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022-28892722三维针织间隔织物夹层复合材料的制作方法
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本专利发现传统夹层芯复合材料存在界面粘合弱、结构不均等问题，提出采用三维针织间隔织物作为皮-芯界面层，通过X/Y平面织物层与Z向弹性间隔纤维的立体结构，构建树脂浸渍通道，实现纤维间高效浸润与均匀固化，同时利用弹性纤维的回弹特性消除空隙，提升复合材料整体性与界面结合力。
发明领域本发明一般涉及一种芯材料的新型使用和应用，上述芯材料提供改良的一种树脂浸渍作用，并达到增加一种夹层复合材料的刚度和其它性能。更具体地说，它涉及利用三维针织间隔织物作为一种层压制品界面，以便增加层压制品粘合，和尤其是校正切割和安放的整块网格芯元件的界面平面性，以便试图符合所希望结构中的曲率。
本申请是2002年6月17日发布的美国实用新型申请系列No.10/172,053及其2001年7月23日发布的优先临时申请系列No.60/307,109的部分继续申请，二者的整个公开内容都包括在本文中作为参考文献。本申请在2001年9月17日发布的美国临时申请系列No.60/322602中发布，其整个公开内容也包括在本文中作为参考文献。
目前技术水平说明纤维增强塑料(FRP)复合材料结构一般是周所众知的，并且在一些终端应用中采取许多形状和形式，上述终端应用范围从海船到浴缸到航空器等，及范围从简单到复杂的构造。通常这些形式的构造包括提供一种机织的或非织造的增强纤维结构，也就是说叠加到所希望形状的敞开模具中，上述所希望形状的敞开模具一般叫做预型件。通常也把一种芯线结构插在复合材料的内层和外层之间。这种干纤维增强件然后必需用一种可固化的、一般是热固性的树脂，并且一般用人工涂布技术充分浸湿。在浸湿之后，预型件，然后让树脂固化，以便形成所希望形状的复合材料。产生的复合材料结构最后从模具中取出，并在适当的后处理之后，然后可以使用。
尽管这些FRP复合材料显示出优于一些可供选择的材料的许多优点，但层压制品刚度的性能(抗弯曲性)不是它的强点其中之一。尽管下面情况在例外情况下很普遍，如利用价钱贵的高模量纤维，亦即碳纤维，和/或先进的，亦即热压的，不经济的生产处理技术，但是当考虑一种规定重量的板抗弯矩能力时，FRP层压制品通常不如可供选择的低密度材料如木材。
一种板，尤其是一种FRP复合材料板的刚度，不仅与材料的弯曲模量，材料的刚度大小有关，而且一般是板厚度的立方的函数。因此，尽管这种板的厚度可以通过某种比较小量的增加来实现显著增加复合材料的刚度，但这也有在重量和费用高方面付出代价。
也就是说，用于加强一种FRP板的一种途径显然是使它更厚，但这可能产生缺点是一种不需要的很重层压制品，其结果也许是不需要的强度特性，和还有一个缺点是不需要的价钱很贵，及对最终所希望的结构来说可能存在实际制造问题。
重要的是，不足的强度、模量的问题也可能经常由FRP复合材料制造中不足的均匀性引起。例如，树脂成分可能是在整个纤维基体上不充分地分布，可能其中具有导致强度变差的表面不连续性的空隙或可能在达到树脂在纤维基体内完全分布之前具有不规则地固化(比如，到达一过早的胶凝点)。
增加FRP板刚度的一种优选技术是利用一种夹层构造。层压制品中的夹层构造提供可与工字梁构造相比的优点，但代替通常工字梁的梁腹和凸缘，一种夹层构造利用一种重量轻的芯材料，上述芯材料面向FRP皮旁边的一侧或两侧。在复合材料结构中这些皮的作用是当板经受弯曲载荷力时，通过抵抗在对面皮中所产生的压缩和拉伸载荷，来承受板或梁上的弯矩。
