控制復(fù)合材料中滲透性和纖維體積分?jǐn)?shù)的聚合物納米顆粒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開內(nèi)容一般地設(shè)及復(fù)合材料，并且更具體地設(shè)及復(fù)合結(jié)構(gòu)中的納米顆粒用于 控制纖維床滲透性和纖維體積分?jǐn)?shù)的用途。
【背景技術(shù)】
[0002] 可通過疊鋪一疊復(fù)合層W形成復(fù)合敷層來形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。每個(gè)復(fù)合層可包括多個(gè) 增強(qiáng)纖維或纖維束。每個(gè)纖維束可包括多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲。例如，單纖維束可形成為一束數(shù)千 個(gè)或更多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲。可將熱和/或壓力施加至復(fù)合敷層W加固該疊復(fù)合層和固化或硬化 樹脂。可被動(dòng)地或主動(dòng)地冷卻復(fù)合敷層W形成復(fù)合結(jié)構(gòu)。
[0003] 復(fù)合結(jié)構(gòu)通常被設(shè)計(jì)為具有特定的纖維體積分?jǐn)?shù)W滿足強(qiáng)度、剛度和復(fù)合結(jié)構(gòu)的 其它設(shè)計(jì)要求。纖維體積分?jǐn)?shù)可被描述為復(fù)合結(jié)構(gòu)中的增強(qiáng)纖維的總體積與復(fù)合結(jié)構(gòu)的總 體積的比率。在制造期間可控制的復(fù)合敷層的纖維體積分?jǐn)?shù)的精確度對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì) 要求的能力可能具有顯著的影響。
[0004] 復(fù)合敷層中增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的間隔對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的纖維體積分?jǐn)?shù)可能具有直接影響。 對(duì)于在疊鋪前使用樹脂預(yù)浸潰的復(fù)合層（例如，預(yù)浸復(fù)合層），通過在預(yù)浸操作期間控制施 加至纖維束或增強(qiáng)長(zhǎng)絲的樹脂的量，可直接控制增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的間隔。對(duì)于用干纖維復(fù)合 層形成的復(fù)合敷層，通過控制疊鋪加工條件，諸如控制在浸潰樹脂進(jìn)入干纖維復(fù)合層期間 施加的加固壓力和/或真空壓力的大小和/或持續(xù)時(shí)間，可間接控制增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的間隔。
[0005] 在常規(guī)的復(fù)合材料制造中，增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的局部間隔可從許多長(zhǎng)絲直徑至零變 化。在零間隔處，增強(qiáng)長(zhǎng)絲相互直接接觸。增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的直接接觸可能導(dǎo)致數(shù)個(gè)不期望 的影響。例如，直接接觸的增強(qiáng)長(zhǎng)絲可在樹脂浸潰過程期間抑制增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的樹脂流動(dòng)， 其可導(dǎo)致增強(qiáng)長(zhǎng)絲的不完全潤(rùn)濕，形成不期望的空隙和裂紋形核的位點(diǎn)。此外，直接接觸的 增強(qiáng)長(zhǎng)絲可在復(fù)合結(jié)構(gòu)中呈現(xiàn)高應(yīng)力的位置，并且可導(dǎo)致樹脂中的微裂紋。
