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CN102264534A - 适合制作复合部件的新的增强材料 - Google Patents

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CN102264534A
CN102264534A CN2009801522218A CN200980152221A CN102264534A CN 102264534 A CN102264534 A CN 102264534A CN 2009801522218 A CN2009801522218 A CN 2009801522218A CN 200980152221 A CN200980152221 A CN 200980152221A CN 102264534 A CN102264534 A CN 102264534A
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让-克里斯托弗.明尼
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Hexcel Fabrics SA
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Abstract

本发明涉及一种新的中间材料，其意图与热固性树脂联合用于制造复合部件，所述中间材料具有表面密度为100至280g/m2的碳纤维单向层，在该单向层的每个表面上结合有热塑性纤维的平幅，所述平幅的厚度为0.5至50微米，优选3至35微米，所述中间材料的总厚度为80至380微米，优选90至320微米。本发明还涉及使用这种材料制造复合部件的方法，和得到的复合部件。

Description

适合制作复合部件的新的增强材料
本发明涉及适合制作复合部件的新的增强材料的技术领域。更具体地，本发明涉及含有单向层的新的中间材料，其用于通过接下来注射或灌注热固性树脂而制造复合部件，从这种材料的堆叠物制造复合部件的方法，以及获得的复合部件。
复合部件或物品(即，一方面，包括一个或者多个增强材料或者纤维层，和另一方面，包括主要的热固性(″树脂″)基质，并且其可包括热塑性物质)的制造可例如通过称为″直接法″或者″LCM″(来自英语″Liquid CompositeMoulding″)的方法获得。直接方法通过以下事实定义：一种或者多种纤维增强材料以″干″状态(即，没有最终的基质)使用，该树脂或者基质单独使用，例如通过注射到含有该纤维增强材料的模具中(″RTM″方法，来自英语ResinTransfer Moulding)，通过贯穿该纤维增强材料的厚度灌注(″LRI″方法，来自于英语″Liquid Resin Infusion″，或者″RFI″方法，来自于英语″Resin FilmInfusion″)，或者纤维增强材料的每个单元层上通过辊或者刷手工涂覆/浸渍，在该模具上连续施涂。
对于所述的RTM，LRI或RFI方法，通常首先需要建立所需的成品的模具的纤维预成型物，然后将该预成型物用树脂浸渍。将该树脂在某温度通过压差注射或者灌注，然后一旦所有量的必要树脂都包含在该预成型物中，就将该组合件加热至较高的温度从而完成该聚合/交联(polymerization/reticulation)循环，并由此使其硬化。
用于汽车，航空或者航海工业中的复合部件尤其是受制于非常严格的要求，特别是在它们的机械性能方面。实际上，该部件的机械性质主要涉及到作为纤维体积率(VFR)的参数。
在这些部分中，大量的预成型物基于增强材料，主要是碳纤维，特别是单向类型的碳纤维而制造。理论上可通过假设两种类型的结构为六边形或者正方形而计算包含在单向层中的最大纤维体积率。分别假设六边形类型的结构和正方形结构，获得的最大VFR分别为90.7％和78.5％(An Introduction toComposite Materials，D.Hull，T.W.Clyne，Second Edition，Cambridge SolidState Science Series，1996)。但是事实上，对于复合部件，似乎难以获得大于70％的纤维体积分率。实际上，本领域技术人员通常接受的是，约60％的纤维体积率(VFR)对于实现满意的复合部件，同时具有良好的再现性是标准的(S.T.Peters，″Introduction，composite basics and road map″，in Handbookof Composites，Chapman & Hall，1998，p.1-20and particularly p.8)。
接下来在该部件的制造过程中结合(特别是通过注射或者灌注)至该单向增强层的树脂可为热固性树脂，例如环氧类型的热固性树脂。为了容许正确地流经由不同的碳纤维层的堆叠物构成的预成型物，该树脂常常是非常流动性的。这种类型的树脂的主要缺点是聚合/交联之后它是易脆的，这导致制造的复合部件的耐冲击性差。
为了解决这个问题，现有技术文档提出了碳纤维的单向层与热塑性纤维的平幅(web)的联合。诸如这些方案显著地描述于专利申请或者专利EP1125728，US 628016，WO 2007/015706，WO 2006/121961和US 6,503,856中。添加这种平幅使得可以改善冲击后压缩(CAI)试验中的机械性质，该机械性质通常用于表征该结构的抗冲击性。
文献US 2006/0154545描述了在单向织物情况下的这种方案，但是在所描述的材料的特性时，这使得不可能获得满意的VFR。
以下给出有关单向的这些现有技术解决方案的详细描述。以TorayIndustries Inc.的名义提交的专利申请EP 1125728描述了将一层增强纤维结合到短纤维非织造材料的增强材料。将该非织造材料层压到该增强材料层的至少一面，从而使得构成该非织造材料的纤维穿过该层的增强纤维(由碳制成)，由此整合到该增强纤维中。该非织造材料由低熔点纤维和高熔点纤维的混合物构成。重要的是，指出所有引用的实施例都使用单种非织造材料，其联合到织物或者单向层组成的增强纤维层的仅一面上，导致不对称的增强材料。实施例4使用由300g/m2的单向织物组成的一层增强纤维。没有提及该非织造材料所使用的厚度，但是在给定它的表面密度(8g/m2)和它的所述90％的孔隙率的情况下，厚度一定是比较高的。所用的堆叠物的类型为[-45/0/+45/90]2s，即7个含有单种非织造材料的插入层。如果将该文档中的教导应用于碳纤维层(其具有较小的表面密度，例如134g/m2)，该碳纤维层与相同类型的平幅结合，但是在每一侧上进行结合，获得对称的材料，会导致非常低的纤维体积率，这与产生用于航空工业的主要结构不相容。
以Boeing Company的名义提出的专利申请WO 2007/015706描述了制造预成型物的方法，该预成型物结合了将多层碳纤维和多层非织造材料交替从而增加复合结构的抗冲击性的缝合组合件。该非织造材料置于每个插入层上，并且没有置于该碳纤维层的每一侧。该专利申请没有提及碳层的表面密度的任何范围，也没有提及该非织造材料的厚度范围。实施例提及了使用三种不同的非织造材料，其中仅提及了表面密度为4.25g/m2(0.125oz/yd2，美国单位)，8.5g/m2(0.25oz/yd2)，和12.7g/m2(0.375oz/yd2)。没有提及这些产品的厚度。基于共聚物的平幅中之一实际上对抗冲击性具有负面影响。实施例表明产生的面板的厚度，碳层的表面密度(190g/m2)和碳纤维的类型(T700，体积密度为1780kg/m3)。对于在冲击后压缩(CAI)中具有最好的断裂应力结果的面板，厚度变化为从0.177至0.187英寸(4.5至4.75mm)。从这些厚度和有关纤维类型和碳层的表面密度的信息，可以评价该面板的VFR，其变化范围是54至57％，低于本领域技术人员在主要部件的制造时通常考虑的值。最好的CAI结果(39.6ksi或者273MPa)在VFR为54％时获得。
