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CN102271904A - 改良的复合材料 - Google Patents

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CN102271904A CN2009801539030A CN200980153903A CN102271904A CN 102271904 A CN102271904 A CN 102271904A CN 2009801539030 A CN2009801539030 A CN 2009801539030A CN 200980153903 A CN200980153903 A CN 200980153903A CN 102271904 A CN102271904 A CN 102271904A
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约翰.考斯
菲利普.哈德利
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Hexcel Composites Ltd
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Abstract

提供了一种可固化层压材料的交通工具机身壳部件(10)，包括热固性树脂、至少三层纤维结构层(12，16)和至少一层阻尼层(14)，其中结构层(12，16)与阻尼层(14)的数目比为至少3∶1，这使得，当通过暴露于高温固化时，所述部件变为刚性机身壳。

Description

改良的复合材料
技术领域
本发明涉及具有消音性质的可固化复合层压材料的交通工具机身壳部件、形成这样的复合层压材料和成型的刚性固化层压材料的方法。
背景技术
复合材料具有超出传统结构材料的经文献充分证明的(well-documented)优点，特别是在以极低的材料密度提供优越的机械性能方面。因此，这种材料的使用变得日益广泛，它们的应用遍及“工业”和“运动休闲”至高性能航天部件。
预浸料，包括使用树脂例如环氧树脂浸渍的纤维排列的预浸料广泛用于这种复合材料的生产。典型地，根据所需“叠铺”多层这样的预浸料，将得到的组合件或层压材料置于模具中，以及典型地通过暴露于高温进行固化，从而得到固化的复合层压材料。
然而，这样的复合材料，特别是薄的、低密度、高刚度复合材料，在涉及经过所述材料表面的流体(典型地为气体)的通道的应用中具有共振振动的倾向。这种振动可以降低复合材料的使用寿命，并且也可以产生显著量的噪声，这在客机应用中是特别的问题。
在现代喷射动力的航空器中，在巡航过程中对客舱内噪声主要起作用的因素是空气以高速穿过机身所激发的湍流边界层。表面上的压力波动引发机身结构中的振动，这些振动转换为机舱中的宽频噪声。
随着复合材料在航空器结构中的使用增加，产生噪声的问题随之变得更加尖锐。存在多种处理该问题的方法，但是最常用的包括衰减所述振动，包括将振动能量转化为热量。
使复合材料减振的已知方法是将粘弹性层施用于即时形成的结构，使得在振动过程中该粘弹性层随着复合材料结构变形。粘弹性层的粘性性质通过将振动转化为热量而耗散振动。该技术的发展包括将称为约束层(constrainedlayer)的刚性层置于粘弹性层的顶部。这具有以下效应，即粘弹性层在剪切中变形，增强其能量吸收能力。存在可商购的所谓的约束层阻尼产品，包括橡胶和铝层。
US 2006/0208135包括将约束粘弹性层压材料附接在结构部件上，该结构部件本身附接于复合材料。
然而，尽管约束层阻尼技术在减少噪声方面非常有效，但是同时它们在复合材料的重量方面大大增加，这典型地包括当下面的复合材料的厚度仅为很少的几毫米时重量加倍，这在客机中非常常见。同样，施用层必须顺应机身结构，这在高度弯曲或凸起的区域可能是不可行的。
已经试图引入阻尼层作为复合材料结构的内部部件。US 5,487,928公开了纤维增强的层压材料，该材料包括与粘弹性层交迭的结构层的交替层。
US 6,764,754提出了一种特别的交迭类型，该交迭类型包括产生包含多层阻尼层和多层结构层的交替堆叠体的可固化层压材料。
然而，这样的结构往往非常厚，因为与不存在阻尼层的结构相比，层的数目大和固化层压材料的机械强度远远要小。
US 2008/0277057公开了使用由结构元件包围的粘弹性阻尼元件替代结构机身的部件。
因此似乎所谓的消音的被动方法必须不可避免地包括显著的重量增加，其中约束层阻尼是客机的唯一实用解决方案。
