高性能熱塑性復(fù)合材料層壓制件及其制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明總體涉及復(fù)合材料層壓制件和由其制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，尤其涉及高性能 熱塑性復(fù)合材料層壓制件，由其制造的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，以及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 復(fù)合材料的應(yīng)用往往僅限于作為承受低到中等結(jié)構(gòu)性負(fù)載的部件。然而，為了滿 足航空航天和普通運(yùn)輸需求中諸如對(duì)耐腐蝕性、阻燃性、抗煙性和/或耐毒性的要求，需要 輕量、低成本及高性能的復(fù)合材料。此外，上述需求，尤其是與阻燃性要求相關(guān)的需求，也存 在于與發(fā)電、建筑、海陸運(yùn)相關(guān)的領(lǐng)域，以及與諸如用于車輛或人員的護(hù)甲或防彈材料相關(guān) 的領(lǐng)域。
[0003] 本發(fā)明實(shí)施方式可克服上述問(wèn)題并解決上述領(lǐng)域的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 根據(jù)本文所述的各個(gè)方面，提供一種耐火復(fù)合材料層壓制件，包括由內(nèi)嵌于該復(fù) 合材料層壓制件基質(zhì)內(nèi)的纖維所加強(qiáng)的熱塑性基質(zhì)材料。所述耐火復(fù)合材料層壓制件的熱 塑性基質(zhì)材料包括聚偏二氟乙烯（PVDF)。
[0005] 根據(jù)本文所述的其他方面，還提供一種耐火復(fù)合材料層壓制件，包括由內(nèi)嵌于該 復(fù)合材料層壓制件基質(zhì)內(nèi)的纖維加強(qiáng)的聚合物基質(zhì)材料。所述耐火復(fù)合材料層壓制件的聚 合物基質(zhì)材料包括聚偏二氟乙烯（PVDF)、聚醚醚酮（PEEK)、聚苯硫醚（PPS)以及聚醚酰亞 胺（PEI)中的至少一種。
[0006] 根據(jù)本文所述的其他方面，還提供一種包括耐火復(fù)合材料層壓制件的阻燃防彈板 體。所述復(fù)合材料層壓制件包括由內(nèi)嵌于該復(fù)合材料層壓制件基質(zhì)內(nèi)的纖維所加強(qiáng)的耐火 聚合物基質(zhì)材料，其中，所述阻燃防彈板體在投射物打擊至該板體時(shí)，可針對(duì)該投射物達(dá)到 NIJ標(biāo)準(zhǔn)護(hù)甲等級(jí)II-A、II、III-A、III及IV所規(guī)定的防護(hù)等級(jí)中的至少一種。
[0007] 根據(jù)本文所述的其他方面，還提供一種具有第一面和第二面的阻燃防彈板體，該 板體包括擊打面部分，該擊打面部分包括多個(gè)第一層片，每個(gè)所述第一層片均包括置于第 一聚合物基質(zhì)材料內(nèi)的纖維，所述第一聚合物基質(zhì)材料包括第一阻燃樹(shù)脂。所述阻燃防彈 板體還包括與所述擊打面部分相鄰的支撐部分，該支撐部分包括多個(gè)第二層片，每個(gè)所述 第二層片均包括位于第二聚合物基質(zhì)材料內(nèi)的纖維，所述第二聚合物基質(zhì)材料包括第二阻 燃樹(shù)脂，其中，每一層片均與相鄰層片相粘合。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1為包括芯體的根據(jù)實(shí)施方式的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)立體示意圖。
[0009] 圖1A為圖1所示高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的放大示意圖。
[0010] 圖2為圖1所示根據(jù)實(shí)施方式的芯體的立體示意圖。
[0011] 圖3為可作為根據(jù)實(shí)施方式的所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)層壓制件的層體/層片的非限制 性實(shí)施例示意圖。