在专利申请WO 2006/121961中，在形成所述预成型物的过程中，将由可溶纤维(例如环氧树脂的纤维)构成的非织造材料在碳纤维层的每个插入层插入。该非织造材料不直接与与该碳层相连。所示的实施例使用碳纤维织物，其表面密度为370g/m2，非织造材料为60g/m2。制造的板使得可以获得仅55％的VFR。同时，缺乏精确的冲击后压缩(CAI)试验(没有冲击能量的说明)使得不可能推导出所示的测量值的机械性能。
专利US 6,503,856提及了使用碳层，在该碳层上，将两个粘合剂层以平幅形式重叠在该碳层的至少一侧上。这个专利没有提及粘合剂层的厚度(仅提及了两个层的纤维的直径)，该碳的优选表面密度为200至1000g/m2。电源(电池，燃料电池)是这种产品的目标应用，并且没有强调这种产品的相关性。
因此，似乎将平幅添加到现有技术的技术最通常会损害其它机械性质。实际上，如前面所提及的，机械性质主要由纤维体积率(VFR)决定，和现有技术中所述的技术没有明确指出，可获得VFR为60％级别的复合部件。
因此，本发明的目的之一是提出一种新的中间产品，其适合于制造基于热固性树脂的复合部件，特别是通过树脂注射或者灌注来制造复合部件，这使得可以获得纤维体积率为60％级别且具有满意的机械性质的复合部件，从而满足某些非常严格的规定，例如在航空领域中强加的规定。
本发明的另一目的是履行这些规定，同时提出一种对称的中间产品，其将会更容易实施和更适合于自动化方法。
在上下文中，本发明涉及用于生产复合部件的新的中间材料，其通过随后的注射或者灌注热固性树脂制备该复合部件，该中间材料具有表面密度为100至280g/m2的碳纤维单向层，在该单向层的每个表面上结合有热塑性纤维的平幅，所述平幅的厚度为0.5至50微米，根据本发明的中间产品的总厚度为80至380微米，优选90至320微米。
本发明也涉及制造这种中间材料的方法，其中通过热塑性纤维的平幅的熔融和冷却的步骤，使表面密度为100至280g/m2的单向碳纤维层在它的每个表面上与该热塑性纤维的平幅结合，使得该中间材料的总厚度为80至380微米，优选90至320微米，其中所述平幅各自的厚度为0.5至50微米，优选3至35微米，。
在另一方面，本发明涉及根据本发明的中间材料的堆叠物，该中间材料在该堆叠物内连接到一起。根据优选的实施方式，这种堆叠物不通过缝合或者针织而稳固的，而是通过对该平幅的加热/冷却操作而进行的焊接而稳固的。
本发明的另一目的是复合部件的制造方法，其包括以下步骤：
a)产生根据本发明的中间材料的堆叠物，
b)接着以预成型物的形式加固所述堆叠物，
c)通过注射或灌注添加热固性树脂，
d)通过在压力下的热处理步骤，接着冷却而使所期望的部件加固。
从而使得获得的复合部件显著具有57至63％，优选59至61％的纤维体积率(VFR)。在根据本发明的方法的一种具体实施方式中，通过在低于大气压的压力，特别是在低于1巴的压力例如在0.1至1巴的压力下的灌注而添加热固性树脂。
根据本发明的中间材料和方法使得可以产生VFR为60％级别的复合部件，其对应于在航空中主要结构(即，航空器的重要部件)的标准因子，并且也对应于获得的复合部件的低速抗冲击性的显著改善：例如，在复合结构的制造过程中工厂中工具的跌落，在使用过程中与外来物体的碰撞。
在注射方法过程中施加的压力高于在灌注过程中使用的压力。结果是，使用注射比使用灌注方法更容易制造具有正确的VFR的部件。根据本发明的材料使得可以达到期望的纤维体积率，特别是为60％的级别，即使当使用用灌注树脂而不是注射树脂的步骤c)制造该复合部件时也是这样。这种实施方式也是有利的变体。
根据本发明的方法可获得的复合部件也是本发明的整体部件(integralpart)，尤其是纤维体积率为57至63％，特别是59至61％的部件。
以下描述，参考附图，使得可更好地理解本发明。
图1是根据本发明的中间材料的横截面。
图2是用于制造根据本发明的中间材料的机器的示意图。
图3A和3B表示用于在真空下测量预成型物的厚度的设备。
图4A和4B是根据本发明的中间材料的顶部示意视图，其中进行了穿孔。
图5是穿孔设备的部分透视图。
图6是结合了各种同轴穿孔方式的设备的部分视图。
图7至10是由单向层(在它们的大表面的每一个上结合有(非织造)平幅)构成的中间产品的显微横截面。
图11至14是根据本发明焊接和穿孔的堆叠物顶部视图，图15是从根据本发明穿孔的中间产品的上方看见的图。
图16显示了在几个构造中获得的作为纤维体积含量的函数的渗透率。
图17显示了机械测试的结果。
″碳纤维的单向层″是指唯一地或者半-唯一地(quasi-exclusively)由彼此平行放置的碳纤维构成的层。为了在该层与该热塑性纤维平幅结合之前便于操作(如果需要)该层，可存在热塑性粘结线料，特别是聚酰胺，共聚酰胺，聚酯，共聚酯，酯/醚嵌段共聚酰胺，聚缩醛，聚烯烃，热塑性聚氨酯，苯氧基树脂。这些粘结线料最经常是与该碳纤维横向放置。术语″单向层″也包括这样的单向织物，其中间隔的纬向线料通过交织横穿碳纤维，该碳纤维彼此平行放置并且构成该单向织物的经向线料。即使是在这些不同的情况下，当存在这种粘合，缝合或者纬向线料存在时，彼此平行的碳纤维将占该层重量的至少95％，因此其符合″单向性的″要求。但是，根据本发明的具体实施方式，该单向层不含有与碳纤维交织的纬向纤维，从而避免任何起伏。具体地，根据本发明的中间材料不含有织造部分(weaving)，也不含有缝合部分(stitching)，也不含有针织部分(knitting)。在该单向层中，碳线料优选不与聚合物粘合剂结合，并且因此描述为“干的(dry)”，这意味着它们在与该热塑性平幅结合之前，既不是浸渍的，也不是涂覆的，也不与任何聚合物粘合剂结合。但是碳纤维常常具有高重量比的标准上浆剂(standard sizing)的特征，该标准上浆剂能够占它们重量的至多2％。
作为本发明的一部分，构成该中间材料的芯部的碳纤维层的每平方米克重为100至280g/m2。这个每平方米克重的范围使得设计工程师容易通过调节不同层的堆叠顺序(作为该复合结构的不同机械应力的模式的函数)而正确地使复合材料结构成为所需的尺寸。基本层的较低的碳每平方米克重将给在各种可能的具有恒定厚度的堆叠物的选择方面提供多得多的多功能性(versatility)。
该中间材料中的单向层的每平方米克重与该单向层在与该平幅结合之前的每平方米克重相匹配，但是不可能测量该单向层在它与该平幅结合之前的每平方米克重，这是因为该线料彼此没有内聚力。该碳纤维层的每平方米克重可由中间材料(单向层+2个平幅)的每平方米克重测定。如果该平幅的表面密度是已知的，那么就可推导出该单向层的表面密度。可有用地通过该平幅的化学蚀刻(也可通过热解)从该中间产品测定表面密度。这种类型的方法通常被本领域技术人员用来测定织物或者复合结构的碳纤维的比例。
下文描述测量该中间材料的每平方米克重的方法。该中间材料的每平方米克重通过称重100cm2(也即，直径为113mm)的切割样品而测量。为了便于切割柔性中间材料样品，将该中间材料置于两个来自Cartonnage Roset公司(Saint Julien en Genevois，France)的有光泽的卡片(447g/m2，厚度为0.450mm)之间，以确保用于该组合件的某些刚性。来自Novi Profibre公司(Eybens，France)的汽力的圆形冲压机用于切出该组合件；对于每种类型的制造的中间体产品，收集10个样品。
