包含具有阻挡层的粘弹性层的复合材料制品的制作方法

专利名称：包含具有阻挡层的粘弹性层的复合材料制品的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料制品，例如纤维增强的树脂基质复合层合材料或纤维增强塑料(FRP)基质复合层合材料，该复合材料制品包括介于纤维增强的树脂基质层之间并粘合到其上的粘弹性构造，该粘弹性构造包含至少一个粘弹性层和至少一个阻挡层。
背景技术：
使用纤维增强的树脂基质复合层合材料或纤维增强塑料(FRP)基质复合层合材料(“复合材料”)已在航空、汽车及其他运输行业的各种应用中被广为接受，因为它们具有重量轻、强度大和硬度高的特点。纤维增强的树脂基质复合层合材料到工业应用中实施背后的最大推动因素是重量减轻的有益效果和性能的提高。多种航空部件由玻璃纤维复合材料和碳纤维增强复合材料制成，该复合材料包括飞机机身部分和机翼结构。复合材料被用于制造飞机、风力发电机、汽车、体育用品、家具、公共汽车、卡车、船舶、火车车厢以及其他应用的许多部件，在这些应用中，材料的刚性、轻质、或部件的固结作用是有益的特性。最通常的情况是，纤维由碳、玻璃、陶瓷或芳族聚酰胺制成，树脂基质为有机热固性或热塑性材料。这些部件通常在真空和/或压力条件下制造的温度为20°C至180°C、偶尔高达230°C、 偶尔高达360°C。

发明内容
简而言之，本发明提供了纤维增强的树脂基质复合层合材料，所述材料包含纤维增强的树脂基质的第一层和纤维增强的树脂基质的第二层，其包含第一树脂基质和第二树脂基质；和介于纤维增强的树脂基质的第一层和纤维增强的树脂基质的第二层之间的粘弹性构造，其粘合到第一树脂基质和第二树脂基质，并包含i)至少一个粘弹性层；和ii)至少一个阻挡层。在一些实施例中，粘弹性层和阻挡层可以是同一层。在一些实施例中，粘弹性构造包含单层，该单层既是粘弹性层又是阻挡层。在一些实施例中，粘弹性构造为单层， 该单层既是粘弹性层又是阻挡层。在一些实施例中，至少一个粘弹性层在组成上与至少一个阻挡层不同。在一些实施例中，粘弹性层和阻挡层可以是同一层，也可以是不同的层。在一些实施例中，粘弹性构造包含至少两个阻挡层，该阻挡层在组成上与至少一个粘弹性层不同，并且其中所述至少两个阻挡层结合于所述第一树脂基质和所述第二树脂基质。在一些实施例中，所述一个或多个阻挡层可以基本上不可渗透有机溶剂、和/或基本上不可渗透水、和/或基本上不可渗透气体。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz 频率下测量的结果，所述粘弹性层的峰值阻尼率(TanS)可以为至少1.0。在一些实施例中，所述粘弹性构造另外包含至少一个固化的粘合剂层，所述至少一个固化的粘合剂层的组成与树脂基质的组成不同。在一些实施例中，一层或多层纤维增强的树脂基质层另外包含至少一个芯层，该芯层可以任选地包含泡沫、木材、或蜂窝构造。 在另一方面，本发明提供了制备纤维增强的树脂基质复合层合材料的方法，该方法包括以下步骤提供第一固化性纤维增强的树脂基质和第二固化性纤维增强的树脂基质，该基质包含第一固化性树脂基质和第二固化性树脂基质；提供粘弹性构造，该粘弹性构造包含至少一个粘弹性层和至少一个阻挡层；提供工具，该工具形状与所需的层合材料形状相反；将所述第一固化性纤维增强的树脂基质、粘弹性构造以及第二固化性纤维增强的树脂基质按如上顺序放置在工具中；以及固化所述固化性树脂基质，以制备纤维增强的树脂基质复合层合材料。在一些实施例中，所述粘弹性层和所述阻挡层可以是同一层。在一些实施例中，粘弹性构造包含单层，该单层既是粘弹性层又是阻挡层。在一些实施例中，粘弹性构造为单层，该单层既是粘弹性层又是阻挡层。在一些实施例中，至少一个粘弹性层在组成上与至少一个阻挡层不同。在一些实施例中，粘弹性层和阻挡层可以是同一层，也可以是不同的层。在一些实施例中，粘弹性构造包含至少两个阻挡层，该阻挡层在组成上与至少一个粘弹性层不同，并且其中所述至少两个阻挡层结合于所述第一树脂基质和所述第二树脂基质。在一些实施例中，所述一个或多个阻挡层可以基本上不可渗透有机溶剂、和/或基本上不可渗透水、和/或基本上不可渗透气体。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA 方法在IOHz频率下测量的结果，所述粘弹性层的峰值阻尼率(Tan δ )可以为至少1. 0。在一些实施例中，所述粘弹性构造另外包含至少一个固化的粘合剂层，所述至少一个固化的粘合剂层的组成与树脂基质的组成不同。在一些实施例中，一层或多层纤维增强的树脂基质层另外包含至少一个芯层，该芯层可以任选地包含泡沫、木材、或蜂窝构造。在另一方面，本发明提供了粘弹性构造，该粘弹性构造包含至少一个粘弹性层，该粘弹性层结合于至少一个阻挡层，其中所述至少一个阻挡层在组成上不同于所述至少一个粘弹性层。在一些实施例中，所述粘弹性构造包含至少两个阻挡层，所述至少两个阻挡层结合于粘弹性层，通常将所述粘弹性层夹在阻挡层之间。在一些实施例中，所述一个或多个阻挡层可以基本上不可渗透有机溶剂、和/或基本上不可渗透水、和/或基本上不可渗透气体。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，所述粘弹性层的峰值阻尼率(Tan δ )可以为至少1. 0。


图1为如以下实例所述的比较性复合材料制品的示意图。图2为如以下实例所述的根据本发明的包含粘弹性构造的复合材料制品的示意图。图3为如以下实例所述的根据本发明的包含粘弹性构造的复合材料制品的示意图。图4为如以下实例所述的根据本发明的包含粘弹性构造的复合材料制品的示意图。图5为如以下实例所述的根据本发明的包含粘弹性构造的复合材料制品的示意图。图6为如以下实例所述的根据本发明的包含粘弹性构造的复合材料制品的示意图。
