用于复合材料预浸料生产的新型液体基体浸渍方法和设备

本技术总体上涉及复合材料，更具体地，涉及用于浸渍基体材料的方法和设备以及获得的复合材料产品。

背景技术：

1、传统的纤维增强聚合物(fiber reinforced polymer，frp)复合材料由x-y平面上的增强纤维以及将纤维连接到一起的聚合物基体(matrix)组成。容易理解的是，在frp复合材料中，增强纤维可形成衬垫或织物结构，其中纤维以相互交叉、平行或组合关系定向，以形成具有大致为平面结构的衬垫或织物。随后应用聚合物填充纤维之间的空隙，以形成复合材料结构。这种传统的frp复合材料通常在增强纤维覆盖的方向上强度较高，但在没有任何纤维增强方向排列的其他方向上可能较弱。降低的强度通常对应于衬垫或织物结构的y和z方向，并且通常对应于穿过衬垫或织物结构厚度的方向。然而，根据平面结构的具体情况，降低的强度也可能对应于其他方向。

2、常见的碳纤维增强聚合物(carbon fiber reinforced polymer，cfrp)可能被连接到一起形成叠层结构，当在碳纤维所增强的方向测量强度时，该叠层结构相较于同重量的钢、铝和钛可具有更高的强度和硬度。该方向即与增强纤维所限定的x-y平面大致平行的方向。就这一点而言，可以理解的是，x方向通常是指沿着主要纤维增强方向的方向，这在单向织物中可以清楚地区分出来，而y方向则是垂直于x方向的次要平面方向。然而，典型的cfrp叠层材料在z方向(即垂直于由增强纤维限定的x-y平面的方向)的强度可能相对较低。在这一点上，z方向通常对应于复合材料的厚度维度，但也可能对应于任何其他维度，其取决于构成该复合材料的增强纤维的取向。在传统cfrp中该z方向上的脆弱性可能存在于增强纤维间的聚合物基体中，也可能存在于基体材料与纤维形成粘结接合的基体-纤维接合处。

3、在传统的cfrp中，复合材料的失效可能是层间失效(在两层之间(即两层纤维织物之间)失效)或层内失效(即在同一层内的纤维之间的空间内失效)。除了z向的机械强度降低外，传统cfrp可能还存在z方向上导热性低和导电性低的问题，这是因为沿z方向上缺乏延伸长度的纤维同时聚合物基体通常是热和电的良好绝缘体。

4、为了解决传统cfrp的缺点，许多研究人员在聚合物基体中加入纳米粒子(如碳纳米管或碳纳米纤维)以改善基体的机械、电学和热学性质。就此而言，“纳米纤维”应理解为包括“纳米管”、“纳米纤维”、“纳米杆(nanorods)”、“纳米管绳(nanoropes)”等类似物。然而，诸多此类添加的结果并没有显示出有明显改善而且缺乏一致性。本发明人推测，在cfrp中排列和如何放置纳米纤维可能对纳米纤维所带来的机械、热学和电学增强效果有重要影响。

5、本发明人已经研发了一种z-穿插cfrp(即，z-threaded cfrp，zt-cfrp)技术，该技术使用主要在z方向上定向的碳纳米纤维来解决与z方向相关的问题。示例性z-穿插cfrp和形成方法描述在共有的美国专利10,066,065b2和国际申请pct/us2015/033000中，所有这些教导通过引用的方式全文并入本文，如同在此完全阐述了它们的全部内容。如图1和图2所示，在z-穿插cfrp中，碳纳米纤维10沿z方向以穿插关系穿过碳纤维层纵向延伸，并与构成该层的结构碳纤维12、14形成三维(3d)增强纤维网络。仅作为示例而非限制，穿插纳米纤维可具有0.001至1微米的直径，并且可优选地具有0.05至0.15微米的直径，同时长度为10至1500微米，并且优选地为100至500微米。然而，若有需要，穿插纳米纤维可具有更大或更小的直径和/或长度。在示例的结构中，构成层的结构碳纤维12、14可具有大致对应于主要薄层维度的延伸长度，其直径约为0.5至100微米，更优选地为1至10微米。若有需要，结构碳纤维可具有更大或更小的直径和/或长度。

6、在示例性的三维增强纤维网络中，结构碳纤维12、14在x-y平面上排列，例如以衬垫或织物的形式，而z-穿插碳纳米纤维10在z方向上以锯齿状地穿插在碳纤维之间。在示例性的复合材料中，聚合物基体16填充三维增强纤维网络内的间隙空间，以限定复合材料结构。