对于能抵抗弯矩的皮来说，它们必须刚性地保持与夹层的中心轴线(中心线)间隔开，并防止彼此相对地运动。选定的芯材料，和芯与皮之间粘合线强度的作用是提供和满足这些要求。对一规定的工业应用来说，与选定的皮和芯材料无关，一种夹层材料的整体性尤其是与皮和芯元件之间的界面粘合强度有关。
一种层压制品中芯的物理和机械利用，也与一种规定结构所应用的制造技术有很大关系。该技术的技术人员已认识到，一般，为了达到各芯材料与外皮(当用一种阴模时，或者相反当用阳模工具时内皮)之间全面而密切的接触，通常应用一种真空袋技术。在真空袋技术中，将皮叠层并浸湿，各芯材料在有或没有粘合胶粘剂情况下加于其上，及将一个真空袋加到组件上。随着空气被排出，外部环境气压往往会把芯元件均匀地压紧到皮表面上，然而层和芯元件之间的接触受各芯元件的尺寸形状限制。真空袋通常留在适当位置，直至外皮(比如在阴模中)与粘附于其上的芯一起固化时为止。制备(最后的)内部玻璃纤维层在达到足够均匀的层压结果时经常很少存在问题，因为当制备现在比较透明的浸湿玻璃纤维层压制品时，层压者可以目视观察芯表面。然而，用邻近模具工具的FRP皮存在一些严重的问题，此处各芯元件遮挡或防止目视观察。
可以应用真空浸渍技术来同时制造各皮，而同时将大气压加到各个芯元件上。在用于芯元件的材料比较坚硬，并且模制的部件如此设计以便提供凸形或凹形表面的地方，芯材料可以刻划成若干较小的部分，并且在某些情况下可以将一种稀松布加到一侧上，以便将各小部分以一种较平的X，Y方式保持在一起。
然而，经常遇到的问题是，刻划的，通常是矩形的各芯部分的其中一个或多个的侧向尺寸大于预定结构用的所希望模具的曲率半径。这可以并且确实导致在纤维叠层和各芯元件的界面处产生空隙。在这些情况下，皮和芯之间的最终所希望的密切接触通常只能通过利用过量的胶粘剂或其它填料达到，以便占据产生的尺寸间隙。
这些技术用于真空浸渍方法学是不实际的，并且一般皮与芯空隙都是用树脂填满。在无论哪种情况下皮与芯的间隙都用一种介质填满，上述介质具有与无论是皮还是芯都明显不同的机械和强度性能，同时产生一个发散应力特性的区域。此外，在施加真空浸渍时，在上述界面处的严重空隙可能由不完全的树脂浸湿造成。产生的界面因而损害它的最佳所希望的性能。结果，将存在不连续性，同时对所希望的物体的强度产生负面影响。
发明概述由于目前在先有技术中所用的已知类型的FRP芯和真空浸渍应用技术中固有的上述缺点，本发明提供一种新型的皮与芯粘合的技术，上述新型技术通过利用三维针织间隔织物作为一种粘合界面叠加，以便达到大大增强粘合性能。
尤其是，本发明人的新颖利用一种三维针织间隔织物作为一种皮与芯的层界面，或者作为一种中间层，增加了所切割的整块芯元件格网的界面平面性，并脱离先有技术的常规的思想和设计。这样做时，它提供一种为增加FRP皮与芯粘合线整体性起见而提供的一种技术、材料和产品。
后面更详细说明的本发明一般目的和结果，是提供一种新的皮与芯元件粘合界面，上述界面具有增加了优于迄今为止所应用的复合材料夹层构造的优点。为了达到这个目的，本发明一般包括利用一种具有若干弹性的Z方向纤维的三维针织的间隔织物，上述三维针织的间隔织物用作皮和芯之间层内的一层。这种技术不仅提供一种改良的皮与芯粘合，而是还是层压制品的一种成分。
附图和发明的详细说明如图1所示，一种机织或非织造纤维增强预型件层(12)(最后，在这里，外皮)加到一个所希望形状的模具(10)上。在这个例子中，将芯材料的各元件(14)安放在纤维增强件或层状体的内层(12)和外层(16)之间，以便形成层状体结构。在这个例子中，模具形状(10)的弯曲部分是这样，以致在外皮(12)和各芯元件(14)之间形成一个空隙(18)。然后希望用选定的树脂充填间隙(18)，用于粘合复合材料的某些成分。