具体实施例方式纤维增强的树脂基质复合层合材料或纤维增强塑料(FRP)基质复合层合材料 (“复合材料”)已在航空、汽车以及其他运输行业的各种应用中被广为接受，因为它们具有重量轻、强度大和硬度高的特点。粘弹性层可以被包含在复合材料部件中作为中间层，用于可以包括减振和降噪的目的。本发明在一些实施例中提供了复合材料制品，该复合材料制品具有至少一种中间粘弹性构造，该至少一种中间粘弹性构造具有至少一个粘弹性层和至少一个位于介于所述粘弹性层和所述复合材料基质之间的阻挡层。更通常，所述粘弹性构造包含至少两个阻挡层，在介于粘弹性层的每一面和复合材料基质之间存在至少一个阻挡层。在一些实施例中， 在所述制品内交错设有额外的粘弹性层和阻挡层。在替代实施例中，本发明提供了复合材料制品，该复合材料制品具有粘 弹性构造， 所述粘弹性构造具有至少两个中间粘弹性层，在粘弹性层之间设有至少一个阻挡层。在一些实施例中，在所述制品内交错设有额外的粘弹性层和阻挡层。粘弹件层任何合适的粘弹性材料均可以用于制备所述粘弹性层。可用的材料可以包括在美国专利公布No. 2008/0139722中所公开的那些，该专利的公开内容以引用方式并入本文。可用的材料可以包括得自3M公司(St. Paul，Minnesota, USA)的3M Ultra-Pure Viscoelastic Damping Polymer 242 (3M 超纯粘弹性阻尼聚合物 242)、3M Viscoelastic Damping Polymer Type 830 (3M 粘弹性阻尼聚合物 830 型)、3M Viscoelastic Damping Polymer 110 (3M 粘弹性阻尼聚合物 110)、VHB Adhesive Transfer Tapes 9469 (VHBb^A 合剂转移胶带9469)和300MP。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，可用的粘弹性层的峰值阻尼率(TanS)可以为至少0.20。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，可用的粘弹性层的峰值阻尼率 (Tan δ )可以为至少0. 30。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，可用的粘弹性层的峰值阻尼率(TanS)可以为至少0. 40。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，可用的粘弹性层的峰值阻尼率(Tan δ ) 可以为至少0. 60。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，可用的粘弹性层的峰值阻尼率(Tan δ )可以为至少0. 80。在一些实施例中，如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，可用的粘弹性层的峰值阻尼率(Tan δ )可以为至少1.0。阻挡层可以使用任何合适的阻挡层。在一些实施例中，聚合物阻挡层可以选自聚氨酯、聚脲、聚酯、聚酰亚胺、聚丁二烯、弹性体、环氧树脂、含氟聚合物、聚碳酸酯、以及以上物质的混合物。通常，聚合物阻挡层是这样一种材料，该材料能够被用于制造在真空和/或压力条件以及20°C至180°C温度下固化或成形且无过度流动或完整性损失的部件。在一些实施例中，聚合物阻挡层被完全固化。在一些实施例中，聚合物阻挡层被部分固化，通常至少被固化50%、更通常被固化至少60%、更通常被固化至少70%、更通常被固化至少80%、以及更通常被固化至少90%。在一些实施例中，聚合物阻挡层为热塑性塑料。每一层阻挡层的厚度通常为小于10密耳、更通常小于6密耳、更通常小于4密耳、更通常小于3密耳、更通常小于2密耳、更通常小于1密耳、在一些实施例中小于0. 75密耳、在一些实施例中小于0. 60 密耳、在一些实施例中小于0. 50密耳、在一些实施例中小于0. 25密耳、在一些实施例中小于0. 10密耳、在一些实施例中小于0. 05密耳、以及在一些实施例中小于0. 01密耳。每一层阻挡层的厚度通常为至少0.001密耳。通常，阻挡层为基本上不可渗透气体。更通常，阻挡层在作为部件制造复合材料的过程后一直为基本上不可渗透气体。在一些实施例中，基本上不可渗透气体是指透氧率为小于35cm3-mm/m7天/atm。通常，阻挡层为基本上不可渗透水。更通常，阻挡层在作为部件制造复合材料的过程后一直为基本上不可渗透水。在一些实施例中，基本上不可渗透水是指湿气蒸气传输率为小于30g/m2/天。通常，阻挡层基本上不能渗透有机溶剂。更通常，阻挡层在作为部件制造复合材料的过程后一直为基本上不可渗透有机溶剂。在一些实施例中，此类有机溶剂可以包括燃料、飞机燃料、润滑剂、液压液等等。在一些实施例中，基本上不可渗透有机溶剂是指在21°C和1个大气压下暴露于溶剂 7天后显示具有的重量增加或重量损失为小于10%。在一些实施例中，基本上不可渗透有机溶剂是指在21°C和1个大气压下暴露于二氯甲烷7天后显示具有的重量增加或重量损失为小于10%。在一些实施例中，基本上不可渗透有机溶剂是指在21°C和1个大气压下暴露于苄醇7天后显示具有的重量增加或重量损失为小于10%。在一些实施例中，基本上不可渗透有机溶剂是指在21°C和1个大气压下暴露于汽油7天后显示具有的重量增加或重量损失为小于10%。在一些实施例中，阻挡层为非导电层。更通常，阻挡层在作为部件制造复合材料的过程后一直为非导电层。阻挡层可任选地包含阻燃剂成分或添加剂。 在一些实施例中，阻挡层可以包含以下材料，例如聚乙烯、聚氨酯、聚碳酸酯和聚酰亚胺薄膜(包括得自DuPont Films (Buffalo, NY)的Kapton )。根据应用的需要，阻挡层可以是透明和无色的层，或包含着色剂，例如颜料或染料。阻挡层可以是这些材料的混合体，并且可任选地包含阻燃剂成分或其他添加剂，例如含紫外线吸收剂的聚氨酯/聚碳酸酯混合树月旨(以商品名 U933 得自 Alberdingk Boley GmbH. (Krefeld, Germany)) 在一些实施例中，阻挡层可以包含例如氟化聚合物的材料。