[发明专利]用于制造单向纤维增强带的铺展元件

说明书

本发明公开了纤维增强复合材料及其制造方法和装置。一些纤维增强复合材料包含包括热塑性材料的基质材料和含有分散在基质材料中的多根连续纤维的非织造纤维区域，其中非织造纤维区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度，其中所述非织造纤维区域的平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65‑90，和变异系数(COV)(％)为3‑20，和其中所述多根连续纤维中的每一个基本上与所述纤维增强复合材料的长度对齐。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月10日提交的题为“具有均匀致密纤维层的单向纤维增强带及其制造装置和方法”的美国临时专利申请号62/131,002的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般性地涉及单向(UD)纤维增强复合材料及其制造装置和方法。特别地，一些UD纤维增强复合材料具有非织造纤维区域或层，所述区域或层包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维，其中非织造纤维区域具有基本均匀的密度，如通过平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)和相关变异系数(COV)(％)所定义的。聚合物基质可以是热塑性或热固性聚合物基质。

背景技术

复合材料可以包括分散在树脂/聚合物基质中的纤维。这种复合材料可用于各种行业，例如在消费电子产品、弹道学、航空航天和运输工业中。UD复合材料是具有在基本上一个方向上延伸的纤维的复合材料。具有各向异性特性的UD复合材料可用于制造具有在一个或多个方向或维度上变化的性质的制品。

UD复合材料的一个实例是UD带或预浸料，其可以表征为浸渍有聚合物树脂的连续UD纤维(例如玻璃纤维、碳纤维等)的薄条或带。这样的UD带可以具有1至15cm的宽度，可能更宽，和小于1mm的厚度。这样的UD带可以设置在线轴或卷轴上。UD带描述于Bompard等人的美国专利号6,919,118以及Li等人的美国公开号2014/0147620中。

理论上，UD复合材料中的所有纤维应均匀、平行和连续；然而，在实践中，这些性质难以实现。例如，通常可获得的UD带可以具有纤维区域或层，其包括纤维的不均匀布置、气穴或空隙、断裂的纤维等。已经有很多尝试来解决这些问题。

授予给Wai的美国专利号5,496,602尝试通过将UD纤维放置在一对环氧热固性树脂膜之间并加热纤维和膜来形成UD带来解决这些问题。UD带随后被注射聚合物以填充纤维之间的间隙。由于在应用膜期间的纤维移动，所得到的UD带可能包括纤维的非均匀布置以及气穴或空隙。此外，Wai的方法包括许多相对复杂的步骤以及引入可能不希望的材料诸如环氧树脂。

解决这些问题的一些尝试包括使用纤维铺展装置。授予Narihito的美国专利号5,101,542描述了这样一种纤维铺展装置，它包括多个滚筒元件，每个滚筒元件具有在其中心凸出的连续凸状外表面。授予给Meyer的美国专利号8,191,215描述了一种旋转的纤维铺展装置，其包括翼，每个翼具有在横截面上连续凸起的最外侧的铺展边缘。Jung等人的美国专利号8,470,114和美国公开号2013/0164501分别描述了通过使纤维在一系列凸状杆上通过来铺展纤维的方法。Bompard等人的美国专利号6,585,842描述了通过使纤维在一系列弯曲(例如香蕉形)滚筒上通过来铺展纤维的方法。

解决上述问题的一些尝试包括使用浸渍装置。典型的浸渍方法包括使用纤维层可移动通过其中的聚合物溶液浴。在这种方法中，可以使用滚筒将聚合物溶液压入纤维层中。如上所述，Wai的方法通过将层的相对侧上的聚合物膜压入层中来浸渍纤维层。这些方法中的每一个都是类似的，因为它们涉及将聚合物树脂材料压入纤维层以实现纤维层的浸渍。

虽然这种纤维铺展和浸渍装置和方法可用于制备UD带，但是这种UD带仍然具有不均匀的纤维布置和在基质材料中的气穴或空隙。例如，图1包括使用扫描电镜获得的市售UD复合材料的横截面图像。这些市售的UD复合材料具有纤维区域，所述纤维区域具有不均匀的纤维布置，因此具有不均匀的密度，以及在聚合物基质中的空隙和气穴。