如图2所示，图2示出一种类似的模型工具(20)，并且其中示出一种外皮层状体(22)，若干芯元件(24)，和一种内皮层状体(26)。在该图中，本发明是在施加如图所示附加的间隔织物层状体(28)的情况下应用。
图3是间隔织物构造(30)的另一个示意图。可以看出，它包括两个间隔开的机织和/或缝合的外层(32)和(34)。在那两层之间延伸并那样制造以便连接这两层的是若干横向纤维(36)。这些横向纤维如此制造，以便具有相对弹性。
图4是图3间隔织物的示意图，但现在示出的是通过施加外部压力处于一种压缩状态(40)。外层(42)和(44)非常好地保持它们未经过压缩的取向和构形，但各横向纤维(46)现在倾斜式变位，结果层状体的厚度减少。施加压力和横向纤维(46)的位移仍使弹性纤维留下一种弹回和抗变形的趋势。因为整个隔离织物当然是柔软的，所以它具有符合各芯元件和模具表面本身二者形状不规则性的性能，因此使它们之间的空隙减少。
正如下面要解释的，和正如在申请人的专利申请中所说明的，这种间隔织物通常申请人用它们的商标名称“polybeamTM”表示，上述间隔织物具有很大的优点是，在制造复合结构期间，整个纤维/织物预型件中都使液体树脂的流动和分散更方便，并因而在树脂的胶凝点之前也能甚至在各芯材料之间时充填空隙。
例如，图5中的三维针织间隔织物(50)本身由一个第一机织织物层(52)，一个第二织物层(54)，和中间弹性间隔纱(56)组成，上述弹性间隔纱(56)可以是一种单丝聚酯，玻璃纤维等，它使两层(52)和(54)相互连接。机织织物层(52)和(54)的纤维一般在X和Y方向上延伸，如图所示。一般在Z方向(即使有角度)延伸的弹性纱(56)使两个织物层保持隔开具有一自由形态、无压力的厚度，上述厚度合适的是在约0.0625”至1”范围内。在间隔纱中可以用大范围的织物和纱纤维类型，如聚酯，玻璃纤维，Kevlar，碳，和各种组合。此外，传统的材料如玻璃纤维垫和粗纱可以缝合或者粘合到三维针织间隔织物的其中一侧或两侧上，并且它也可以围绕其它材料缝合。如图5所示，在层(52)和(54)之间有一个基本上是自由的敞开空间。
如图6所示，当施加真空(亦即低于大气压)将芯元件压紧贴着皮，象图2中那样时，三维针织间隔织物(60)在所示的Z方向上被弹性压缩。虽然这种间隔织物因而稍微变平，但它仍然可以符合芯-皮界面，因此整个界面得到一种更均匀的增强式结构。
然后变平的界面可以根据所用的制造技术，浸渍粘合剂或树脂等，但优选的是在正进行的操作期间充填树脂。尽管如该图6所示被压缩，但在各外层之间仍然有很大的自由敞开的空间，因为其中纤维密度继续比外表面的密度小很多。尽管难以测量，但目前计算表明，尽管未经过压缩的间隔织物可能具有约88-90％的自由体积，但经过压缩的间隔织物仍然保留约65-75％的自由体积或敞开空间供树脂浸渍。
图7以平面图示出本发明的一个实施例，并且应该理解，如平面图中所示的“Tool(工具)”可以表示一个具有一复杂弓形的模具面。在这种情况下，“Vacuum(真空)”代号表示，在图的上端处真空拉出，而Resin Input(树脂输入)在底部处示出。当然，精确的树脂输入点可以是别的地方，但一般最适用的是在距通向真空泵位置较远的位置处。在图7中示出了一部分螺旋切割管，上述螺旋切割管合适的是用作一个多支管树脂进入装置。如该图7中所示的Laminae(层状体)A和Laminae(层状体)B，在每种情况下都包括三维间隔离织物，它们在后面更详细说明。