在该单向层中，发现该碳纤维最通常是具有至少1000根长丝，特别是3000至50,000根长丝，例如3K，6K，12K或者24K长丝的线料的形式。该碳纤维的支数为60至3800tex，优选400和900tex之间。单向碳层的厚度为90至270μm。
该单向层在它的每个表面与热塑性纤维的平幅结合，得到如图1中所述的中间产品。使用对称的中间产品使得在它的手工或者自动放置用于形成复合部件的过程中，可避免任何堆叠错误，并因此限制易碎区域的产生，特别是限制没有平幅的插入层的产生。
″平幅″是指连续或者短纤维的非织造材料。具体地，构成该非织造材料的纤维的直径可为0.5至70μm。在短纤维非织造材料的情况下，该纤维可具有1至100mm的长度。
作为本发明的一部分，构成该平幅的纤维有利地由热塑性材料构成，该热塑性材料尤其可选自：聚酰胺(PA：PA6，PA12，PA11，PA6，6，PA 6，10，PA6，12，...)，共聚酰胺(CoPA)，聚酰胺-嵌段醚或者酯(PEBAX，PEBA)，聚邻苯二甲酰亚胺(PPA)，聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯-PET-，聚对苯二甲酸丁二醇酯-PBT-...)，共聚酯(CoPE)，热塑性聚氨酯(TPU)，聚缩醛(POM...)，聚烯烃(PP，HDPE，LDPE，LLDPE...)，聚醚砜(PES)，聚砜(PSU...)，聚苯砜(PPSU...)，聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)，聚(苯硫醚)(PPS)，或者聚醚酰亚胺(PEI)，热塑性聚酰亚胺，液晶聚合物(LCP)，苯氧基树脂(phenoxys)，嵌段共聚物例如苯乙烯-丁二烯-甲基丙烯酸甲酯(SBM)，甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯共聚物(MAM)，或者由这些热塑性材料构成的纤维的混合物。该材料当然适合于在接下来的复合部件制造过程中用于产生该基质的不同类型的热固性体系。
在该平幅与该单向层结合之前它们的厚度将根据它们将与碳纤维的层结合的方式选择。最经常地，它们的厚度将非常接近于该中间产品所需的厚度。也可能选择使用较厚的平幅，该平幅将在结合步骤在一定的温度下被层压从而达到期望的厚度。在优选的方式中，该碳层在它的每个大表面上与两个基本上相同的平幅结合，从而获得优选对称的中间产品。该平幅在与该碳单向层结合之前的厚度为0.5至200μm，和优选为10至170μm。在根据本发明的中间产品上，每个平幅的厚度为0.5至50微米，并且优选为3至35微米。
不同的平幅在结合之前的厚度通过标准NF EN ISO 9073-2，使用方法A，以2827mm2(60mm直径的圆盘)的测试面积和0.5kPa的施加压力测定。
本发明的中间产品的厚度为80至380微米，优选为90至320微米，这特别是使得可在生产的最终部件上获得所期望的纤维体积率，即使生产的最终部件在减压下通过灌注来制造也是这样。
标准的NF EN ISO 9073-2不容许测量由几种组分合并获得的材料的一种组分。因此已经使用了两种方法：一种是一将该平幅层压到该单向层上就测量该平幅的厚度，另一种是测量该中间产品的厚度。
因此，已经由显微横截面(其容许+/-1μm的精度)测定了附接至单向碳层的非织造材料或者平幅的厚度。该方法如下：使用刷子用在环境温度聚合的树脂(Araldite and Araldur 5052，来自Huntsman公司)浸渍中间材料，该中间材料结合了由碳线料构成的单向层和层压到该单向层每一侧上的两个平幅。将该组合件置于两个板之间，从而在聚合期间施加2-5kPa的数量级的压力。存在于该中间产品中的平幅的厚度测量值与在该步骤期间施加的压力是独立的。将一片该组合件包在冷流延的树脂Epofix Kit(来自Struers)，然后抛光(使用320μm的金刚砂砂纸和低至0.3μm的不同的毛布)用于用与Olympus ColorView IIIu相机结合的Olympus BX 60光学显微镜观察。在环境温度聚合的这种树脂的使用对平幅的厚度没有影响，仅是使得可以进行测量。来自Olympus Soft Imaging Solution GmbH公司的软件程序analySIS auto5.0使得可获得相片，并且获得厚度测量值。对于每个中间材料(在每侧上结合有平幅的单向层)，以20的放大倍数取5个图像。在每个图像上，对该平幅进行15个厚度测量，并且测定它们的平均值和标准偏差。
该中间产品的厚度使用以下方法测定，该方法的设备示于图3a和3b中，该方法测定中间产品的堆叠物的平均值。在这些图中，A表示预成型物；B是支撑板；C是硅纸；D是真空包装膜；E是真空装置；F是排出毛布(drainingfelt)，和G是真空口。该方法是本领域技术人员通常使用的，并且使得能够进行全局测量同时最小化可能局部地存在于给定的中间产品中的可变性。在真空包装膜CAPRAN 518中，将由不同取向的中间产品的层的堆叠物构成的预成型物置于两层130g/m2硅纸之间，该硅纸的厚度为0.15mm，由SOPAL公司销售，该真空包装膜CAPRAN 518来自Aerovac公司(Aerovac SystèmesFrance，Umeco Composites，1 rue de la Sausse 31240 Saint-Jean，France)，并且与Aerovac销售的排泄毛布Airbleed 10HA接触。通过由Aerovac销售的真空设备SM5130确保该组合件的泄露气密性。使用Leybold SV40 B真空泵(Leybold Vacuum，Bourg les Valence，France)抽至0.1至0.2kPa的真空。接着在减去真空袋和硅纸的厚度之后，在两个TESA Digico 10数字比较仪(digital comparators)之间测量该预成型物的厚度。在每个预成型物上进行25次测量，并且测定它们的平均值和标准偏差。然后通过将预成型物的总厚度除以重叠的中间产品的层数测定中间产品的厚度。
该中间产品的厚度有利地具有小的可变性，特别低厚度变化不超过20μm，优选不超过10μm的标准偏差，如特别是在以下实施例中所说明的。
此外，该平幅的表面密度有用的范围是0.2至20g/m2。
该单向层和所述平幅之间的结合可以以不连续的分批方式获得，例如仅在某些点或者区域进行联合，但是优选使用描述于连续的联结进行，所述联结在该层的整个表面上延伸。该单向层与两个平幅的结合可通过粘合剂层的方式获得，所述粘合剂层选自例如环氧粘合剂，聚氨酯粘合剂，热固性胶水，基于可聚合单体的粘合剂，丙烯酸类结构的或者改性的丙烯酸类结构的粘合剂，和热熔粘合剂。但是最通常的是，通过该热平幅的粘性使得能够进行该结合，例如在热压缩步骤过程中该粘性确保了该单向层和该平幅之间的联结。这个步骤导致该平幅的热塑性纤维软化，使得该单向层与该平幅在冷却之后加固。使加热和压力条件适合于构成该平幅的材料和它们的厚度。最通常地，在该单向层的整个表面上的热压缩步骤将在Tfweb-15℃至Tfweb+60℃(其中Tfweb是指该平幅的熔化温度)范围的温度和在0.1至0.6MPa的压力产生。因此可在与该平幅结合之前和之后获得1至10的压缩比。该平幅在该单向碳材料上的层压步骤同样对于正确地测定中间产品的最终厚度是决定性的。实际上，根据温度和压力条件，特别是在层压的过程中，可改变并因此调节该平幅在中间产品的每侧上的厚度。也可想到通过局部加热该平幅而将该单向层仅在一些区域与该平幅结合，从而获得类似于缝合或者针织点联结的联结，所述的缝合或者针织点联结在现有技术中用来产生多轴材料，并且将单向层彼此捆束。可通过常规的电阻加热或者通过超声方法获得加热。可考虑导致完全不连续焊接的点焊。术语″点″作为该描述的一部分是用来指属于一组焊接的各个焊接，并且因此包含不同形式的焊接。在该中间材料的平面中，点焊可特别地以不连续的或者连续的线出现，即，各种形式的点，特别是圆形或者棱镜形，环形等在该单向层的整个宽度上延伸。冲压机进行的加热的合适方法用来进行该点焊。例如，导致完全不连续的焊接的这些点焊使得具有更好的包模能力(drapeability)。这些点焊在中间材料的表面上分布，从而确保它的内聚力，并且使得可以确保单向层和平幅之间的联结。为了确保该单向层的所有纤维的联结，该焊接可以以连续的线的形式延伸通过该中间材料的整个宽度，例如沿该单向层的横向延伸。也可施加彼此偏移的不连续的线或者点焊，从而使得每个线料系统地遇到焊接，例如至少每100mm一个焊接，优选至少每10mm一个焊接。