在一些实施例中，阻挡层可以包含全氟化的含氟聚合物。在一些实施例中，阻挡层可以包含非全氟化的含氟聚合物，例如可以包含衍生自偏二氟乙烯(VDF)的互聚单元的聚合物。此类材料通常包含至少约3重量％的衍生自VDF的互聚单元，其可以是与其他烯键式不饱和单体的均聚物或共聚物，例如六氟丙烯(HFP)、四氟乙烯(TFE)、氯三氟乙烯(CTFE)、2_氯五氟丙烯、全氟烷基乙烯基醚、全氟二烯丙基醚、全氟-1，3-丁二烯、和/或其他全卤化单体并进一步地衍生自一种或多种含氢和/或非氟化的烯键式不饱和单体。此类含氟单体也可以与不含氟的末端不饱和烯属共聚单体(例如乙烯或丙烯)共聚。可用的烯键式不饱和单体可以包括烯属烃单体，例如1-氢五氟丙烯、2-氢五氟丙烯等。此类含氟聚合物可以包括四氟乙烯-六氟丙烯_偏二氟乙烯三聚物和六氟丙烯_偏二氟乙烯共聚物。可用的市售含氟聚合物材料可以包括(例如)可得自 Dyneon LLC (Oakdale, MN)的 THV200、THV400、和 THV500 含氟聚合物，可得自 Solvay Polymers Inc. (Houston, TX)的 SOLEF 11010 和 SOLEF 11008，可得自 Arkema Inc. (Philadelphia,PA)的 KYNAR 禾口 KYNAR FLEX PVDF，以及可得自 DuPont FiIms (Buffalo, NY)的TEFZEL LZ300含氟聚合物。此类额外的市售含氟弹性体材料包括(例如)可得自 Dyneon LLC(Oakdale, MN)的 FC-2145、FC-2178、FC-2210X、FC-2211 和 FC-2230，以及可得自 Solvay Polymers Inc. (Houston, TX)的 Technoflon 含氟弹性体。其他可用的氟化聚合物可以包括非全氟化的聚合物，其可以包括聚氟乙烯，例如可得自 DuPont Films (Buffalo, NY)的TEDLAR TAW15AHS。也可使用含氟聚合物的共混物来制备本发明的阻挡层。这种类型的市售含氟化合物材料包括(例如)以商品名DXFilm得自Denki Kagaku Kogyo Kabushiki Kaisha(Tokyo, JAPAN)的聚偏二氟乙烯合金薄膜。可以使用两种不同类型的非全氟化的含氟聚合物的共混物，以及非全氟化的含氟聚合物与全氟化的含氟聚合物的共混物。此外，也可使用含氟聚合物与非含氟聚合物的共混物，例如聚氨酯和聚乙火布ο可通过任何合适的方法制备本发明中使用的阻挡层，其可以包括浇铸法和挤出法。在一些实施例中，根据应用的需要，阻挡层可以是透明和无色的层、或可以包含着色剂，例如颜料或染料。通常，着色剂为无机颜料，例如在美国专利No. 5，132，164中所公开的那些。在一些实施例中，可将所述颜料掺入到一种或多种非氟化聚合物中，所述非氟化聚合物可与一种或多种氟化聚合物混合。在一些实施例中，所述阻挡层可以在涂饰剂和/或颜色上与现有的嵌花或涂料色彩设计相匹配。可任选地是，可以处理该表面中的至少一个，以允许与相邻层粘结。此类处理方法包括电晕处理，特别是如美国专利No. 5，972，176 (Kirk等人)中所公开的，其中电晕放电条件为含氮气氛中，并包含约0. 1体积％至约10体积％的选自氢气、氨气以及它们的混合物的添加气体。另一种可用的处理方法包括使用钠-萘的化学蚀刻。此类处理方法在以下文献中有所公开Polymer Interface and Adhesion, Souheng Wu, Ed. , Marcel Dekker, Inc.，NY and Basel, pp. 279-336 (1982)(聚合物界面与粘合，Souheng Wu 编辑， Marcel Dekker, Inc. (NY and Basel)，第 279-336 页(1982 年))以及 Encyclopedia of Polymer Science and Engineering,Second Edition,Supplemental Volume, John Wiley & Sons，pp. 674-689(1989)(聚合物科学和工程百科全书，第2版，补充卷，John Wiley &Sons，第674-689页(1989年))。另一种可用的处理方法为可得自Acton Industries, Inc. (Pittston，PA)的FLUOROETCH工艺。其他可用的对含氟聚合物进行表面改性的处理方法包括在存在含氟聚合物的情况下将吸光电子供体暴露于光化辐射中，如美国专利 No. 6，630，047 (Jing等人)和美国专利No. 6，685，793 (Jing等人)中所公开的那些。其他处理方法包括将此类材料用作底漆。这些方法可以用来替代或补充上述表面处理方法。可用底漆的实例为 ADHESION PR0M0TER#86A(增粘剂 #86A)(可得自 Minnesota Mining and Manufacturing 公司(St. Paul，MN)的液态底漆)。粘弹件构造可以使用任何合适的方法制备根据本发明的粘弹性构造。通常，使用任何合适的方法接合一 个或多个粘弹性层和一个或多个阻挡层，包括层合、通过加入粘合剂层进行粘合剂粘结、通过阻挡层或粘弹性层自身的粘合性进行粘合剂粘结等。通常，使粘弹性构造层在用于制造复合材料制品之前相接合，然而，在一些实施例中，这些层在制造复合材料制品的过程中变为接合到一起。在一些实施例中，单独的材料可以既用作阻挡层又用作粘弹性层。一些这样的实施例可以包括单层材料。在一些实施例中，一个或多个阻挡层和一个或多个粘弹性层是不同 的材料。在一个实施例中，本发明提供了粘弹性构造(分层制品)，该构造具有至少一个与至少一个阻挡层层合的粘弹性层、更通常具有至少一个层合在至少两个阻挡层之间的粘弹性层，本发明还提供了在复合材料部件的制造中使用该制品的方法，以及用这样的层合制品制成的复合材料部件。