采用按照本发明所述的三维间隔织物的一个引人注目的特点是，即使在施加真空下受压缩，但在整个复合结构的各元件中，仍然有很大的敞开空间供浸渍未经固化的树脂。当液体树脂通过组件中的一个或多个支管结构加入时，这尤其可以在未经固化的样品复合材料中作为液体树脂的流锋目视观察到。如申请人的专利申请中所述，可以观察到这种流锋的运动速度增加多达200％-400％。这个重要特点在本发明中具有许多优点。例如，对于待用的树脂，它允许利用更宽的粘度变化。此外，在这种技术中总是有一点“途径”，以便在树脂到达它的凝胶点之前实现纤维预型件的彻底的树脂浸渍或浸湿，这种情况导致所制造的部件不合格。通过对树脂组成的流锋实现较高的速度，则在各种环境条件和树脂/催化剂组合下可以很容易达到彻底的浸渍和浸湿。
PolybeamTM织物是用一种双座机制造的一种3梳栉Raschel针织的间隔织物，上述双座机具有下列特性凸条纹/米为590，横列/米为530(凸条纹＝编缝的垂直线；横列＝编缝的水平线％单丝聚酯。
这些测试结果证明对利用间隔PolybeamTM织物的复合材料强度特性没有有害的影响，即使它具有相对间隔开织物层的结构，该结构明显地以未经压缩和经过压缩两种形式包括大大减少纤维强度的内部区域。
这种测试一个重要的观察到的结果是，在芯(轻木元件)和皮之间总是发生拉伸断裂。断裂绝不会在各轻木芯元件一侧上发生，上述各轻木芯元件侧与间隔织物成接触粘合。实际上由于板3在芯的两侧上具有PolybeamTM703。外部3Tex玻璃纤维皮断裂和芯元件断裂，但PolybeamTM到芯的界面总是保持完好无损。
为了评价含PolybeamTM的层压制品的机械性能，制造另外的平试板。各种尺寸由选定的ASTM试验的要求规定。层压制品在这个基础上这样选定，以便产生合适厚度的复合材料。选定的层状体明细表列表如下(为了举例说明起见也见图7)。
增强层状体包括由Johnson Industries供应的缝编玻璃纤维，并具有下列特性Johnson标记E-LTM 2415-7纤维类型玻璃纤维(E)构造0°/90°双轴“LT”系列干厚度0.066英寸/1.6764mm总重量39.08盎司/码2/1291.41g/m2纤维构造数据0°12.03盎司/码2/304.64g/m290°11.95盎司/码2/405.06g/m2垫/贴面层13.5盎司/码2/1.5盎司/英尺2制造方法为了适应如上所述样品要求，制造一个24“×24”的板。工具包括一种经过脱蜡处理过的4811×4811平的Formica板。将层状体A(表1)加工完成，但将该层状体切成24“× 24”尺寸，并将它们按规定的次序安放到工具表面上。通过以一种6“×24”的层状体朝正确方向在与一个边缘对准的A组顶部上重复层状体A的分层堆垛顺序完成层状体B(表2)。一个真空口邻近层状体B装配，和将用于树脂输入的螺旋切割管外套装配在层状体A的对边上，也如图7所示。然后装配一个挠性真空袋，并围绕层压制品固定和密封，树脂软入管用一个夹具密封，并抽真空。
真空用固定到一个标准树脂收集器上的压力计读出。当线“Hg柱时，从树脂入口取下夹具，并在随后将入口管放入乙烯基酯树脂(～230cps(厘泊))中。注意跨过部件的均匀流锋。当树脂锋到达真空口时，把树脂夹具再固定到入口管上。在这个过程中保持全线”Hg柱)。在这点上，层压制品内的过量树脂被真空拉出，直至过一定时间树脂凝胶并不可能再流动的那点时为止。将全真空保持到这个时间。在树脂完成它的放能并冷却到室温之后，取下板用于后固化和测试。在这个测试期间，观察到下列条件室温～68°F树脂温度～68°F工具温度～68°F粘度在77° F下规定为230cps。