[0006] 可W看出，在本領(lǐng)域中存在對(duì)用于控制復(fù)合敷層中增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的局部間隔的系 統(tǒng)和方法，W允許長(zhǎng)絲之間的樹脂流動(dòng)，進(jìn)而滿足纖維體積分?jǐn)?shù)要求和減少或避免增強(qiáng)長(zhǎng) 絲之間的直接接觸的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 上文記載的與復(fù)合敷層相關(guān)的需求通過本公開內(nèi)容具體地解決，本公開內(nèi)容提供 了可包括多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲的纖維束，每個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲具有長(zhǎng)絲橫截面寬度。一個(gè)或多個(gè)聚合物 納米顆粒可被連接至增強(qiáng)長(zhǎng)絲中的至少一個(gè)和/或其它聚合物納米顆粒。聚合物納米顆粒 可具有小于增強(qiáng)長(zhǎng)絲橫截面寬度的顆粒橫截面寬度。聚合物納米顆粒可在增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間提 供局部長(zhǎng)絲間隔W減小或避免增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的直接接觸，進(jìn)而允許長(zhǎng)絲之間的樹脂流動(dòng)， 和/或滿足纖維體積分?jǐn)?shù)要求。
[0008] 還公開了包括樹脂和嵌入樹脂中的多個(gè)纖維束的組合物。每一個(gè)纖維束可由多個(gè) 增強(qiáng)長(zhǎng)絲組成。每個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲可具有長(zhǎng)絲橫截面寬度。組合物可進(jìn)一步包括連接至增強(qiáng)長(zhǎng) 絲的多個(gè)聚合物納米顆粒。聚合物納米顆粒可具有小于長(zhǎng)絲橫截面寬度的顆粒橫截面寬 度。
[0009] 還公開了制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法。該方法可包括將多個(gè)聚合物納米顆粒連接至一個(gè) 或多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲。每一個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲可具有長(zhǎng)絲橫截面寬度。聚合物納米顆粒可具有小于長(zhǎng) 絲橫截面寬度的顆粒橫截面寬度。該方法可額外地包括諸如在樹脂浸潰期間使用聚合物納 米顆粒維持鄰近增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的長(zhǎng)絲間隔。
[0010] 已經(jīng)討論過的特征、功能和優(yōu)勢(shì)可在本公開內(nèi)容的多種實(shí)施方式中獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)或 者可在還其它實(shí)施方式中組合，可參閱下文中的如下描述和附圖看到其進(jìn)一步的細(xì)節(jié)。
【附圖說明】
[0011] 在參閱附圖的情況下，本公開內(nèi)容的運(yùn)些和其它特征將變得更加顯而易見，其中 遍及全文相同的數(shù)字表示相同的部件，并且其中：
[0012] 圖1是復(fù)合結(jié)構(gòu)的框圖，其包括樹脂和由增強(qiáng)長(zhǎng)絲形成的纖維束，并且包括用于 維持鄰近增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間的長(zhǎng)絲間隔的聚合物納米顆粒；
[0013] 圖2是包括一疊單向?qū)拥膹?fù)合結(jié)構(gòu)的透視圖，每個(gè)單向?qū)佑啥鄠€(gè)連續(xù)的增強(qiáng)纖維 形成；
[0014] 圖3顯示了沿著圖2的線3截取的一部分復(fù)合結(jié)構(gòu)的橫截面，并且顯示了W不同 角度定向的單向復(fù)合層的增強(qiáng)長(zhǎng)絲；
[0015] 圖4是嵌入樹脂中的多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲的示意性橫截面視圖，并且顯示了互相直接接 觸并且導(dǎo)致了樹脂中的裂紋的增強(qiáng)長(zhǎng)絲；
[0016] 圖5是圖4的增強(qiáng)長(zhǎng)絲的示意性橫截面視圖，并且進(jìn)一步包括維持增強(qiáng)長(zhǎng)絲之間 的局部長(zhǎng)絲間隔的聚合物納米顆粒；
[0017] 圖6是嵌入樹脂中的第一長(zhǎng)絲和第二長(zhǎng)絲的示意圖，并且顯示了通過聚合物納米 顆粒與第二長(zhǎng)絲分離的第一長(zhǎng)絲，該聚合物納米顆?？杀贿B接至第一長(zhǎng)絲和/或第二長(zhǎng) 絲，使得聚合物納米顆粒防止第一和第二長(zhǎng)絲之間的接觸；
[0018] 圖7是連接至第一長(zhǎng)絲的第一聚合物納米顆粒和連接至第二長(zhǎng)絲W及連接至第 一聚合物納米顆粒的第二聚合物納米顆粒，并且防止第一和第二長(zhǎng)絲之間的接觸的示意 圖；
