附图说明】
[0008] 图1为包括芯体的根据实施方式的高性能复合材料结构立体示意图。
[0009] 图1A为图1所示高性能复合材料结构的放大示意图。
[0010] 图2为图1所示根据实施方式的芯体的立体示意图。
[0011] 图3为可作为根据实施方式的所述复合材料结构层压制件的层体/层片的非限制 性实施例示意图。
[0012] 图4为用于制造诸如根据实施方式的所述复合材料结构的复合材料层压制件的 装置的总体示意图。
[0013] 图5为包括根据实施方式的复合材料结构和/或层压制件的冷藏拖车后视图。
[0014] 图6为包括根据实施方式的复合材料结构和/或层压制件的航空货运集装箱立体 图。
[0015] 图7为包括根据实施方式的复合材料结构和/或层压制件的铁路货运集装箱立体 图。
[0016] 图8为包括根据实施方式的复合材料结构和/或层压制件的联运集装箱立体图。
[0017] 图9所示为包括根据实施方式的复合材料结构和/或层压制件的电池外壳。
[0018] 图10所示为包括根据实施方式的复合材料结构和/或层压制件的电池盒。
[0019] 图11为根据实施方式的阻燃防弹板体的部分剖面立体示意图。
【具体实施方式】
[0020] 本文中，发明人根据实施方式描述了高性能热塑性复合材料层压制件、由其制成 的高性能复合材料结构以及制造此类层压制件及结构的方法。此类高强度层压制件及结构 可提供一需求度极高的解决方案。其原因在于，发明人已进一步确定，可满足例如航天航空 应用中的某些需要的某些树脂非常昂贵且难于加工，该树脂生产中通常需要特殊工艺，而 且还需后处理工艺才能制得成品。例如，市售烯烃树脂中掺杂阻燃添加剂后通常会导致性 能损失，该损失的程度通常使得所制得最终结构的机械性能显著降低。此外，此类材料通常 无法满足航空航天及其他运输行业的阻燃要求。因此，根据本发明实施方式，发明人已确定 如何诸如通过在热塑性基质中将高性能阻燃树脂的性能与高强度纤维相结合，从而生成在 机械特性方面具有高性能的复合材料，而且同时实现耐腐蚀性以及不产生火、烟以及毒性 的能力（例如，对火、烟及有毒物质的强抵抗性/阻滞性），从而满足工业需求。
[0021] 如下文中进一步详述的，根据实施方式，公开一种由连续纤维加强的热塑性材料 所构成的复合材料，该材料易于制造，而且提供尚强度重量比、尚耐冲击性、尚耐疲劳性、尚 耐化学腐蚀性、高耐温性、高阻燃性和/或低毒或无毒性，以及提供诸如商业用途所需的其 它特性。此外，还如下文中进一步详述的，本发明实施方式中优选纳入了对诸如E玻璃纤维 及S玻璃纤维等高强度纤维以及聚偏二氟乙烯（PVDF)树脂的使用，以满足对诸如高性能单 条带型层压制件、层片型层压制件和/或夹芯板等形式的要求，从而例如提供可满足诸如 航空航天领域要求的不致火、不生烟、无毒性的复合材料产品。此外，已经确定的是，例如 碳、酰胺、玄武岩和硼等材料也适合且优选应用于本文所公开的复合物材料。
[0022] 发明人已进一步确定，在本文所公开的层压制件的构造中使用单向条带可提高所 述复合材料的机械性能，使其优于例如传统编织型层压制件的机械性能。此外，使用诸如玻 璃纤维等纤维可实现以低成本材料取代（如50%至85%质量百分比）旨在满足抗烟、耐火 及耐毒性要求而使用的部分高成本树脂（如PVDF)，并且可实现所需的机械性能。然而，需 进一步注意的是，如下文所述，本文所公开的所述层压制件在采用条带型层压制件以及层 片型层压制件等形式时，可实现提供强度及降低致火性的能力。一般而言，根据实施方式， 本文所公开的所述高强度加强型热塑性材料及结构包括热塑性基质材料、高强度加强纤维 以及必要时可采用的其它加强材料的组合。
[0023] 现在参照附图，本文所公开的一个方面涉及一种如图1和图1A所示的复合材料结 构10,包括：第一外层体/皮层12 ;第二外层体/皮层14 ;以及夹置于第一外层体12和第 二外层体14之间的芯体16。需要注意的是，芯体16并不一定需直接抵靠第一外层体12和 /或第二外层体14。举例而言，如图1和图1A所示，还可在第一外层体12和第二外层体14 之间设置至少一个中间层体/皮层17。因此，根据实施方式，芯体16可例如夹置于两个中 间层体17之间。此外，根据需求，还可使用更多或更少的中间层体17。作为另一可替代方 案，还可不使用中间层体17。