该单向层可在与该热塑性平幅结合之前在线直接形成。在这种情况下，然后将需要产生该层的线料从线圈上展开，并置于传送带上从而彼此平行延伸并彼此连接。也可使用例如专利EP 0972102中描述的方法。也可使用商业的单向层，其内聚力和处理将例如借助于通过编织的机械联结，或者借助于使用该粘结线料的聚合物性质的化学联结，通过联结线料而确保。在所有的情况中，将要固定到该平幅的单向层将以0％的开孔因子(openness factor)提供总的覆盖率。例如，这些层由SIGMATEX UK Limited，Runcom CheshireWA7 1TE，United Kingdom，作为物品PW-BUD(例如，产品#PC2780600200GSM/PW-BUD/T700SC 12K 50C/0600mm)，或者OXEON AB，Sweden公司作为物品TEXERO出售。一旦在该平幅和该单向层之间制造的联结，由此获得的中间材料开孔因子通常为0％。该开孔因子例如通过以下实施例中所述的方法测定。
然后，一旦单向层与该单向层平幅结合，就可改变它的开孔因子，并因此通过产生洞或者穿孔而增加它的渗透性。在这些情况下，可能感兴趣的是产生0.1至5％，优选1和2％之间的开孔因子，以通过所述中间材料的厚度的穿孔获得，例如沿它的横向获得。因为本发明的中间材料不是织造的或者缝合的，它具有受控的良好厚度，容许开孔因子为约1％至2％，同时给出VFR为59至61％的层压物的可能性，特别是对于真空灌注为60％的数量级。
例如，所述穿孔是系统的，并且优选沿着在一个或者两个方向上延伸的直线设置，特别是以4至15mm的间隔设置。图4A和4B是中间材料的平面中穿孔100相对于对应于单向层的方向的方向f的位置的图示。穿孔之间的距离仅是说明性的，并且可引入不同的变化，提及后者是因为它们用于实施例中。从一个平行线到另一平行线的焊接可如图4A中所示对齐或者偏移，特别是如图4B中所示偏移半步(half-step)。图4A示出了可供选择的模式中产生的穿孔，其中该穿孔沿着彼此垂直的两条线延伸，各自与该单向层的线料形成45°的角，从而使得该穿孔交错半步，平行并且垂直于单向层的线料移动。图4B说明另一模式，其中该穿孔沿着彼此垂直的两条线延伸，其中之一平行于该单向层的线料。存在于该中间材料上的穿孔例如是较大的，平行于该单向层的表面测量，为1至10mm。例如，在该中间材料的平面中，该穿孔可以是圆形的，或者具体地或多或少以图15中所示的眼睛或者狭槽的形式延长。穿孔的形状特别是与所用的具体穿孔设备有关。根据该实施方式，这样可获得横向的渗透性，特别是对于57至63％的纤维体积率为10-13m2至10-14m2。横向渗透性可通过流体穿过纤维物质的能力限定。它以m2测得。以上给出的值，以及以下实施例中所提及的值，使用Romain Nunez在EcoleNationale Supérieure des Mines de Saint Etienne，2009年10月16日提出的标题为″Problems in the measurement of transverse permeability of fiber preformsfor the fabrication of composite structures″的文章中所提及的设备和测量技术测量，可参考该文献找到更多细节。特别是进行该测量，同时在该测试的过程中监视样品厚度，使用两个同轴筒形腔室(co-cylindrical chambers)来减少″竞流(race-tracking)″的影响(接近或者沿着要测量渗透性的材料的侧面的流体的通道)。所用的流体是水，压力为1bar+/-0.01bar。
该穿孔可使用任何合适的穿孔设备，通常例如为针，销等产生。在该穿孔设备周围施加热，从而在撤走穿孔设备之后保持开孔。该穿孔然后如下获得：通过穿孔设备的穿透和在该穿孔设备周围加热(导致该平幅软化)，接着冷却。这产生该穿孔设备周围的平幅的熔化，其在冷却之后在该穿孔周围形成一种孔眼。当移除该穿孔设备时，冷却是瞬间的或者半瞬间的，由此容许该穿孔硬化。优选地，将该加热设备直接整合到该穿孔设备中，从而使得该穿孔设备本身也加热。在某些情况下，对于该穿孔设备110有利的是具有如图5中所示的肩120，该中间材料能够通过它在穿孔的过程中使该穿孔设备停止。肩本身是加热的，并且加热该平幅，同时施加压力到要焊接的组合件上，并且这在该穿孔周围的大面积上发生。该压力的持续时间为例如0.1至2秒，优选0.5至1s。可以手工穿孔，或者优选通过沿着穿孔线排列和间隔对齐的穿孔设备自动穿孔。在所有的情况下，该穿孔优选在穿孔周围在所述中间材料的厚度中以非常小的变化进行。当仅在该平幅和单向层之间设计了点联结时，可同时使用该联结进行穿孔，该穿孔周围的平幅的粘着力确保单向层/平幅组合件的联结。
作为实例，如图2中所示的机器能够用于热压缩联结，和用于没有穿孔时。在图2中所示的情况中，刚好在通过在连续加热和压力(热压缩)下的附接或层压步骤以期望的表面密度生产碳纤维单向层之后，将该平幅与碳纤维单向层结合。
根据本发明的中间产品，由于存在层压于单向层的每个表面上的热塑性平幅，而获得了良好的处理。这种结构也容许容易地切割，特别是沿着相对于该单向层的纤维不平行的，特别是横向或者倾斜的方向，没有碎屑(fraying)。
根据本发明的中间材料的堆叠物或者覆盖物(也称为层叠物)用于产生复合部件。在如此获得的堆叠物中，通常放置该层，从而将该层叠物的至少两个单向层朝向不同的方向。所有的该单向层都可具有不同的方向或者仅它们中的一些具有不同的方向，而其它可能具有相同的方向。有利的取向是最通常沿着相对于要产生的部件的主轴以0°，+45°或者-45°(也对应于+135°)，和+90°的角度的方向取向。该部件的主轴通常是该部件的最大轴，0°与该轴一致。例如，可通过选择该层叠物的取向而产生半-各向同性，对称的，或者取向的堆叠物。半-各向同性的堆叠物的实例包括沿着45°/0°/135°/90°或者90°/135°/0°/45°的角度的堆叠物。对称堆叠物的实例包括0°/90°/0°或者45°/135°/45°的角度。在添加产生该部件所必须的树脂之前，可以在该堆叠物中在它们自身之间加固该层叠物，特别是通过在某一温度和在真空下的中间预成型步骤进行，或者通过在几个点与各个添加的层联结，由此形成预成型物。具体地，可以考虑组合2至32层，特别是16至24层。目前最常用的层数是8，16，24和32层，其可以例如是以上提及的4-层半-各向同性堆叠物的若干倍。