[0012] 圖4為用于制造諸如根據(jù)實(shí)施方式的所述復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料層壓制件的 裝置的總體示意圖。
[0013] 圖5為包括根據(jù)實(shí)施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍睦洳赝宪嚭笠晥D。
[0014] 圖6為包括根據(jù)實(shí)施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍暮娇肇涍\(yùn)集裝箱立體 圖。
[0015] 圖7為包括根據(jù)實(shí)施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍蔫F路貨運(yùn)集裝箱立體 圖。
[0016] 圖8為包括根據(jù)實(shí)施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍穆?lián)運(yùn)集裝箱立體圖。
[0017] 圖9所示為包括根據(jù)實(shí)施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍碾姵赝鈿ぁ?br>[0018] 圖10所示為包括根據(jù)實(shí)施方式的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和/或?qū)訅褐萍碾姵睾小?br>[0019] 圖11為根據(jù)實(shí)施方式的阻燃防彈板體的部分剖面立體示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020] 本文中，發(fā)明人根據(jù)實(shí)施方式描述了高性能熱塑性復(fù)合材料層壓制件、由其制成 的高性能復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及制造此類層壓制件及結(jié)構(gòu)的方法。此類高強(qiáng)度層壓制件及結(jié)構(gòu) 可提供一需求度極高的解決方案。其原因在于，發(fā)明人已進(jìn)一步確定，可滿足例如航天航空 應(yīng)用中的某些需要的某些樹(shù)脂非常昂貴且難于加工，該樹(shù)脂生產(chǎn)中通常需要特殊工藝，而 且還需后處理工藝才能制得成品。例如，市售烯烴樹(shù)脂中摻雜阻燃添加劑后通常會(huì)導(dǎo)致性 能損失，該損失的程度通常使得所制得最終結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能顯著降低。此外，此類材料通常 無(wú)法滿足航空航天及其他運(yùn)輸行業(yè)的阻燃要求。因此，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式，發(fā)明人已確定 如何諸如通過(guò)在熱塑性基質(zhì)中將高性能阻燃樹(shù)脂的性能與高強(qiáng)度纖維相結(jié)合，從而生成在 機(jī)械特性方面具有高性能的復(fù)合材料，而且同時(shí)實(shí)現(xiàn)耐腐蝕性以及不產(chǎn)生火、煙以及毒性 的能力（例如，對(duì)火、煙及有毒物質(zhì)的強(qiáng)抵抗性/阻滯性），從而滿足工業(yè)需求。
[0021] 如下文中進(jìn)一步詳述的，根據(jù)實(shí)施方式，公開(kāi)一種由連續(xù)纖維加強(qiáng)的熱塑性材料 所構(gòu)成的復(fù)合材料，該材料易于制造，而且提供尚強(qiáng)度重量比、尚耐沖擊性、尚耐疲勞性、尚 耐化學(xué)腐蝕性、高耐溫性、高阻燃性和/或低毒或無(wú)毒性，以及提供諸如商業(yè)用途所需的其 它特性。此外，還如下文中進(jìn)一步詳述的，本發(fā)明實(shí)施方式中優(yōu)選納入了對(duì)諸如E玻璃纖維 及S玻璃纖維等高強(qiáng)度纖維以及聚偏二氟乙烯（PVDF)樹(shù)脂的使用，以滿足對(duì)諸如高性能單 條帶型層壓制件、層片型層壓制件和/或夾芯板等形式的要求，從而例如提供可滿足諸如 航空航天領(lǐng)域要求的不致火、不生煙、無(wú)毒性的復(fù)合材料產(chǎn)品。此外，已經(jīng)確定的是，例如 碳、酰胺、玄武巖和硼等材料也適合且優(yōu)選應(yīng)用于本文所公開(kāi)的復(fù)合物材料。