在一些实施例中，所述分层制品可以包含单层聚合物阻挡层和单层粘弹性层。在一些实施例中，所述分层制品可以具有夹在两层阻挡层之间的单层粘弹性层。在一些实施例中，所述分层制品可以具有不止一层聚合物阻挡层。在一些实施例中，所述分层制品可以具有不止一层粘弹性层。在一些实施例中，所述分层制品不包含填充材料。在一些实施例中，所述分层制品不包含无机填充材料。在一些实施例中，所述分层制品不包包含机填充材料。在一些实施例中，所述分层制品不包含纤维填充材料。在一些实施例中，所述分层制品不包含非纤维填充材料。在一些实施例中，所述分层制品不包含颗粒填充材料。在一些实施例中，所述分层制品不包含任何纤维稀松布，例如织造稀松布或非织造稀松布。复合材料制品可以使用任何合适的方法制备根据本发明的复合材料制品。通常，使用固化性纤维增强的树脂基质预浸材料，然而，在其他实施例中，可以在复合材料制品的制造中使树脂基质和纤维增强材料结合。可以使用任何合适的纤维或基质材料，该材料中的多种都是本领域已知的材料。通常，使用模具或指定形式的工具，该工具的形状与所需的层合材料形状相反。通常，在工具中放置一种或多种固化性纤维增强的树脂基质，然后是粘弹性构造或其元件，再后是一种或多种额外的(第二)固化性纤维增强的树脂基质。之后，使用本领域已知的方法固化该放置物。在一些实施例中，所述复合材料制品另外具有至少一个芯层。在一些实施例中，所述芯层可以具有泡沫、木材、或蜂窝构造。此类芯层可以在复合材料制品的制造中被放置在固化性纤维增强的树脂基质层之间。在一些实施例中，所述分层制品不具有这样的芯层。本发明的目的和优点通过以下实例进一步说明，但这些实例中提到的具体材料及其用量以及其他的条件和细节，不应解释为是对本发明的不当限制。实例除非另外说明，否则所有的试剂均得自或可得自Aldrich Chemical Co. (Milwaukee, WI)，或可通过已知的方法合成。TJ^j复合材料部件的一般加工和装袋按照以下方式制备用于固化的具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。将具有2B光洁度的12号不锈钢合金304裁剪成2英尺X 2英尺大小，以制造平坦工具。将1 密耳PTFE未穿孔隔离膜(以商品名HTF-621得自Northern Fiber Glass Sales, Inc.)施加到工具，再通过施加在隔离膜边角处的耐热带材将隔离膜附连在工具上。按实例文本中所述的顺序和布置方法将每一层材料施加到工具。层用手将每一层逐层施加到工具，中间无衬垫，使直径为1. 5英寸的木辊在最上层上方通过，同时通过手压的方式向辊施加压力使每一层与此前的一层或多层固结。在每个向前层片之后，用下述穿孔隔离膜层覆盖所述部件和工具，然后再覆盖下述透气层片，然后在3M制造的Scotchlite Vacuum ApplicatorModel VAL-I (VAL-1型Scotchlite 真空施加器)中以全真空和3分钟时间将部件压实到工具，然后将透气层片和穿孔隔离膜移除，再向部件添加额外的层片。使用Pilot Silver Marker (Pilot Silver记号笔)沿着部件暴露面的一条边缘标上独特的标识符，来持久标记每一个试样块。将以商品名A5000得自Richmond Aircraft Products的穿孔隔离膜无褶皱地施加，以便完全覆盖试样块的暴露面。将1个热电偶附接到试样块2英寸内的工具。 将未穿孔的隔离膜层施加到下述高压釜床，以覆盖设置工具的区域。将工具和部件设置在下述高压釜床上，向高压釜床直接施加连续的真空袋密封胶带珠，从而胶带到工具的距离为至少3英寸。折叠或裁净真空袋密封胶带之外在高压釜床上暴露的未穿孔隔离膜。将非织造聚酯10盎司/平方码毡状透气层片(以商品名RC-3000-10得自Richmond Aircraft Products)覆盖在部件和工具之上以及覆盖到高压釜床上，使得其在所有侧上都延伸到真空袋密封胶带2英寸内。将3密耳的高温尼龙装袋薄膜(以商品名HS8171得自Richmond Aircraft Products)松散地设置在高压釜床上方，以覆盖部件和工具并在所有侧上都延伸到或超出所述真空袋密封胶带。在真空袋中的透气层片上方安装至少1个真空口组件，通过将薄膜靠压真空袋密封胶带，使真空袋沿所有边缘密封到高压釜床。复合材料部件的高压固化按照以下方式固化具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。根据“复合材料部件的一般加工和装袋”制备用于固化的每一个具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。在下述高压釜中，将真空口组件附接到真空系统，在全真空下将所述部件、工具、隔离膜和透气层片固结5分钟。将热电偶附接到高压釜中的控制系统。然后将所述部件在控制的温度和压力条件下，在两个高压釜(一个由Thermal Equipment Corporation制造，另一个由ASC Process Systems制造)之一中使用下述温度和压力曲线进行固化。将高压釜的内部的压力增加到60psi，当高压釜中的压力达到15psi时，移除通往真空口组件的真空，并以5下/分钟的速率来增加温度，直至隔热层热电偶的温度达到177°C。将压力维持在介于 60psi和70psi之间、温度维持在介于177°C和182°C之间持续120分钟。以5 °F /分钟的控制的速率降温，直至隔热层热电偶的温度达到44°C。将压力维持在介于60psi和70psi 之间，直至隔热层热电偶的温度达到66°C，然后将高压釜中的压力释放到大气环境。将固化的复合材料标本从高压釜、袋和工具中移除。