有利地，该堆叠物即不通过缝合，也不通过针织进行加固，而是通过得益于存在于该堆叠物中的平幅的热塑性产生的焊接而加固。为此，在该堆叠物的整个表面上进行加热/冷却操作，或者至少在该堆叠物的表面的选定区域上进行加热/冷却操作。加热导致该平幅的熔化或者至少部分软化。使用该平幅的热塑性的这种联结是有利的，这是因为它使得可以避免存在缝合或者针织纤维所具有的所有缺点，这里特别是，起伏，微裂纹，接下来获得的复合部件的降低的机械性质的问题。可通过不连续焊接获得联结，这与该堆叠物的整个表面的热压缩获得的连续焊接相反。不连续的焊接在能量方面具有优点，以及在制造接下来的复合部件时的堆叠物的包模能力方面有优点。也可考虑导致全面不连续焊接的点焊。作为本发明的一部分，对于每个接下来的中间材料的每个单向层，所有的点焊的面积为例如单向层面积(这个面积等于该堆叠物一个表面的面积)的0.1至40％，优选0.5至15％。术语″点″作为该描述的一部分是用来指属于一组焊接的各个焊接，并且因此包含不同形式的焊接。在该堆叠物的平面中，即平行于不同的平幅和单向层，点焊可以特别是以不连续的或者连续的线的形式出现，即，各种形式的点，特别是圆形或者棱镜形，环形等在该单向层的整个宽度上延伸。这些点焊在堆叠物的表面上分布，从而确保它的内聚力，并且使得可以在该堆叠物的整个厚度上确保单向层和平幅之间的联结。这种联结可特别地是横向的。可使用合适的加热方式，特别是在联结线的情况下以一个或者几个加热棒的形式，或者在点联结的情况下的加热的冲压机的形式，其与该堆叠物的接触点的几何形状将适合于形成所期望的点联结。这种加热方式可带来190至220℃的温度，并以10至50kPa的压力压到该堆叠物上例如0.1至2s，优选0.5至1s。也可使用超声焊接方式。当然，这些值是纯说明性的，特别是取决于层的数目和该平幅的热塑性材料。例如，可系统地产生点焊，并且优选沿着在一个或者两个方向上延伸的线设置，特别是以4至15mm的间隔。图4A和4B是将穿孔100以与堆叠物的表面平行的方式，相对于对应于方向0°的方向f的设置的图示。穿孔之间的距离仅是说明性的，并且可引入不同的变化，提及后者是因为它们用于实施例中。平行于该堆叠物的表面，从一个平行线到另一平行线的焊接可如图4A中所示对齐或者偏移，特别是如图4B中所示偏移半步。如说明根据本发明的中间材料的穿孔的图4A和4B中所示，可例如通过可供选择的模式产生点焊，其中该点焊沿着彼此垂直的两条线在该堆叠物的平面中延伸，各自形成45°至0°的角，从而使得点焊在0°和90°方向上交错半步。另一模式包括例如，在沿着彼此垂直的两条线产生点焊时，其中一个平行于0°。
可以通过一个一个地添加每个层，并确保在每次添加层之后的联结来产生所述堆叠物。同样可以在单个步骤中产生该联结，这具有一定的工业利益。为此，虽然上述的加热方式是优选合适的，但是也可使用这样的加热方式，其穿透到该堆叠物的内部并整个穿过该堆叠物，从而在该穿透区域(包括位于该堆叠物的中心中的那些区域)中的平幅上产生直接加热。在这种情况下，伴随着层的彼此联结，在该堆叠物中产生穿孔，从而产生该树脂的扩散通道，延伸进入该堆叠物的厚度中，最经常是横穿该堆叠物的层。在这些情况下，可能有利的是获得0.05至3％，优选0.1和0.6％之间的开孔因子。这种开孔因子使得可获得有利的渗透率，其与使用常规的缝合的多轴材料获得的渗透率相当或者更优。存在于该堆叠物中的穿孔例如在平行于该层的表面测量时是较大的，为1至10mm。根据这种实施方式的变体，由此对于该堆叠物可获得横向渗透率，特别是对于57至63％的VFR并且特别是对于60％的VFR，该渗透率为10-11m2至10-14m2，优选10-12m2至10-13m2。该穿孔可使用任何合适的穿孔设备，通常例如，针，销等产生。将热施加到该穿孔设备的周围，从而获得层间的所需联结，这也使得可以使该穿孔硬化。在如上所述的单层的穿孔的情况下，在该穿孔设备的周围发生平幅的熔化，其在冷却之后导致在该穿孔周围的一种孔眼。当移除该穿孔设备时，冷却是瞬间的或者半瞬间的，由此容许该穿孔硬化。优选地，将该加热设备直接整合到该穿孔设备中，从而使得该穿孔设备本身也加热。对于该穿孔设备有利的是具有如图5中所示的肩，该堆叠物将通过它在穿孔的过程中使该穿孔设备停止，这将帮助在联结的过程中使该层彼此之间绷紧。肩本身是加热的，并且加热该平幅，同时施加压力到要焊接的组合件上，并且这在该穿孔周围的大面积上发生。优选，施加的压力范围为10至50kPa，并且选择该压力使得在该堆叠物的所有的点保持基本上恒定的厚度。可以手工穿孔，或者优选通过沿着所选的穿孔线排列和间隔对齐的穿孔设备110自动穿孔，如例如在图6中所示。
对于复合部件的制造，然后将热固性树脂或者基质添加(例如通过注射)到含有该层叠物的模具中(″RTM″方法，来自英语Resin Transfer Moulding)，或者通过灌注(穿过该层的厚度：″LRI″方法，来自于英语″Liquid ResinInfusion″，或者″RFI″方法，来自于英语″Resin Film Infusion″)。根据不优选的变体，也可在建成该堆叠物之前，在每个层上进行手工涂覆/通过辊或者刷浸渍，在使用的模具的外形上连续施涂。
所用的基质是热固性的。注射的树脂将选自例如以下的热固性聚合物：环氧树脂，不饱和聚酯，乙烯基酯，酚树脂，聚酰亚胺，和双马来酰亚胺树脂。
然后，在热处理步骤之后，获得复合部件。具体地，该复合部件通常通过所用的聚合物的常规硬化循环，进行聚合物供应商推荐和本领域技术人员已知的热处理而获得。期望部件的这种硬化步骤通过根据限定的温度和压力循环的聚合/交联，接着通过冷却而完成。在处理循环过程中施加的压力在真空灌注的情况下是低的，而在注射到RTM模具中的情况下是较高的。
根据本发明的未穿孔的堆叠物，即使它们对于通过注射到模具生产复合部件是完全满意的，在减压灌注的情况下，它们的应用也限于薄制品的生产，例如小于10mm的制品。穿孔的存在使得可以增加堆叠物的渗透率，并且即使在厚部件上也达到满意的VFR。
在使用穿孔或者不使用穿孔的情况下，以上使用点联结限定的堆叠物粘合模式也可使用意图与热固性树脂联合用于制备复合部件的任何类型的中间材料实施，所述复合部件包括单向碳纤维，其在每侧上结合有热塑性纤维的平幅和尤其是结合有与除了本专利申请的权利要求中限定的那些之外的中间材料。实际上，在穿孔的堆叠物的情况下，无论使用什么平幅和单向层，这种堆叠物在包模能力和渗透性方面都是有利的。当然优选的是，该中间材料在厚度和每平方米克重方面符合本发明所述的那些，这是因为它们在真空灌注中获得高的VFR值。
根据本发明的有用的特性，获得的复合部件的纤维体积含量为57至63％，优选59至61％，和具有特别大的厚度，特别是大于10mm。这些纤维体积率与主要部件的结构的用途是相适应的，所述主要部件也即在航空中抵抗机械应力的关键部件(机身，机翼等)。
复合部件的纤维体积率(VFR)从复合部件的厚度的测量值，在已知该单向碳层的表面密度和碳纤维的性质的情况下，使用以下方程计算：
Figure BDA0000070590390000151
其中e板是以mm计的板的厚度，
ρ碳纤维是碳纤维的以g/cm3计的密度，
单向碳层的表面密度以g/m2计。
得到的复合部件也具有最优的机械性质，特别是抗冲击性(CAI，冲击后压缩)，这些机械性质显示出对孔例如开孔压缩(OHC，英语中的Open HoleCompression)，开孔张力(OHT，英语中的Open Hole Traction)，承载(英语中的Bearing)，平面内剪切(IPS，英语中的In-Plane Shear)的敏感性。具体地，可以获得复合部件，其冲击后压缩(CAI)中的应力破裂(stress rupture)在25J的冲击下为大于200MPa，根据ASD-STAN(AeroSpace and Defence Standard，Avenue de Tervuren 270，1150 Woluwe-Saint-Pierre，Belgium)出版的预备的欧洲标准prEN 6038测量。也指出，尤其是当该树脂基质由环氧树脂制成时，在老化之后该环氧树脂的Tg有小的降低，与本领域技术人员已知的标准预浸料获得的在相同的数量级。