[0022] 發(fā)明人已進(jìn)一步確定，在本文所公開(kāi)的層壓制件的構(gòu)造中使用單向條帶可提高所 述復(fù)合材料的機(jī)械性能，使其優(yōu)于例如傳統(tǒng)編織型層壓制件的機(jī)械性能。此外，使用諸如玻 璃纖維等纖維可實(shí)現(xiàn)以低成本材料取代（如50%至85%質(zhì)量百分比）旨在滿足抗煙、耐火 及耐毒性要求而使用的部分高成本樹(shù)脂（如PVDF)，并且可實(shí)現(xiàn)所需的機(jī)械性能。然而，需 進(jìn)一步注意的是，如下文所述，本文所公開(kāi)的所述層壓制件在采用條帶型層壓制件以及層 片型層壓制件等形式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)提供強(qiáng)度及降低致火性的能力。一般而言，根據(jù)實(shí)施方式， 本文所公開(kāi)的所述高強(qiáng)度加強(qiáng)型熱塑性材料及結(jié)構(gòu)包括熱塑性基質(zhì)材料、高強(qiáng)度加強(qiáng)纖維 以及必要時(shí)可采用的其它加強(qiáng)材料的組合。
[0023] 現(xiàn)在參照附圖，本文所公開(kāi)的一個(gè)方面涉及一種如圖1和圖1A所示的復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)10,包括：第一外層體/皮層12 ;第二外層體/皮層14 ;以及夾置于第一外層體12和第 二外層體14之間的芯體16。需要注意的是，芯體16并不一定需直接抵靠第一外層體12和 /或第二外層體14。舉例而言，如圖1和圖1A所示，還可在第一外層體12和第二外層體14 之間設(shè)置至少一個(gè)中間層體/皮層17。因此，根據(jù)實(shí)施方式，芯體16可例如夾置于兩個(gè)中 間層體17之間。此外，根據(jù)需求，還可使用更多或更少的中間層體17。作為另一可替代方 案，還可不使用中間層體17。
[0024] 需首先注意的是，雖然結(jié)構(gòu)10在圖1和圖1A中示為大致呈正方形的復(fù)合材料"夾 芯板"，然而復(fù)合材料結(jié)構(gòu)10的結(jié)構(gòu)并不限于此。根據(jù)最終用途制品，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)10可 制成任何合適的形狀、大小、厚度等。因此，包括所述層體/諸如其內(nèi)的層壓制件12、14和 17,以及芯體16的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)10可制成任何合適的形狀、大小、厚度、尺寸等，而且可制 成任何合適的制品/產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)施方式，下文在組分信息之后給出此類制品的更多 細(xì)節(jié)及示例。
[0025] 圖1和圖1A所示芯體16包括合適材料，通常為泡沫。根據(jù)一種實(shí)施方式，所述泡 沫包括聚偏二氟乙烯（PVDF)泡沫，例如Zotek品牌的PVDF泡沫。然而，需要注意的是，根 據(jù)實(shí)施方式，芯體16可包括任何合適材料，包括本文中所描述的例如用于層體12、14和17 的材料及其任意組合。
[0026] 就用于第一外層體12、第二外層體14、所述至少一個(gè)中間層體17以及其組合體和 構(gòu)造體的材料而言，需提及的是以下非限制性材料和工藝。雖然以下提及了具體熱塑性材 料，然而需要注意的是，包括第一和第二外層體12,14以及中間層體17的所述復(fù)合材料結(jié) 構(gòu)10的實(shí)施方式可由任何帶有或不帶有額外加強(qiáng)物的合適纖維加強(qiáng)型熱塑性樹(shù)脂制成， 而且可包括任何合適的熱塑性表層/層體。