复合材料部件的低压小时固化按照以下方式固化具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。根据“复合材料部件的一般加工和装袋”制备用于固化的每一个具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。在下述高压釜中，将真空口组件附接到真空系统，在全真空下将所述部件、工具、隔离膜和透气层片固结5分钟。将热电偶附接到高压釜中的控制系统。然后将所述部件在控制的温度和压力条件下，在两个高压釜(一个由Thermal Equipment Corporation制造，另一个由ASC Process Systems制造)之一中使用下述温度和压力曲线进行固化。将高压釜的内部的压力增加到45psi，当高压釜中的压力达到15psi时，移除通往真空口组件的真空，并以5下/分钟的速率来增加温度，直至隔热层热电偶温度达到177°C。将压力维持在介于 40psi和50psi之间、温度维持在介于177°C和182°C之间持续90分钟。以5 °F /分钟的控制的速率降温，直至隔热层热电偶的温度达到44°C。将压力维持在介于40psi和50psi之间，直至隔热层热电偶的温度达到66°C，然后将高压釜中的压力释放到大气环境。将固化的复合材料标本从高压釜、袋和工具中移除。复合材料部件的低压2小时固化按照以下方式固化具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。根据“复合材料部件的一般加工和装袋”制备用于固化的每一个具有固化性环氧粘合剂树脂的复合材料标本。在下述高压釜中，将真空口组件附接到真空系统，在全真空下将所述部件、工具、隔离膜和透气层片固结5分钟。将热电偶附接到高压釜中的控制系统。然后将所述部件在控制的温度和压力条件下，在两个高压釜(一个由Thermal Equipment Corporation制造，另一个由ASC Process Systems制造)之一中使用下述温度和压力曲线进行固化。将高压釜的内部的压力增加到45psi，当高压釜中的压力达到15psi时，移除通往真空口组件的真空，并以5下/分钟的速率来增加温度，直至隔热层热电偶温度达到177°C。使压力维持在介于 40psi和50psi之间、温度维持在介于177°C和182°C之间持续120分钟。以5 °F /分钟的控制的速率降温，直至隔热层热电偶的温度达到44°C。将压力维持在介于40psi和50psi 之间，直至隔热层热电偶的温度达到66°C，然后将高压釜中的压力释放到大气环境。将固化的复合材料标本从高压釜、袋和工具中移除。一般层合将所述构造中的各层按照下述组合、顺序和数量结合在一起。在层合过程中，使可移除的载体与配合面分离。在环境条件(22°C，50相对湿度％)下，以2.5英尺/分钟的速率将这些层送入G印pert Engineering Inc.生产的层合机(使用4英寸橡胶辊)辊隙中进行层合。中间组件实例聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层200按以下方式提供聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层。制备聚合物溶液。更具体地讲，将100 份透明的含3%紫外线吸收剂的聚氨酯/聚碳酸酯树脂(以商品名U933得自Alberdingk) 以及1. 5份的多官能氮丙啶交联剂(以商品名Neocryl CX-100得自Neoresins Inc.)加入容量为1升的窄口瓶中。在环境条件(22°C，50相对湿度％ )下，使用木质压舌板搅拌溶液3分钟进行混合。然后将最终的聚合物溶液倾注到未经处理的2密耳透明聚酯薄膜上， 并使用床上刮刀涂布工位进行涂覆。将介于刀和床之间的间隙设定为比聚酯载体纤维网的厚度大1.5密耳。在一台由Dispatch Oven公司制造的9立方英尺的通风循环炉中，将被涂覆的背衬在55°C下干燥1小时。干燥后，聚氨酯/聚碳酸酯薄膜的厚度为大约0. 5密耳。 于是获得透明的紫外吸收性聚氨酯/聚碳酸酯薄膜。含氟弹性体阻挡层210按以下方式提供含氟弹性体阻挡层。制备聚合物溶液。更具体地讲，在容量为1 升的窄口瓶中，将1重量份的得自Dyneon 的DyneonTMFluoroelastomer FC2178透明含氟弹性体树脂溶于4重量份的MEK中。然后将最终的聚合物溶液倾注到经硅树脂处理过的4 密耳纸衬片表面上，并使用床上刮刀涂布工位进行涂覆。介于刀和床之间的间隙设定为产生1密耳干膜。在一台由Dispatch Oven公司制造的9立方英尺的通风循环炉中，将被涂覆的背衬在55°C下干燥1小时。于是获得透明的、紫外线稳定的、抗流体的含氟弹性体薄膜。
在粘弹性材料(VEM)层的每一侧都具有含氟聚合4勿阻挡Hl的粘弹性构造10参照图2，提供了粘弹性材料300和聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层200，并用于制备改进的粘弹性构造10。更具体地讲，如上文“一般层合”所述组装并层合以下材料。首先，将根据上述“聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层”的1/2密耳厚的阻挡层200接合到2密耳厚的粘弹性阻尼聚合物300的一侧，该粘弹性阻尼聚合物以商品名3M Viscoelastic Damping Polymers Type 830 (3M 粘弹性阻尼聚合物830型)得自3M公司，其如以剪切模式通过DMTA方法在 IOHz频率下测量的结果的峰值阻尼率(Tan δ )为大于1. 0。向所述2密耳粘弹性阻尼聚合物300的另一侧接合另一层根据上述“聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层”的1/2密耳厚的阻挡层 200。移除所有剩下的衬层和载体，从而提供3密耳厚的改进的粘弹性构造10。粘弹性材料300的特点是易于用手撕开，在自立式状态下不能够自行支撑，并且在环境条件(22°C， 50相对湿度％)下为非常发粘的材料。改进的粘弹性构造10的特点为具有非常大的弹性， 在自立状态下类似于薄膜，并且在环境条件(22°C，50相对湿度％)下缺乏粘着性。