以下实施例说明本发明，但是本质上不是本发明的限制。
1.1.所用的材料
测试的中间产品是碳纤维构成的单向层，其在每一侧上结合有平幅。已经使用了三种类型的碳纤维：Hexcel出售的12K中间模数(intermediarymodule，IM)纤维，Hexcel出售的12K高阻抗(HR)纤维，Toray出售的12K高阻抗(HR)纤维；它们的机械和物理性质示于表1中。
测试了该单向层的几个碳表面密度。在线制造这些层，并且推测它们的碳纤维每平方米克重为134g/m2±3％(对于Hexcel IM碳纤维)，194g/m2±3％(对于Hexcel IM纤维)，134g/m2±3％(对于Hexcel HR纤维)，268g/m2±3％(对于Hexcel HR纤维)和150g/m2±3％(对于Toray HR纤维)。
表1：碳纤维的特征性质
  Hexcel IM   Hexcel HR   Toray HR
  应力破裂(MPa)   5610   4830   4900
  抗拉模量(GPa)   297   241   240
  伸长率(％)   1.9   1.8   2
  重量/单位长度(g/m)   0.443   0.785   0.800
  体积密度(g/cm3)   1.80   1.79   1.80
  单丝直径(μm)   5   7   7
使用三种类型的平幅，称为平幅1，平幅2，(1R8D03，由Protechnic，66，rue des Fabriques，68702-CERNAY Cedex-France出售)，平幅3。这些平幅基于聚酰胺和共聚酰胺的混合物(平幅1和2)或者基于聚酰胺(平幅3)。这种类型的平幅也由以下这些公司出售：Spunfab Ltd./Keuchel Associates，Inc.(175 Muffin Lane Cuyahoga Falls，OH 44223，USA)。平幅1由连续的长丝构成。平幅2和3由短纤维构成。
所用的平幅的表征示于表2中。表2中所示的该平幅的熔融点根据ISO11357-3标准通过差示扫描量热(differential sweep calorimetry，DSC)测定。根据ISO 3801标准测量表面密度。表2中所示的多孔度系数使用下式计算：
Figure BDA0000070590390000161
其中-平幅的表面密度以kg/m2表示，
ρ平幅材料平幅材料的密度以kg/m3表示，
e平幅以m表示。
表2：所用的平幅的表征(在±号之后的值表示标准偏差)
*通过图像分析测量
2.测试的中间产品的制造
在刚好在具有所期望的每平方米克重的层形成之后，使用机器(图2)，尤其是专门用于本目的的机器，将该平幅直接层压到基于碳纤维的单向层的每一侧上。将碳线料1从安装在线轴架4上的碳线轴3展开，通过梳子5，将其通过导辊6和梳子7，和导向杆8a带入机器的轴。使用加热棒9将该碳线料预加热，然后通过展开条8b和加热棒10将其展开到单向层17的所期望的碳表面密度。将该平幅的线圈13a和13b无张力地展开，并使用移动带15a和15b传送，该移动带15a和15b附接到自由辊14a，14b，14c，14d和加热棒12a，12b之间。将平幅2a和2b在与该碳线料1接触之前在区域11a和11b中预加热，并粘贴在两个加热棒12a和12b的每侧上，其气隙是受控制的。然后可冷却的压延机16施加压力到每侧上具有平幅的单向层17上。反向滚轮18使产品17方向改向张力系统，然后到达卷绕辊20，该卷绕辊受马达驱动形成由所要求保护的中间产品17构成的线圈，该张力系统包括三个拉伸辊19。
制造在每侧上联合有平幅的碳单向层的试验条件示于下表3中。
表3：制造在每侧上联合有平幅的碳单向层的工艺参数
Figure BDA0000070590390000172
Figure BDA0000070590390000181
Figure BDA0000070590390000191
在没有平幅的单向层(对比例1)的情况下，碳线料使用垂直于该碳纤维的取向每间隔50mm分布的280dtex热熔融线料加固。在本发明的代表性的实施例的情况下，当该单向层与两个平幅结合时，在与该平幅层压之前，在机器上直接形成该层。
3.在平幅和中间产品层压之后的厚度测定
在该平幅层压到单向层之后的厚度通过图像分析测量。表4显示了对于每个检测的构型，通过该方法获得的该平幅的平均厚度和标准偏差(对于75个值)。这个相同的表4示出了含有在每侧上结合有平幅的碳层的各种中间产品的厚度。这些测量值源自根据所述的方法在大气压进行的预成型物厚度的测量。
表4：中间产品的厚度(每侧上结合有平幅的UD层)和这些层上的平幅的厚度
Figure BDA0000070590390000192
图7是实施例2b的中间产品(134g/m2的Hexcel IM碳纤维，其在每侧上与平幅1结合)的横截面显微照片。
图8是实施例2的中间产品(134g/m2的Hexcel IM碳纤维，其在每侧上与平幅1结合)的横截面显微照片。
图9是实施例3b的中间产品(134g/m2的Hexcel IM碳纤维，其在每侧上与平幅2结合)的横截面显微照片。
图10是实施例4的中间产品(134g/m2的Hexcel IM碳纤维，其在每侧上与平幅3结合)的横截面显微照片。
4.制造该板
4.1堆叠物序列的定义
获得的该板是半-各向同性的，也即，它们由具有不同的取向(0°/45°/-45°/90°)的基本层的组合件组成。该堆叠物也是对称的。形成该堆叠物的层数目通过下式测定，其从式(1)推导得到：
其中：
-该板的期望厚度接近4mm(通过标准prEN 6038定义)，e板以mm表示，
-对于最好的机械性质的意图的纤维体积率(VFR)是60％，和纤维的ρ碳纤维以g/cm3表示，
-单向碳层的表面密度以g/m2表示。
因此，对于碳每平方米克重为134和150g/m2，该堆叠物由32个层组成，并且以简单的符号记为：[+45/0/-45/90]4s。对于碳每平方米克重为194和268g/m2，层数分别为24和16层。该堆叠物以简单的符号记为[+45/0/-45/90]3s和[+45/0/-45/90]2s。每层对应于平幅/UD/平幅材料。
4.2制造复合材料板
在每次添加新的层之后，使用烙铁通过在几个点稍微焊接而将不同的层彼此固定。该组合件形成预成型物。将通过适合于该碳每平方米克重的堆叠顺序产生的340mmx340mm预成型物置于压机中的注模中。已知厚度的框架包围该预成型物以便获得期望的纤维体积率(VFR)。
将由Hexcel以HexFlow RTM6出售的环氧树脂在80℃以2巴注射通过该预成型物，该预成型物保持在120℃(该压机压盘的温度)。施加到两个压机压盘每个的压力为5巴。当该树脂出现在该模具的出口时，关闭出口管，开始聚合循环(以3℃/min升高至180℃，然后在180℃保持2小时，然后以5℃/min冷却)。然后每种类型的构型切出六个150x100mm样品(标准prEN 6038)，进行所述冲击后压缩(CAI)试验。
5.机械试验
将样品(每种类型的构型6个)附接到在标准prEN 6038中所述的设备。使用适合于ASD-STAN(AeroSpace and Defence Standard，Avenue de Tervuren270，1150 Woluwe-Saint-Pierre，Belgium)出版的预备的欧洲标准prEN 6038的设备，使样品经受单次冲击，能量为25J。该压缩试验在Zwick公司(ZwickFrance Sari，Roissy Charles de Gaule，France)重建的100kN机械试验机器Instron 5582上进行。
