使用聚合物-纳米颗粒共聚物制造的无纺中间层的制作方法
【技术领域】
[0001] 本文中所述的实施方式主要涉及复合材料结构体，更特别是涉及用于复合材料结 构体中的聚合物-纳米颗粒增强中间层。
【背景技术】
[0002] 纤维增强树脂材料或所公知的"复合"材料因高强度重量比、耐腐蚀性和其他有利 性能，而经常用于航空航天、汽车和船舶应用。常用复合材料通常包含纺织或无纺构造的玻 璃、碳或聚芳酰胺纤维"层片"。纤维层片可以通过用未固化的基质材料（例如，环氧树脂） 将其层叠在一起而制造成复合材料零件。该层叠体然后可以施加热量和/或压力而固化， 从而形成成品零件。
[0003] 复合材料零件可以由"预浸料"材料或者由组装成"预制件"的干纤维层片制造。 预浸料为已用基质材料（例如，环氧树脂）预先浸渍并以未固化或半固化状态存储待用的 布、垫、粗纱、带或其他形式的即刻成型材料。将预浸料片材以成品零件的形状层积在模具 表面上。然后施加压力来压紧预浸料片材，并可以施加热量以完成固化周期。预制件不同 于预浸料组件之处在于，预制件是为模具表面上的树脂灌注而制备的干织物和/或纤维的 组件。预制件层片通常被钉住和/或缝合在一起，或者以其他方式稳定化，以在最终加工之 前和过程中保持其形状。一旦预制件稳定化，则可以利用液体成型将层用树脂灌注。然后 可以利用施加压力和/或热量来将零件固化。
[0004] 复合材料零件中的纤维材料在纤维方向上提供较高强度。但耐冲击性通常由固化 的基质的性能决定。增强耐冲击性的一种方法是向基质添加例如热塑性材料的颗粒。所述 热塑性材料可以抑制例如由通常肉眼不可见的异物碎肩所导致的穿过零件的裂纹扩展。
[0005] 提高复合材料零件的耐冲击性和断裂韧性的另一种方法是提高复合材料的交替 的层之间的粘合层的结构性能。截至目前，行业中有一些已经在层叠复合材料内部使用了 中间层或"增韧面网（toughening veil)"，以提高粘合层的结构性能。具体而言，增韧面网 旨在为成分增加韧性，所述韧性意味着吸收能量和变形而不断裂的能力。现有的增韧面网 通常缺乏刚度、强度和在高温下、特别是在暴露于湿气之后保持压缩和剪切强度的能力。
[0006] 因此，对于具有改善的刚度、强度和在高温下保持压缩和剪切强度的能力的增韧 面网存在需求。
【发明内容】
[0007] 本文中所述的实施方式主要涉及复合材料结构体，更具体是涉及用于复合材料结 构体中的聚合物-纳米颗粒增强中间层。根据本文中所述的一个实施方式，提供一种制造 复合材料结构体的方法。该方法包括将聚合物-纳米颗粒增强中间层设置为邻近第一纤维 层。该聚合物-纳米颗粒增强中间层包含至少一种聚合物和包含在该至少一种聚合物的分 子骨架中的经衍生的纳米颗粒。纳米颗粒经衍生为包含一种或多种官能团。该方法还包括 将第二纤维层设置为邻近附着于第一纤维层的聚合物-纳米颗粒增强中间层。第一纤维层 和第二纤维层用树脂灌注。使树脂固化以使复合材料结构体硬化。第一纤维层和第二纤维 层可以是无纺纤维层，并且聚合物-纳米颗粒增强中间层为无纺聚合物片材。
[0008] 在本文中所描述的另一实施方式中，提供一种层叠复合材料结构体。层叠复合 材料结构体包含第一纤维层、第二纤维层和设置在第一纤维层与第二纤维层之间的聚合 物-纳米颗粒增强中间层。该聚合物-纳米颗粒增强中间层包含至少一种聚合物和包含在 该至少一种聚合物的分子骨架中的经衍生的纳米颗粒。纳米颗粒经衍生为包含一种或多种 官能团。层叠复合材料结构体还包含灌注至第一和第二纤维层中的基质材料。
[0009] 在本文中所描述的另一实施方式中，提供一种层叠复合材料结构体。该层叠复合 材料包含一个或多个纺织或无纺层片和至少一个无纺增韧面网。该至少一个无纺增韧面网 包含通过将多个纳米颗粒官能化并将多个纳米颗粒与至少一种单体结合而形成的纺丝纤 维。
[0010] 在本文中所描述的另一实施方式中，提供一种制造层叠复合材料的方法。该方法 包括将多个纳米颗粒官能化。将该多个纳米颗粒与至少一种单体结合，以形成结合的材料。 将该结合的材料纺丝，以产生无纺增韧面网。将该无纺增韧面网添加到多个纺织纤维层片 中，以形成层叠复合材料。