纤维体积供在层压制品(无浸渍介质)内真空浸渍的典型纤维/树脂比范围为40∶60至75∶35。这些范围以重量为基础，并因此与树脂和纤维二者所用的成分有很大关系。因此应该理解，本发明决不限于这些特定的比例。
对该技术的技术人员来说，很显然，由本发明所提供的优点和实用性，可以通过用各种纤维尺寸和纤维组成实现。玻璃纤维通常广泛使用，但其它纤维如碳纤维或Kevlav芳烃聚合物纤维也可以应用。同样，大范围的热固性树脂(环氧化物类，乙烯基和其它可交联的材料)也适用于这种应用性。与先有技术利用三维间隔织物相比，主要发现的是，它们具有这种特殊的允许更快的增强式树脂加进和流入并穿过复合材料叠层的能力。令人惊奇的是，这种特性即使在施加真空的压缩间隔织物下也保持存在。而且，由于间隔纤维或Z方向纤维(见图6和7中所示)保持弹性，所以有一种预埋式使结构回弹的倾向，因此充填用别的方法在最终固化的复合材料中可能是不理想的空隙和空腔或类似的不连续性的东西。这种回弹实际上是通过由树脂浸渍所引入的润滑作用帮助，同时降低了在干材料中另外存在的相互作用的纤维与纤维之间的摩擦。因此产生的复合材料不仅在结构上，而且在它的最后强度特性上，都显示出较高程度的整体性和均匀性。在生产处理中的显著经济效益是利用本发明的另一个好处，在于实现较少的损耗和不合格产品。
本发明的一些优点目前认为是最彻底地被实现了，用至少一个整块式芯元件，所述芯元件设置在最外面的预型件之间，上述最外面的预型件叠层在一个模具表面上，和利用一个真空袋装置来产生一个负压，及随后可固化树脂与三维间隔织物连通流动。本发明的特点是，即使相邻的纤维织物层本身不具有三维间隔织物结构，产生的可固化树脂比较高速度的流动也提供上述相邻的纤维织物层充分的侧向浸湿，因此在整个复合层压制品中达到均匀的树脂浸渍。当然，本发明也可以与许多不同的模具型腔一起应用，并且同样适合于在如上所述的闭合式模具技术及敞开式模具技术中使用。
1.一种制品，包括一种纤维增强复合层压制品，该制品包括至少一个机织的或非织造的侧面含纤维表面和一个相对的机织的或非织造的含纤维表面，并在其间设置至少一个层间三维间隔织物结构，上述后面的结构具有一个有基本上铺放在一第一X和Y平面上的若干纤维的第一机织织物层、一个有基本上铺放在一第二X和Y平面上的若干纤维的第二机织织物层、及在它们之间基本上在一Z方向上延伸并使上述第一和第二织物层互连的许多间隔纤维，并提供一个用于穿过上述第一和第二织物层及在它们之间树脂浸渍的相当大的侧向自由路径，上述整个复合层压制品基本上用一种可固化树脂饱和。
2.用于形成一种纤维增强复合层压制品的方法，包括以下步骤将至少一个第一预型件铺放在模具表面上，上述第一预型件包括一种机织或非织造纤维结构，同时在其上施加一种三维间隔织物，上述三维间隔织物包括一个有基本上铺放在一第一X和Y平面中的若干纤维的第一机织织物层、一个有基本上铺放在一第二X和Y平面中的若干纤维的第二机织织物层、和在它们之间基本上在一Z方向上延伸并使上述第一和第二织物层互连的许多间隔纤维，在其上施加一个第二预型件，上述第二预型件包括一种机织或非织造纤维结构，将产生的叠层封闭在一个真空袋内，提供用于将真空加到上述真空袋封装上的装置，提供用于沿着上述真空袋的至少一侧并与至少上述三维间隔织物连通的加入一种可固化树脂合成物的装置，及加入上述树脂以流过和浸湿上述整个纤维结构。
本发明一般涉及在制造一种夹层芯界面复合材料时利用一种三维针织间隔织物元件材料。更具体地说，它涉及利用这种间隔织物作为一种皮－芯层压制品界面，以便增加层压制品粘合及尤其是增加整块芯网格的界面平面性，上述整块芯网格进行切割，以便符合所希望结构中的曲率。
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