[0019] 圖8是具有烙化的可烙的護(hù)套的皮忍型納米顆粒的示意圖；
[0020] 圖9是烙化烙合至增強(qiáng)長(zhǎng)絲的皮忍型納米顆粒的護(hù)套的示意圖；
[0021] 圖10是連接至增強(qiáng)長(zhǎng)絲的漿料的聚合物納米顆粒的示意圖；
[0022] 圖11是圖解了可包括在制造復(fù)合結(jié)構(gòu)的方法中的一個(gè)或多個(gè)操作的流程圖；
[0023] 圖12是用于連續(xù)地施加聚合物納米顆粒至纖維束的增強(qiáng)長(zhǎng)絲的系統(tǒng)的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 現(xiàn)在參閱附圖，附圖中的顯示是為了圖解本公開內(nèi)容的多種實(shí)施方式的目的，圖1 中顯示的是包括纖維床的復(fù)合結(jié)構(gòu)100的框圖，所述纖維床包括纖維束150。纖維束150可 被嵌入樹脂110中。每一個(gè)纖維束150可包括多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲158。每一個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲158可 具有長(zhǎng)絲橫截面寬度160 (圖6)或直徑。一個(gè)或多個(gè)聚合物納米顆粒200可連接至增強(qiáng)長(zhǎng) 絲158和/或其它聚合物納米顆粒200。
[00巧]在一些實(shí)例中，一部分聚合物納米顆粒200可包括非連接的納米顆粒214 (例如， 見圖5)，其可鄰近一個(gè)或多個(gè)增強(qiáng)長(zhǎng)絲158和/或鄰近一個(gè)或多個(gè)聚合物納米顆粒200被 機(jī)械地截留。每一個(gè)聚合物納米顆粒200可具有可W小于長(zhǎng)絲橫截面寬度160的顆粒橫截 面寬度202 (圖6)。例如，聚合物納米顆粒200具有10-200納米的顆粒橫截面寬度202， 并且增強(qiáng)長(zhǎng)絲158可具有5-30微米的長(zhǎng)絲橫截面寬度160。例如，碳增強(qiáng)長(zhǎng)絲158可具有 5-10微米的長(zhǎng)絲橫截面寬度。玻璃增強(qiáng)長(zhǎng)絲158可具有10-25微米的長(zhǎng)絲橫截面寬度。
[0026] 有利地，聚合物納米顆粒200可充當(dāng)增強(qiáng)長(zhǎng)絲158之間的間隔，并且可維持或控制 纖維床152的滲透性，使得樹脂110可在增強(qiáng)長(zhǎng)絲158之間流動(dòng)（圖1)和/或浸潰或均勻 地浸濕增強(qiáng)長(zhǎng)絲158。此外，聚合物納米顆粒200可防止增強(qiáng)長(zhǎng)絲158之間的直接接觸。如 上文所指示的，增強(qiáng)長(zhǎng)絲158之間直接的長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲的接觸可在復(fù)合結(jié)構(gòu)100中呈現(xiàn)局部 高纖維含量的區(qū)域（圖1)。聚合物納米顆粒200可防止直接的長(zhǎng)絲與長(zhǎng)絲的接觸和復(fù)合敷 層102中局部高纖維含量的相關(guān)區(qū)域，并且可W從而在可呈現(xiàn)裂紋起始位點(diǎn)的運(yùn)樣的位置 減少或避免應(yīng)力集中。
[0027] 此外，聚合物納米顆粒200可提供用于精確地控制最終復(fù)合結(jié)構(gòu)100的纖維體積 分?jǐn)?shù)的手段。如上文所指示的，復(fù)合結(jié)構(gòu)100的纖維體積分?jǐn)?shù)可被描述為復(fù)合結(jié)構(gòu)100中增 強(qiáng)纖維150 (圖1)的體積與復(fù)合結(jié)構(gòu)100的總體積的比率。當(dāng)樹脂流經(jīng)增強(qiáng)長(zhǎng)絲158或在 增強(qiáng)長(zhǎng)絲158之間時(shí)，聚合物納米顆粒200至少在部分制造過程期間可被配置為增強(qiáng)長(zhǎng)絲 158之間的間隔。聚合物納米顆粒200的顆粒橫截面寬度202和/或聚合物納米顆粒200 相對(duì)于樹脂體積的總體積可提供用于精確地控制復(fù)合敷層102的纖維體積分?jǐn)?shù)的手段，其 可對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)100滿足諸如強(qiáng)度和剛性要求的設(shè)計(jì)要求的能力具有顯著影響。
[0028] 圖2顯示了由一疊復(fù)合層104制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)100。在顯示的實(shí)例中，復(fù)合結(jié)構(gòu) 10