[0011] 该聚合物-纳米颗粒增强中间层适合用于预浸料和预制件等。
[0012] 已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以与另 一些实施方式相结合，其进一步的细节可以参照以下描述和附图而看出。
【附图说明】
[0013] 以使本公开内容的上述特征能够被详细地理解的方式，可以通过参照实施方式提 供对以上简要概括的公开内容的更具体描述，这些实施方式的一些在附图中示出。但是，应 当注意，附图仅仅示出了本公开内容的典型实施方式，因此不应被认为限制了其范围，因为 本公开内容可以允许其他等效的实施方式。
[0014] 图1示出的是示例性航空器生产和服役方法的流程图；
[0015] 图2示出的是示例性航空器的框图；
[0016] 图3A示出的是根据本文中所述的一个实施方式的附着于纤维层的聚合物-纳米 颗粒增强中间层组件的剖面侧视图；
[0017] 图3B示出的是图3A的聚合物-纳米颗粒增强中间层组件的放大剖面侧视图；
[0018] 图4示出的是根据本文中所述的另一实施方式的附着于纤维层的聚合物-纳米颗 粒增强中间层组件的剖面侧视图；
[0019] 图5示出的是图3A的聚合物-纳米颗粒增强中间层组件的局部剖开的等距视图；
[0020] 图6A示出的是根据本文中所述的一个实施方式配置的具有聚合物-纳米颗粒增 强中间层组件的第一复合材料层叠体的等距视图；
[0021] 图6B示出的是根据本文中所述的另一实施方式配置的具有聚合物-纳米颗粒增 强中间层组件的第二复合材料层叠体的等距视图；
[0022] 图7示出的是图6A和图6B的复合材料层叠体的一部分的放大的剖面等距视图；
[0023] 图8是示出根据本公开内容的一个实施方式的制造复合材料零件的方法的流程 图；和
[0024] 图9是示出根据本公开内容的另一实施方式的制造复合材料结构体的方法的流 程图。
[0025] 为便于理解，尽可能采用相同的附图标记来指示这些图中共用的相同要素。另外， 一个实施方式的要素可以有利地进行适应性修改，以用于本文中所述的其他实施方式。
【具体实施方式】
[0026] 下面的公开内容描述用于复合材料结构体的聚合物-纳米颗粒增强中间层、生产 聚合物-纳米颗粒增强中间层的方法和使用聚合物-纳米颗粒增强中间层制造航空器用复 合材料零件和其他结构体的方法。某些细节在以下描述和图IA~9中阐述，以提供对本公 开内容的各种实施方式的全面理解。在以下公开内容中，未阐述其他描述常常与复合材料 零件和复合材料零件制造相关的公知结构体和系统的细节，以避免不必要地混淆各种实施 方式的描述。
[0027] 附图中显示的许多细节、尺寸、角度和其他特征仅仅是为了说明特定实施方式。因 此，其他实施方式可以具有其他细节、尺寸、角度和特征，而不脱离本公开内容的精神或范 围。另外，可以不使用下述的若干细节而实施本公开内容的的另一些实施方式。
[0028] 本文中所述的实施方式主要涉及复合材料结构体，更特别是涉及用于复合材料结 构体的聚合物-纳米颗粒增强中间层。由无纺面网增韧的复合材料的压缩强度保持率一直 低于期望值，主要原因在于面网中刚度随温度升高而显著降低。据信具有随温度升高而增 加的刚度和/或改善的刚度保持率的面网聚合物将改善性能保持率，同时仍提供提高的抗 冲击韧性。不具有刚性链段的聚合物倾向于随温度升高而显著软化。为改善其随温度的性 能保持率而利用刚性骨架制成的聚合物除了在非常高的温度下通常都非常难以加工，甚至 在大多数情况下，加工能力可能非常低。将官能化、刚性、纳米尺度的颗粒直接引入用于生 产无纺增韧面网的聚合物链中应能提供改善的刚度与加工性的平衡，从而提供所期望的改 善的韧性和对其他复合材料性能的不利影响最小的性能。据信仅需要非常少量的官能化纳 米颗粒来使聚合物刚性化，因为所述颗粒直接并入聚合物骨架中应能