[0024] 需首先注意的是，虽然结构10在图1和图1A中示为大致呈正方形的复合材料"夹 芯板"，然而复合材料结构10的结构并不限于此。根据最终用途制品，复合材料结构10可 制成任何合适的形状、大小、厚度等。因此，包括所述层体/诸如其内的层压制件12、14和 17,以及芯体16的复合材料结构10可制成任何合适的形状、大小、厚度、尺寸等，而且可制 成任何合适的制品/产品结构。根据实施方式，下文在组分信息之后给出此类制品的更多 细节及示例。
[0025] 图1和图1A所示芯体16包括合适材料，通常为泡沫。根据一种实施方式，所述泡 沫包括聚偏二氟乙烯（PVDF)泡沫，例如Zotek品牌的PVDF泡沫。然而，需要注意的是，根 据实施方式，芯体16可包括任何合适材料，包括本文中所描述的例如用于层体12、14和17 的材料及其任意组合。
[0026] 就用于第一外层体12、第二外层体14、所述至少一个中间层体17以及其组合体和 构造体的材料而言，需提及的是以下非限制性材料和工艺。虽然以下提及了具体热塑性材 料，然而需要注意的是，包括第一和第二外层体12,14以及中间层体17的所述复合材料结 构10的实施方式可由任何带有或不带有额外加强物的合适纤维加强型热塑性树脂制成， 而且可包括任何合适的热塑性表层/层体。
[0027] 根据一种实施方式，图1和图1A所示"夹芯板"10可包括通过合适粘合剂施加（例 如粘合）至膨胀热塑性泡沫片（如芯体16)的相对面的多个层体或多层层压制件（如层体 12和/或14和/或17)。在一种实施方式中，施加至所述相对面的层体或层压制件中的 各层可由纤维加强的热塑性条带构成，该条带例如具有根据成品所需特性所设定的单向和 /或多轴纤维排列。根据本发明一极其适用的实施方式，公开一种板体，所述板体包括高强 度层体/皮层12,14以及芯体16,所述层体/皮层例如包括由高强度连续纤维（如玻璃纤 维）加强的PVDF树脂基质，所述芯体包括PVDF泡沫。在本文所公开的各结构中加入PVDF 材料可使最终结构和产品具有所需的耐火/阻火特性。
[0028] 根据实施方式，第一外层体12、第二外层体14和中间层体17中的至少一个包括 多个复合材料层片，所述多个复合材料层片至少包括第一复合材料层片和第二复合材料层 片，所述第一复合材料层片和第二复合材料层片中的每一个均包括位于热塑性基质内的多 条纤维，所述多个层片相互贴合，从而形成复合材料层压制件。根据某些实施方式，所述第 一外层体12、第二外层体14和中间层体17均包括上述构件。根据实施方式，所述层体12、 14、17以及芯体16中的至少一个包括PVDF。
[0029] 根据实施方式，第一外层体12、第二外层体14和中间层体17中的至少一个的复合 材料层压制件可包括相互粘合的一个或多个复合材料层片，而且通常至少为两个复合材料 层片，例如第一复合材料层片和第二复合材料层片。每个层片均包括多条纤维。所述第一 复合材料层片和第二复合材料层片中的每一个的所述多条纤维均浸渍有热塑性基质材料。
[0030] 根据实施方式，所述热塑性基质材料可包括任何具有适用于所述应用的热塑性质 的材料或材料组合，包括但不限于，可使最终复合材料具有所需耐火特性的聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚酰胺（尼龙）、聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮（PEEK)、 聚苯硫醚（PSS)、聚醚酰亚胺（PEI)、通用含氟聚合物以及其他工程树脂，其它热塑性聚合 物和/或其组合，例如具有所需特性的组合。
[0031] 在一种实施方式中，所述第一复合材料层片中的所述多条纤维大致相互平行，而 且所述第二复合材料层片中的所述多条纤维也大致相互平行。因此，根据一种实施方式，每 个层片的所述纤维均纵向排列（即彼此相互对齐）且在层片中整体连续延伸。根据实施方 式，本文中有时将复合材料层片称为层片或片材，而且依据所述纤维的纵向取向将其表述 为具有"单向"特征。
[0032] 根据本文所公开的其他实施方式，所述第一复合材料层片内的多条纤维与所述第 二复合材料层片内的多条纤维交叉排列（横切排列）。举例而言，第一复合材料层片内的 多条纤维与所述第二复合材料层片内的多条纤维交叉排列的角度为大于约〇°至约90°， 具体而言为约15°至约75°。还需注意的是，根据实施方式，上述角度还可以为0°至约 90。。
[0033] 此外，根据