[发明专利]在厚度方向增强层压材料方法

说明书

一种用来向包括基质材料的层压材料提供厚度方向增强的方法包括：在层压材料中形成局部受热区以便通过使至少两个能量束的集合聚焦在需要进行厚度方向增强的位置来局部地软化基质材料的步骤；以及在局部受热区的位置穿过层压材料的厚度插入增强元件以在厚度方向上增强层压材料的步骤。

技术领域

本发明涉及利用增强元件在厚度方向（through-thickness）增强层压材料的方法。特别地，本发明涉及加热层压材料以插入增强元件的方法。

背景技术

层压复合材料广泛地用于许多工程应用中，在层压复合材料中，增强纤维保持在聚合基质内。此类材料可通常提供比常规金属材料更高的单位重量的强度和刚度。这使得此类复合材料有利于重量敏感的应用，诸如在航天领域中的那些应用。

层压复合材料的已知问题在于与相对应的平面内性质相比，它们的较差的层间或厚度方向机械性质。这种低层间强度和断裂韧性可能制约复合零件的设计并且甚至可能限制此类材料用于特定应用。

这个问题的一种解决方案是使用坚韧的基质材料。此类基质材料通常比常规基质材料显著更昂贵，常常具有较差的高温性质并且可能仍未提供断裂韧性的显著增加。

改进层间强度性质的替代解决方案是将厚度方向纤维插入于层间材料内。已发展了各种技术来插入这样的增强纤维。

将厚度方向增强纤维插入于层压材料内的一种方法是装订或Z-钉扎(z-pinning)。这些增强纤维通常在结构上为纤维性的并且可能在插入端处形成有45°倒角。厚度方向增强纤维预期抵抗剪切力以便改进层间强度和断裂韧性。

增强纤维可以插入于层压材料内，层压材料利用基质材料而被预浸渍。一旦已将增强纤维插入于层压材料内，层压材料和基质的组合然后可以固化以便形成固结的复合材料。然后复合材料可利用或不利用进一步加工形成复合部件。

如果基质材料具有适当较低黏度，则穿过预浸渍材料插入厚度方向增强纤维较为容易，并且对增强纤维造成更少损坏。黏度应当使得能插入增强纤维，但保持构成层压材料的层周围的基质材料。

图6为可以用于层压复合材料中的典型环氧树脂材料的流变学曲线图（动态黏度与温度关系），示出了如何可通过加热预浸渍层压材料到足以使增强纤维能穿过软化的基质材料插入而实现这一目的。从图6可以看出，通过加热层压材料，环氧树脂的动态黏度将显著低于在室温下的情况。这种黏度减小在很大程度上有助于插入增强纤维的过程。

然而，加热过程面临挑战，因为通常需要数千根增强纤维以便来制造合适强度的复合部件。

一个选项是仅将预浸渍层压材料加热到足以使基质材料不达到其胶凝点。胶凝点为固化过程开始并且基质材料将开始硬化的温度。在图6中，胶凝点被示出为流变学曲线的拐点，即，通过加热引起的黏度减小停止并且进一步加热造成黏度快速增加（因为材料开始固化或硬化）的点。一旦开始，固化过程不可被逆转。

在插入许多增强纤维时通过加热和冷却层压材料的循环来实现使基质材料保持低于其胶凝点。保持层压材料充分冷却的这种需要给制造过程增加了较长时间和复杂性。因此，其也可能是消耗大量能量的过程。单独来看，加热层压材料使得基质材料均匀地软化的过程可能是耗时的。

另一选项是加热预浸渍层压材料到已知温度，该温度具有相对应的已知并且有限的时间间隔，直到基质材料达到其胶凝点。一旦达到这个温度，待插入的所有增强纤维必须在基质材料开始硬化之前就位。由此得出，以此方式来增强层压材料，关于在插入过程中校正生产误差存在有限的范围，因为一旦开始，固化过程是不能停止的。

需要一种可以用系统并及时的方式但独立于固化过程而插入增强纤维的过程，固化过程继而可保持不受插入增强纤维影响。

发明内容