在冲击之后的压缩断裂应力结果示于表5a至5e中。
表5a：对于不同类型的134g/m2单向IM和不同类型的平幅，在25J的冲击后压缩(CAI)中应力破裂的结果
表5b：对于不同类型的194g/m2单向IM和不同类型的平幅，在25J的冲击后压缩(CAI)中应力破裂的结果
Figure BDA0000070590390000222
表5c：对于不同类型的150g/m2单向HR Toray和不同类型的平幅，在25J的冲击后压缩(CAI)中应力破裂的结果
表5d：对于不同类型的134g/m2单向Hexcel HR和不同类型的平幅，在25J的冲击后压缩(CAI)中应力破裂的结果
Figure BDA0000070590390000224
表5e：对于没有平幅和具有平幅2的268g/m2单向Hexcel HR，在25J的冲击后压缩(CAI)中应力破裂的结果
6.板厚度的控制和纤维体积率(VFR)的推导
将该板置于两个数字比较仪TESA Digico 10之间测量它们的厚度。每个板在该表面上进行24个等距离的测量。
表6a至6e给出了从制备的不同中间材料获得的板厚度测量的结果。给定了该板的厚度，可从式(2)计算不同的VFR。对比例2b示出了层压在该单向层上的平幅的厚度的影响。在实施例2b(表4)的情况下，层压到该层上的平幅的厚度为62μm，其大于所要求保护的平幅厚度。使用这种较厚的平幅导致制备了这样的部件，该部件的纤维体积率低于作为主要结构的部件使用所需要的纤维体积率。
表6a：由碳纤维134g/m2Hexcel IM的单向层(具有不同类型的平幅；堆叠物顺序[+45/0/-45/90]4s)制备的不同的板的厚度测量
表6b：由碳纤维194g/m2Hexcel IM的单向层(具有不同类型的平幅；堆叠物顺序[+45/0/-45/90]3s)制备的不同的板的厚度测量
表6c：由碳纤维150g/m2HR Toray的单向层(具有不同类型的平幅；堆叠物顺序[+45/0/-45/90]4s)制备的不同的板的厚度测量
Figure BDA0000070590390000234
Figure BDA0000070590390000241
表6d：由碳纤维134g/m2Hexcel HR的单向层(具有不同类型的平幅；堆叠物顺序[+45/0/-45/90]4s)制备的不同的板的厚度测量
Figure BDA0000070590390000242
表6e：由碳纤维268g/m2Hexcel HR的单向层(具有不同类型的平幅；堆叠物顺序[+45/0/-45/90]2s)制备的不同的板的厚度测量
Figure BDA0000070590390000243
方程(3)使得可以计算通过注射制造的每个复合材料板的纤维体积率。重要的是指出，与所用的构型无关，各板的VFR落入60±2％的范围，这对于获得主要结构部件来说是绝对必要的标准(indispensable criterion)。
7.具有穿孔的实施例
使用安装有如图5中所示的冲压头的机器人。将两种直径用于该冲压头的穿刺部分：0.8mm和1.6mm。为了进行所述焊接-穿透，将冲压头加热至200℃的温度，该穿孔使用30kPa的压力保持0.8s而制备。
7.1点焊的半-各向同性多轴材料(4层)
在多轴材料制造机器上在线生产取向为45°，0°，135°和90°的4层堆叠物。在相对于机器的轴向为0°和90°的方向上，产生相隔9的点焊，如图4A中所示。交替地，在相对于机器的轴向为+45°和+135°的方向上，产生相隔4.5mm和4.5mm的点焊，如图4B中所述。形成以下的堆叠物：
·实施例21：根据实施例8的4层-穿孔头
Figure BDA0000070590390000251
其照片示于图11中
·实施例22：根据实施例8的4层-交替形式的穿孔头
Figure BDA0000070590390000252
其照片示于图12中
·实施例23：根据实施例8的4层-穿孔头
Figure BDA0000070590390000253
其照片示于图13中
·实施例24：根据实施例8的4层-交替形式的穿孔头
Figure BDA0000070590390000254
其照片示于图14中
·实施例25：根据实施例8的1层-穿孔头
Figure BDA0000070590390000255
其照片示于图15中
·实施例26：焊接的根据实施例8的4层(没有穿孔)-所述焊接使用加热至200℃的温度的直径为8mm的头，其与穿孔头相同，但是没有该针。该焊接根据图4a布置，所不同的是相隔50mm。该焊接使用30kPa的压力进行。
和，作为横向的渗透性的比较：
·斜纹织物2/2-参见Hexcel 48302
·半-各向同性多轴材料4x194g/m2HR，以线76dtex缝合-5mmx5mm
-链形缝法
7.2横向渗透性测量
机器和测量方法描述于Romain Nunez在Ecole Nationale Supérieure desMines de Saint Etienne，2009年10月16日提出的题为″Problems in themeasurement of transverse permeability of fibrous preforms for the fabrication ofcomposite structures，″的文章中。通过样品厚度的连续变化获得FVR的变化。对于每一种类型的材料进行四个测试。结果示于图16中，结果表明最低的曲线对应于根据本发明的四个中间材料的渗透性，该材料在没有穿孔的情况下焊接。它清楚地表明，得到的堆叠物是渗透性非常低的，因此将难以在真空下灌注到大的厚度。穿孔能够不容争辩地改善渗透性，从而接近或者超过使用缝合的多轴材料获得的渗透性。在中间材料上产生穿孔本身也能够显著改善横向渗透性，但是与四层成品和穿孔的堆叠物相比，改善的程度较小。
Figure BDA0000070590390000261
7.3开孔因子测量
使用以下方法测量开孔因子。
该设备由以下部件组成：SONY照相机(型号SSC-DC58AP)，其安装有10x物镜，和Waldmann光台，型号W LP3NR，101381230V 50HZ 2x15W。将要测量的样品置于该光台上，将该照相机安装在置于离样品29cm的框架上，然后对焦。
宽度测量值测定为要分析的纤维材料的函数，其中使用(缩放)环和标尺：对于开放的纤维材料(open fibrous materials)为10cm(OF＞2％)，对于不太开放的纤维材料为1.17cm(OF＜2％)。
使用光圈diaphragm)和对照图像(control image)，调节亮度，从而获得对应于对照图像之一的OF值。
使用Videomet对比度测量程序，来自Scion Image公司(ScionCorporation，USA)。将获得的图像如下加工：使用工具，定义最大区域，对应于所选的标度(calibration)，例如10cm-70个穿孔，并且包括整数个图案。然后选择单位面积(elemental area)，在该术语的纺织品含义中，它是描述纤维材料的作为重复图案的几何形状的面积。
使光从光台穿过纤维材料的开口，OF百分比定义为100减去黑色面积除以单位面积，也即，100-(黑色面积/单位面积)。
应该指出，亮度控制是重要的，这是因为漫射现象会改变穿孔的表观尺寸，并因此改变OF。将选择中间亮度，使得没有过多的饱和度(saturation)，否则会看见漫射现象。
获得的结果示于下表7中：
  Ex.21   Ex.22   Ex.23   Ex.24   Ex.25