[0027] 根據(jù)一種實(shí)施方式，圖1和圖1A所示"夾芯板"10可包括通過(guò)合適粘合劑施加（例 如粘合）至膨脹熱塑性泡沫片（如芯體16)的相對(duì)面的多個(gè)層體或多層層壓制件（如層體 12和/或14和/或17)。在一種實(shí)施方式中，施加至所述相對(duì)面的層體或?qū)訅褐萍械?各層可由纖維加強(qiáng)的熱塑性條帶構(gòu)成，該條帶例如具有根據(jù)成品所需特性所設(shè)定的單向和 /或多軸纖維排列。根據(jù)本發(fā)明一極其適用的實(shí)施方式，公開(kāi)一種板體，所述板體包括高強(qiáng) 度層體/皮層12,14以及芯體16,所述層體/皮層例如包括由高強(qiáng)度連續(xù)纖維（如玻璃纖 維）加強(qiáng)的PVDF樹(shù)脂基質(zhì)，所述芯體包括PVDF泡沫。在本文所公開(kāi)的各結(jié)構(gòu)中加入PVDF 材料可使最終結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品具有所需的耐火/阻火特性。
[0028] 根據(jù)實(shí)施方式，第一外層體12、第二外層體14和中間層體17中的至少一個(gè)包括 多個(gè)復(fù)合材料層片，所述多個(gè)復(fù)合材料層片至少包括第一復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層 片，所述第一復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層片中的每一個(gè)均包括位于熱塑性基質(zhì)內(nèi)的多 條纖維，所述多個(gè)層片相互貼合，從而形成復(fù)合材料層壓制件。根據(jù)某些實(shí)施方式，所述第 一外層體12、第二外層體14和中間層體17均包括上述構(gòu)件。根據(jù)實(shí)施方式，所述層體12、 14、17以及芯體16中的至少一個(gè)包括PVDF。
[0029] 根據(jù)實(shí)施方式，第一外層體12、第二外層體14和中間層體17中的至少一個(gè)的復(fù)合 材料層壓制件可包括相互粘合的一個(gè)或多個(gè)復(fù)合材料層片，而且通常至少為兩個(gè)復(fù)合材料 層片，例如第一復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層片。每個(gè)層片均包括多條纖維。所述第一 復(fù)合材料層片和第二復(fù)合材料層片中的每一個(gè)的所述多條纖維均浸漬有熱塑性基質(zhì)材料。
[0030] 根據(jù)實(shí)施方式，所述熱塑性基質(zhì)材料可包括任何具有適用于所述應(yīng)用的熱塑性質(zhì) 的材料或材料組合，包括但不限于，可使最終復(fù)合材料具有所需耐火特性的聚偏二氟乙烯 (PVDF)、聚酰胺（尼龍）、聚乙烯、聚丙烯、聚對(duì)苯二甲酸乙酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮（PEEK)、 聚苯硫醚（PSS)、聚醚酰亞胺（PEI)、通用含氟聚合物以及其他工程樹(shù)脂，其它熱塑性聚合 物和/或其組合，例如具有所需特性的組合。
[0031] 在一種實(shí)施方式中，所述第一復(fù)合材料層片中的所述多條纖維大致相互平行，而 且所述第二復(fù)合材料層片中的所述多條纖維也大致相互平行。因此，根據(jù)一種實(shí)施方式，每 個(gè)層片的所述纖維均縱向排列（即彼此相互對(duì)齊）且在層片中整體連續(xù)延伸。根據(jù)實(shí)施方 式，本文中有時(shí)將復(fù)合材料層片稱為層片或片材，而且依據(jù)所述纖維的縱向取向?qū)⑵浔硎?為具有"單向"特征。
[0032] 根據(jù)本文所公開(kāi)的其他實(shí)施方式，所述第一復(fù)合材料層片內(nèi)的多條纖維與所述第 二復(fù)合材料層片內(nèi)的多條纖維交叉排列（橫切排列）。舉例而言，第一復(fù)合材料層片內(nèi)的 多條纖維與所述第二復(fù)合材料層片內(nèi)的多條纖維交叉排列的角度為大于約〇°至約90°， 具體而言為約15°至約75°。還需注意的是，根據(jù)實(shí)施方式，上述角度還可以為0°至約 90。。
[0033] 此外，根據(jù)