于是获得了非发粘的硬化粘弹性构造。在 VEM层的每一侧都具有含氟聚合4勿阻挡Hl的粘弹性构造12参照图5，提供了粘弹性材料300和含氟弹性体阻挡层210，并用于制备改进的粘弹性构造12。更具体地讲，如上文“一般层合”所述组装并层合以下材料。首先，将根据上述“含氟弹性体阻挡层”的1密耳厚的阻挡层210接合到2密耳粘弹性阻尼聚合物300的一侧，该粘弹性阻尼聚合物以商品名3M Viscoelastic Damping Polymers Type 830 (3M 粘弹性阻尼聚合物830型)得自3M。向所述2密耳粘弹性阻尼聚合物300的另一侧接合另一层根据上述“含氟弹性体阻挡层”的1密耳厚的阻挡层210。移除所有剩下的衬层和载体， 从而提供4密耳厚的改进的粘弹性构造12。粘弹性材料300的特点是易于用手撕开，在自立状态下不能够自行支撑，并且在环境条件(22°C，50相对湿度％ )下为非常发粘的材料。 改进的粘弹性构造12的特点是具有非常大的弹性，在自立状态下类似于薄膜，并且在环境条件(22°C，50相对湿度％ )下缺乏粘着性。于是获得了非发粘的硬化粘弹性构造。在 VEM 层的每一侧都具有含氟聚合4勿阻挡Hl的粘弹性构造13参照图6，提供了粘弹性材料300和含氟聚合物阻挡层211，并用于制备改进的粘弹性构造13。更具体地讲，如上文“一般层合”所述，组装并层合以下材料。首先，将以商品名DX Film得自Denka的30微米厚的阻挡层偏聚二氟乙烯合金薄膜211接合到2密耳粘弹性阻尼聚合物300的一侧，该粘弹性阻尼聚合物以商品名3M Viscoelastic Damping Polymers Type 830 (3M 粘弹性阻尼聚合物830型)得自3M。向所述2密耳粘弹性阻尼聚合物300的另一侧接合另一层以商品名DX Film得自Denka的30微米厚的阻挡层偏聚二氟乙烯合金薄膜211。移除所有剩下的衬层和载体，从而提供4密耳厚的改进的粘弹性构造 13。粘弹性材料300的特点是易于用手撕开，在自立状态下不能够自行支撑，并且在环境条件(22°C，50相对湿度％ )下为非常发粘的材料。改进的粘弹性构造13的特点是具有非常大的弹性，在自立状态下类似于薄膜，并且在环境条件(221，50相对湿度％)下缺乏粘着性。于是获得了非发粘的硬化粘弹性构造。在两层 VEM 层的每一侧以及两者间都具有含氟聚合4勿阻挡Hl的粘弹性构造11参照图3，提供了粘弹性材料300和粘弹性材料301以及聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层200，并用于制备多层改进式粘弹性构造11，每一种粘弹性材料都具有在不同温度下适应阻尼不同频率的性质。更具体地讲，如上文“一般层合”所述组装并层合以下材料。首先， 将根据上述“聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层”的1/2密耳厚的阻挡层200接合到2密耳厚的粘弹性阻尼聚合物膜300的一侧，该粘弹性阻尼聚合物以商品名3M Viscoelastic Damping Polymers Type 830 (3M 粘弹性阻尼聚合物830型)得自3M。向所述2密耳粘弹性阻尼聚合物膜300的另一侧接合另一层根据上述“聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层”的1/2密耳厚的阻挡层200。向该阻挡层200接合以商品名3M Adhesive Transfer Tape 300MP(3M 粘合剂转移胶带300MP)得自3M公司的2密耳厚的粘弹性丙烯酸阻尼薄膜301。向粘弹性丙烯酸阻尼薄膜301的另一侧接合另一层根据上述“聚氨酯/聚碳酸酯阻挡层”的1/2密耳厚的阻挡层200。移除所有剩下的衬层和载体，从而提供5. 5密耳厚的多层改进式粘弹性构造 11。粘弹性材料300和301的特点是易于用手撕开，在自立状态下不能够自行支撑，并且在环境条件(22°C，50相对湿度％ )下为非常发粘的材料。改进的粘弹性构造11的特点是具有非常大的弹性，在自立状态下类似于薄膜，并且在环境条件(22°C，50相对湿度％ )下缺乏粘着性。于是获得了非发粘的硬化多层粘弹性构造。固化实例(对时勿)mm^Mm^mM^m^un50c- ^ yem m^-mmmmm^ 塑料(CFRP)参照图1，提供了浸渍有环氧树脂的碳纤维条带和粘弹性材料，并用于制备复合材料标本50C对比物。更具体地讲，如上文“复合材料部件的一般加工和装袋”所述组装并制备以下材料。首先对工具施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102(以商品名P2353U 19 152得自Toray)。然后施加2密耳粘弹性阻尼聚合物薄膜300，所述粘弹性阻尼聚合物以商品名 3M Viscoelastic Damping Polymers Type 830 (3M 粘弹性阻尼聚合物830 型) 得自3M公司。最后施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102 (以商品名P2353U 19 152得自Toray)。如上文“复合材料部件的高压固化”所述，对该组件中的固化性树脂进行固化。纤维增强的树脂基质复合层合材料51-CFRP以及在VEM层仵一侧的阻挡层参照图2，提供了浸渍有环氧树脂的碳纤维条带和改进的粘弹性构造，并用于制备复合材料标本51。更具体地讲，如上文“复合材料部件的一般加工和装袋”所述组装并制备以下材料。首先对工具施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102 (以商品名P2353U 19 152得自Toray)。然后施加3密耳厚的改进的粘弹性构造10，其在粘弹性材料300的任一侧上都具有阻挡层200。最后施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102(以商品名P2353U 19 152得自Toray)。如上文“复合材料部件的高压固化”所述对该组件中的固化性树脂进行固化。纤维增强的树脂基质复合层材料52-CFRP以及在两层VEM层任一侧和两者间的