  平均％OF   0.14   0.54   0.08   0,13   0.96
  标准偏差   0.002   0.15   0.03   0.05   0.06
应该指出，穿孔层的开孔因子是较高的(约1％)，高于使用穿孔的堆叠物获得的那些，而穿孔层的渗透性本身低于堆叠物的渗透性。因此，似乎在不同层的组合件形成堆叠物的过程中进行的单个穿孔在渗透性方面比单独穿孔的中间材料的堆叠更有效。实际上可想到，流体树脂更容易渗透通过已经通过几个厚度形成的通道。无论可能是什么情况，与每层增加的开孔因子(从0增加至1％)相关的每层增加的渗透性(对于60％的VFR，2.10-15m2增加至7.10-15m2)是非常重要的，并且将使得可增加使用根据本发明的中间材料产生的层压物的可能厚度。
7.4机械值
将根据本发明焊接的多轴堆叠物与相同的缝合多轴材料相比较。
参考的缝合多轴材料由对应于实施例12的层组成。该缝合线是76dtex的聚酰胺线，使用5mmx5mm的链形缝法(chain stitch)。
使用与实施例12相同的层制备该焊接的多轴材料，但是以根据图4A的方形图案焊接，所不同的是以50mmx50mm，其中点焊直径为8mm，并且因此没有缝合。用于该测试的堆叠物是[(90/+45/0)/(0/-45/90)/(90/+45/0)/(90/-45/0)]s。所用的标样列于下表8中。
使用以下的具体条件。牵引中使用190x 25mm2的矩形样品，计算在1000和6000μm/m之间的线模量(cord modulus)。将穿孔直径为5mm的150x 25mm2的样品用于开孔牵引(open hole traction)。使用穿孔直径为5mm的150x25mm2的样品和深度为2.1mm携带5RH8035M ST 39584螺母(0.35daN.m箝位扭矩)和22258 TX 050 005 ST 38260螺杆的100°埋关钻(countersink)。具有5mm穿孔的115x25mm2的样品用于开孔压缩。加载该样品的头部和脚部。在填充的孔压缩中，使用穿孔直径为5mm的115x25mm2样品和深度为2.1mm携带5RH8035M ST 39584螺母(0.35daN.m箝位扭矩)和22258 TX 050 005 ST 38260螺杆的100°埋关钻。加载该样品的头部和脚部。
在标准化的湿度和温度的实验条件下(″干燥″、″室温″试验)进行试验。
表8
Figure BDA0000070590390000281
图17显示了所有这些结果。

Claims (24)

1.新的中间材料，其意图与热固性树脂联合用于制造复合部件，所述中间材料具有表面密度为100至280g/m2的碳纤维单向层，在该单向层的每个表面上结合有热塑性纤维的平幅，所述平幅各自的厚度为0.5至50微米，优选3至35微米，所述中间材料的总厚度为80至380微米，优选90至320微米。
2.根据权利要求1的新的中间材料，其特征在于所述中间材料的厚度具有低的可变性，特别是厚度变化的标准偏差不超过20μm，优选不超过10μm。
3.根据权利要求1或2的新的中间材料，其特征在于所述单向层不含有与所述碳纤维交织的纬纱。
4.根据前述权利要求之一的新的中间材料，其特征在于所述中间材料既不含有织造部分，也不含有缝合部分，也不含有针织部分。
5.根据前述权利要求之一的新的中间材料，其特征在于在所述的两个表面上的平幅是基本上相同的。
6.根据前述权利要求之一的新的中间材料，其特征在于所述热塑性纤维选自以下物质的纤维：聚酰胺(PA：PA6、PA12、PA11、PA6，6、PA 6，10、PA6，12，...)，共聚酰胺(CoPA)，醚或者酯嵌段聚酰胺(PEBAX，PEBA)，聚邻苯二甲酰亚胺(PPA)，聚酯(聚对苯二甲酸乙二醇酯-PET-，聚对苯二甲酸丁二醇酯-PBT-...)，共聚酯(CoPE)，热塑性聚氨酯(TPU)，聚缩醛(POM...)，聚烯烃(PP，HDPE，LDPE，LLDPE....)，聚醚砜(PES)，聚砜(PSU...)，聚苯砜(PPSU...)，聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)，聚(苯硫醚)(PPS)，或者聚醚酰亚胺(PEI)，热塑性聚酰亚胺，液晶聚合物(LCP)，苯氧基树脂，嵌段共聚物例如苯乙烯-丁二烯-甲基丙烯酸甲酯(SBM)共聚物，甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸甲酯(MAM)共聚物，或者由这些热塑性材料构成的纤维的混合物。
7.根据前述权利要求之一的新的中间材料，其特征在于所述平幅的表面密度为0.2至20g/m2。
8.根据前述权利要求之一的新的中间材料，其特征在于所述单向层和所述平幅之间的结合通过遍及该层的整个表面上的联结产生。
9.根据前述权利要求之一的新的中间材料，其特征在于它的开孔因子为0％。
10.根据权利要求1至8中之一的新的中间材料，其特征在于它的开孔因子为0.1至5％，优选为1至2％，通过在该材料的厚度上穿孔获得。
11.制造根据权利要求1至10中之一的中间材料的方法，其特征在于，通过热塑性纤维的平幅的熔融和冷却的步骤，使表面密度为100至280g/m2的单向碳纤维层在它的每个表面上与该热塑性纤维的平幅结合，使得该中间材料的总厚度为80至380微米，优选90至320微米，其中所述平幅各自的厚度为0.5至50微米，优选3至35微米。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于所述结合通过热压缩步骤产生。
13.权利要求11或12的方法，其特征在于它包括对所述中间材料进行穿孔的步骤。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于穿孔通过如下方式进行：用穿孔设备穿透和加热该穿孔设备周围的介质导致该平幅软化，接着冷却。
15.根据权利要求1至10中之一的中间材料的堆叠物，其特征在于所述中间材料在该堆叠物内是加固过的。
16.根据权利要求15的堆叠物，其特征在于所述堆叠物不是通过缝合或针织加固的，而是通过对该平幅的加热/冷却操作进行的焊接而加固的。
17.根据权利要求15或16的堆叠物，其特征在于所述中间材料是通过加热/冷却该平幅导致点焊而不连续地彼此连接的。
18.根据权利要求15至17中之一的堆叠物，其特征在于它具有不同的穿孔，所述穿孔产生所述树脂的分配通道，延伸至该堆叠物的厚度中，优选横穿构成所述堆叠物的中间材料。
19.根据权利要求15至18中之一的新的中间材料，其特征在于它的开孔因子为0.05至3％，优选为0.1至0.6％。
20.复合部件的制造方法，其特征在于它包括以下步骤：
a)产生根据权利要求1至10中之一的中间材料的堆叠物，或者根据权利要求15至19中之一的堆叠物，
b)接着以预成型物的形式加固所述堆叠物，
c)通过注射或灌注添加热固性树脂，
d)通过根据规定的温度循环和在压力下的聚合/交联步骤，接着冷却而使所期望的部件加固。
21.根据权利要求20的方法，其特征在于所述热固性树脂通过在低压下，特别是在低于大气压的压力下，特别是在低于1巴的压力下，优选0.1至1巴的压力下灌注而添加。
22.可根据权利要求20或21的方法获得的复合部件。
23.根据权利要求22的复合部件，其特征在于它的纤维体积率为57至63％，优选59至61％。
24.根据权利要求22或23的复合部件，其特征在于它的冲击后压缩(CAI)中的应力破裂值大于200MPa，根据用于冲击的标准prEN 6038，使用25J的能量测得。
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