7、将容易理解的是，碳纤维层可以相对紧密地排列，从而具有较高的碳体积分数，如40％、50％或更高。因此，在真实的实际应用中，尽管碳纳米纤维的全长范围的排列仍处于z方向上，碳纳米纤维通常以交错的方式布置(而不是直的线列模式(straight in-linepattern))并导致碳纳米纤维以锯齿状通过碳纤维之间的间隙(例如，在一个大于frp微纤维直径的区域内，碳纳米纤维的平均排列角度将在z方向上，但碳纳米纤维的分段排列角度可能与frp内部的微纤维横截面的切线方向一致)。基于此，可以理解的是，当纳米纤维绕过结构碳纤维时，穿插方向是由纳米纤维穿过的主要维度确定的，并不一定对应于每个单独分段的行进方向。锯齿状的穿插模式在纳米纤维和碳纤维之间提供了额外的机械互锁，有助于在基体、碳纳米纤维和碳纤维之间更有效地分配载荷以及热能和电能。

8、在cfrp中使用碳纳米纤维作为z-穿插已被发现是非常有效的，并在许多方面提供了全面的改进。仅作为示例而非限制，基于公开的实验数据，碳纳米纤维zt-cfrp相较于传统的cfrp(即，对照cfrp)的改进体现在i型分层韧性(+29％)、全厚度直流电导率(从+238％到+10000％)、全厚度导热系数(+652％)、层间剪切强度(ilss，interlaminar shearstrength)(+17％)和纵向压缩强度(+14.83％)。此外，碳纳米纤维z-穿插有助于减轻缺陷的影响(如cfrp中的空隙)，并在所有测试中提供更可靠的材料性能。相比之下，在这些公开资料中，还测试了具有未排列碳纳米纤维的cfrp，但并未表现出显著的改进。

9、复杂的三维增强纤维网络也很有意义。有限元建模工作表明，碳纳米纤维z-穿插有助于减轻z方向和y方向上内部不平衡的横向载荷(由于空隙或内部缺陷如碳纤维错位引起)。锯齿状纳米纤维z-穿插有助于将应力分布到更广泛的区域和深度，从而可分别减轻或延缓由于z方向和y方向上内部不平衡的横向载荷导致的局部失效。

10、根据美国专利10,066,065(其全文通过引用并入本文)中描述的原理用于制造zt-cfrp预浸料的一种示例性现有工艺，将冷的、固相z-排列的膜(其包括已在z方向排列的纳米纤维)置于包含在x-y平面上定向的结构碳纤维的加热纤维织物的顶部，如本文图1所述。膜的基础材料(base material)仅允许在接合处熔融而膜的其余部分保持固态，从而保持纳米纤维在z方向上的排列。z-排列的膜可保持在多孔载体内(如海绵、无纺织物等)内。仅作为示例，膜的基础材料可以是热固性树脂(如b-阶段的环氧树脂(b-staged epoxy))、热塑性树脂(如尼龙、聚酯醚酮(polyester ether ketone，peek))、二者的混合物和/或含有其他添加剂或化合物的相变材料，只要该树脂或其他基础材料能在低温下固化并在高温下熔融即可。在传递过程中，膜会经历非等温加热(non-isothermal heating，即，膜未被均匀加热，导致膜内出现温度梯度)，并在膜/织物接合处发生局部相变。该过程将z-排列的纳米纤维沿z方向逐渐送入织物。将熔融的基础材料的流动保持在z方向上(即，“z-流动”)，以引导纳米纤维沿z方向穿插通过织物。可使用真空袋驱动力牵拉熔融的基础材料进入纤维织物来执行非等温加热和z向流动引导。在最终的预浸料中，传递到纤维织物中的膜基在结构碳纤维12、14之间的间隙中形成基体材料16(见图2)。

11、虽然分批传递工艺可能非常有用，但已经发现，要生产出质量理想、数量充足的zt-cfrp预浸料以用于大规模工业(如体育用品、汽车、航空航天、风能等)，可能需要开发出一种全自动且连续的用于生产zt-cfrp预浸料的方法。

技术实现思路

1、本技术通过提供连续的方法以实现相同的功能，从而提供了优势和替代方案。

2、根据一个示例性且非限制性的方面，本技术提供了一种用于连续生产z-穿插纤维增强聚合物复合材料的方法。该方法包括：提供预成型纤维织物，该预成型纤维织物包括在该织物内以相互交叉、平行或组合关系中的至少一种关系定向的多根纤维。该纤维织物包括第一织物面和第二织物面之间的织物厚度维度。该方法还包括提供具有膜厚度维度的预成型固化膜，其中该膜包括可热熔基础基体材料(base matrix material)和布置在该基础基体材料中并主要在膜厚度维度上定向的多根z-排列的纳米纤维的组合。传送该固化膜以在横跨该纤维织物的一个面上形成并置关系。将该膜和纤维织物以分层关系推进穿过收缩基体传递站，其中在基体传递站内该纤维织物被加热到达到或高于基础基体材料熔点的温度，并且随着膜和纤维织物移动穿过基体传递站，基础基体材料在与织物面的接合处逐渐熔融并与纳米纤维一起在织物厚度维度上流入纤维织物。该基体传递站包括将膜推向纤维织物并穿过至少一部分基体传递站的收缩处理间隙。从该基体传递站移除具有夹带的基础基体材料和z-穿插纳米纤维的纤维织物被，并允许基础基体材料冷却。