阻挡层参照图3，提供了浸渍有环氧树脂的碳纤维条带和多层改进式粘弹性构造，并用于制备复合材料标本52。更具体地讲，如上文“复合材料部件的一般加工和装袋”所述组装并制备以下材料。首先对工具施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102(以商品名 P2353U 19 152得自Toray)。然后施加5. 5密耳厚的多层改进式粘弹性构造11，其在两层粘弹性材料层301、300的任一侧上和两者间都具有阻挡层200。最后施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102(以商品名P2353U 19 152得自Toray)。如上文“复合材料部件的高压固化”所述，对该组件中的固化性树脂进行固化。震·白删旨細始■☆遍54- &細单耐阳·CFRP参照图4，提供了浸渍有环氧树脂的碳纤维条带和含氟弹性体材料，并用于制备复合材料标本54。更具体地讲，如上文“复合材料部件的一般加工和装袋”所述组装并制备以下材料。首先对工具施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102 (以商品名P2353U 19 152得自Toray)。然后根据上文“含氟弹性体阻挡层”所述，施加两层1密耳厚的含氟弹性体阻挡层薄膜210，将薄膜逐层叠加到2密耳的总厚度。最后施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102(以商品名P2353U 19 152得自Toray)。如上文“复合材料部件的高压固化”所述对该组件中的固化性树脂进行固化。纤维 曾强的树脂某质复合层合材料55-CFRP以及在VEMHH千一侧丨的含氟,弹件体阳. 档层参照图5，提供了浸渍有环氧树脂的碳纤维条带和改进的粘弹性构造，并用于制备复合材料标本55。更具体地讲，如上文“复合材料部件的一般加工和装袋”所述组装并制备以下材料。首先对工具施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102 (以商品名P2353U 19 152得自Toray)。然后施加4密耳厚的改进的粘弹性构造12，其在粘弹性材料300的任一侧上都具有含氟弹性体阻挡层210 (如上文的“含氟弹性体阻挡层”)。最后施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102 (以商品名P2353U 19 152得自Toray)。如上文“复合材料部件的高压固化”所述对该组件中的固化性树脂进行固化。
腿参照图6，提供了浸渍有环氧树脂的碳纤维条带和改进的粘弹性构造，并用于制备复合材料标本56。更具体地讲，如上文“复合材料部件的一般加工和装袋”所述组装并制备以下材料。首先对工具施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维102 (以商品名P2353U 19 152得自Toray)。然后施加4密耳厚的改进的粘弹性构造13，其在粘弹性材料300的任一侧上都具有含氟聚合物阻挡层211。最后施加4层片浸渍了环氧树脂的单向石墨纤维 102(以商品名P2353U 19 152得自Toray)。如上文“复合材料部件的高压固化”所述，对该组件中的固化性树脂进行固化。评价固化后，将得自纤维增强的树脂基质复合层合材料50C、51、52、54、55和56的试样块用金刚石锯裁剪成17. 5mmX6. Omm的标本。所有的样品在复合材料叠层内都具有减振层。使用一台TA Instruments动态机械热分析仪(DMTA)在多频率应变单悬臂模式下对每一个标本进行测试，测试频率为0. IHzU. OHzUOHz和100Hz，并以5°C的增量从_60°C至 60°C进行温度扫描。使用损耗角正切特性来度量构造的减振能力。表1记录了最大损耗角正切值(峰值阻尼率TanS，或称峰值损耗角正切值)的测量结果。与没有阻挡层的50C对比物相比，具有阻挡层的实例显示具有的损耗角正切值增量为13%至293%。表 1DTMA测得的最大损耗角lH切倌
权利要求
1.一种纤维增强的树脂基质复合层合材料，其包括a)纤维增强的树脂基质的第一层，其包含第一树脂基质；b)纤维增强的树脂基质的第二层，其包含第二树脂基质；和c)粘弹性构造，所述粘弹性构造位于所述纤维增强的树脂基质的第一和第二层之间， 所述粘弹性构造结合于所述第一和第二树脂基质，其包含i)至少一个粘弹性层；和 )至少一个阻挡层；其中所述粘弹性层和阻挡层可以为同一层或可以为不同层。
2.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中所述粘弹性构造包含单层，所述单层既是粘弹性层又是阻挡层。
3.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中所述粘弹性构造为单层，所述单层既是粘弹性层又是阻挡层。
4.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中至少一个粘弹性层在组成上与至少一个阻挡层不同。
5.根据权利要求4所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中所述粘弹性构造包含至少两个阻挡层，所述至少两个阻挡层在组成上与至少一个粘弹性层不同，并且其中所述至少两个阻挡层结合于所述第一和第二树脂基质。
6.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透有机溶剂。
7.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透水、有机溶剂和气体。
8.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中如以剪切模式通过 DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，所述粘弹性层中的至少一个的峰值阻尼率(TanS)为至少1. 0。
9.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中所述粘弹性构造另外包含至少一个固化的粘合剂层，所述固化的粘合剂层的组成与所述树脂基质的组成不同。
10.根据权利要求1所述的纤维增强的树脂基质复合层合材料，其中所述纤维增强的树脂基质的第一和第二层中的至少一个另外包含至少一个泡沫、木材或蜂窝构造的芯层。
11.一种制备纤维增强的树脂基质复合层合材料的方法，其包括以下步骤a)提供第一固化性纤维增强的树脂基质，所述第一固化性纤维增强的树脂基质包含第一固化性树脂基质；b)提供第二固化性纤维增强的树脂基质，所述第二固化性纤维增强的树脂基质包含第二固化性树脂基质；c)提供粘弹性构造，所述粘弹性构造包含i)至少一个粘弹性层；和 )至少一个阻挡层；其中所述粘弹性层和阻挡层可以为同一层或可以为不同层；d)提供工具，所述工具的形状与所述层合材料的所需形状相反；e)将所述第一固化性纤维增强的树脂基质、粘弹性构造和所述第二固化性纤维增强的树脂基质按以上顺序放置在所述工具中；以及f)固化所述固化性树脂基质以制备纤维增强的树脂基质复合层合材料。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述粘弹性构造包含单层，所述单层既是粘弹性层又是阻挡层。
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述粘弹性构造为单层，所述单层既是粘弹性层又是阻挡层。
14.根据权利要求11所述的方法，其中至少一个粘弹性层在组成上与至少一个阻挡层不同。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述粘弹性构造包含至少两个阻挡层，所述至少两个阻挡层在组成上与至少一个粘弹性层不同，并且其中所述至少两个阻挡层结合于所述第一和第二树脂基质。
16.根据权利要求11所述的方法，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透有机溶剂。
17.根据权利要求11所述的方法，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透水、有机溶剂和气体。
18.根据权利要求11所述的方法，其中如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，所述粘弹性层中的至少一个的峰值阻尼率(TanS)为至少1.0。
19.根据权利要求11所述的方法，其中所述粘弹性构造另外包含至少一个固化的粘合剂层，所述至少一个固化的粘合剂层的组成与所述树脂基质的组成不同。
20.根据权利要求11所述的方法，其中所述纤维增强的树脂基质的第一和第二层中的至少一个另外包含至少一个泡沫、木材、或蜂窝构造的芯层。
21.—种粘弹性构造，其包括i)至少一个粘弹性层；所述至少一个粘弹性层结合于 )至少一个阻挡层；其中至少一个阻挡层在组成上不同于至少一个粘弹性层。
22.根据权利要求21所述的粘弹性构造，所述粘弹性构造包含至少两个阻挡层，所述至少两个阻挡层结合于粘弹性层。
23.根据权利要求21所述的方法，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透有机溶剂。
24.根据权利要求21所述的方法，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透水、有机溶剂和气体。
25.根据权利要求21所述的方法，其中如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，所述粘弹性层中的至少一个的峰值阻尼率(TanS)为至少1.0。
26.根据权利要求22所述的方法，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透有机溶剂。
27.根据权利要求22所述的方法，其中一个或多个所述阻挡层基本上不能渗透水、有机溶剂和气体。
28.根据权利要求22所述的方法，其中如以剪切模式通过DMTA方法在IOHz频率下测量的结果，所述粘弹性层中的至少一个的峰值阻尼率(Tan δ )为至少1. 0。
全文摘要
本发明提供了纤维增强的树脂基质复合层合材料，所述纤维增强的树脂基质复合层合材料包含纤维增强的树脂基质的第一层和纤维增强的树脂基质的第二层，所述纤维增强的树脂基质的第一层和所述纤维增强的树脂基质的第二层包含第一树脂基质和第二树脂基质；和位于介于所述纤维增强的树脂基质的第一层和所述纤维增强的树脂基质的第二层之间的粘弹性构造，所述粘弹性构造结合于所述第一树脂基质和所述第二树脂基质，并包含i)至少一个粘弹性层；和ii)至少一个阻挡层。在一些实施例中，所述粘弹性构造包含至少两个阻挡层，所述至少两个阻挡层在组成上与至少一个粘弹性层不同，并且其中所述至少两个阻挡层结合于所述第一树脂基质和所述第二树脂基质。在一些实施例中，所述一个或多个阻挡层可以基本上不可渗透有机溶剂、和/或基本上不可渗透水、和/或基本上不可渗透气体。
文档编号C08J5/24GK102307720SQ200980156369
公开日2012年1月4日 申请日期2009年12月15日 优先权日2008年12月15日
发明者拉里·S·赫伯特 申请人:3M创新有限公司