已经提出了更加精细的系统，包括压电传感器，该传感器活化压电触发器(activator)，消除检测到的振动。在航空器的某些局部区域这些系统可以是有效的，但是它们不适用于大面积的机身覆盖，这是因为它们的成本和相关的支承电子设备以及未来的维护问题。
因此本领域需要更方便的消音方法，特别是对于在给已知方法中带来显著缺点的大面积的应用。
发明内容
第一方面，本发明涉及可固化复合层压材料的交通工具机身壳部件(curable laminate vehicle body shell component)，包括热固性树脂、至少三层纤维增强的结构层和至少一层阻尼层，其中结构层与阻尼层的数目比为至少3∶1，这使得，当通过暴露于高温固化时，所述部件变为刚性机身壳。
已经发现提供由包括大多数结构层以及仅少数阻尼层的可固化层压材料制得的机身壳提供了固化结构，该固化结构可以仅以小比例增加的重量具有与后固化(post-cure)约束层阻尼技术一样好的消音性质。另外，可以覆盖大范围的机身壳装置而不考虑它们的曲率，因为层压材料是未固化的。此外，已知的与损害机械完整性相关的问题通过仅包含少数阻尼层而得以最小化或解决。
认为相邻结构层的存在有效提供了阻尼层的约束层。因此可认为本发明将约束层阻尼方案结合到预固化层压材料中，与之同时还包括所有上述的优点。
当层压材料固化时，阻尼层的特征可以在于，为具有下列性质中至少一种、优选为至少两种、更优选为全部三种的材料：玻璃态转化温度(Tg)为-100℃至100℃，优选为-80℃至0℃；tanδ峰为-60℃至100℃，优选为-30℃至50℃；损耗模量峰(E”)遍及的温度为至少30℃，优选为至少60℃。
相反，当层压材料固化时，结构层的特征可以在于，为具有下列性质中至少一种、优选为至少两种、更优选为全部三种的材料：Tg为100℃至300℃；tanδ峰为100℃至400℃，优选为150℃至300℃；损耗模量峰遍及的温度小于30℃。
仅使用极少阻尼层获得的阻尼性质是有效的，同时保留层压材料的机械完整性。因此，结构层与阻尼层的比率优选为3∶1至50∶1，更优选为5∶1至20∶1。
另一方面，本发明涉及可固化层压材料的交通工具机身壳部件，包括热固性树脂，至少一层纤维增强的结构层和至少一层阻尼层，其中结构层与阻尼层的厚度比为至少3∶1，这使得，当通过暴露于高温固化时，所述部件变为刚性机身壳。
在该方面，结构层与阻尼层的厚度比优选为3∶1至50∶1，优选为5∶1至20∶1。
尽管可适用于各种情形，但是本发明特别适合当层压材料相对薄的情形，因为这样的复合材料倾向于振动和相对重量轻。因此，优选地，至少50％的结构层的厚度为0.1至1.0mm，优选为0.15至0.5mm。理想地，至少80％，或甚至基本上全部的结构层具有该厚度。
优选地，层压材料的厚度也因此为1.0至10.0mm，优选为1.0至5.0mm和更优选为1.5至3.0mm。
层压材料可以包括呈多种类型和形式的热固性树脂。例如，树脂可以作为纤维层之间的非连续层存在。然而典型地，将树脂预浸渍到纤维层的结构中，但是一些纤维层可以潜在地如所需地以所谓半浸渍布置保持“干燥”。树脂可以以图案形式或作为层存在，对设计的选择在本领域技术人员的判断能力内。
结构层的可固化热固性树脂可以选自本领域常规已知的那些，例如酚醛树脂、脲醛树脂、1，3，5-三嗪-2，4，6-三胺(三聚氰胺)、二马来酰亚胺、环氧树脂、乙烯基酯树脂、苯并嗪树脂、聚酯、不饱和聚酯、氰酸酯树脂、或其混合物。环氧树脂是特别优选的。可以根据需要添加固化剂和任选的加速剂。
结构层的纤维可以采取多种形式和由多种适宜的材料制得。根据预定应用的要求所期望的，纤维可以是单向的或以多向排列编织的、或非编织的。优选的排列是使用单向纤维和排列结构层，使得它们交替改变它们的纤维方向，从而形成准各向同性的组件。可以根据部件的特定应用采用其它层堆叠排列。
纤维可以由碳纤维、玻璃纤维或有机纤维例如芳纶制造。
阻尼层典型地包括另外的热固性材料并且可以采取多种适宜形式中的任何形式，条件是该材料具有足以引起阻尼的物理性质。阻尼层优选为基本上或完全未固化的。优选地，该另外的热固性材料基本上或完全未固化。在优选的实施方式中，阻尼层包括橡胶，特别是基于下述单体单元的那些：丁基、氯丁基、异戊二烯、氯丁二烯、丁二烯、苯乙烯和丙烯腈。腈橡胶是优选的橡胶。
可替换地或另外地，阻尼层可以包括可固化树脂材料，该材料可以与如上所述用于结构层的材料相同或相似。典型地，树脂将需要添加剂，以便于该树脂用作阻尼层。
阻尼层可以包括多种添加剂，包括填料、其它聚合物、增塑剂、增韧剂、增量剂、软化剂和增粘剂。填料的实例包括炭黑、云母、石墨和白垩。具有层状结构的填料例如云母是有利的，因为它们增强层的阻尼性质。
阻尼层也可以包括如上所述的纤维增强结构，从而有助于处理。然而认为这样的结构可以妨碍其阻尼性质，因此理想地使该结构保持最少。因此，优选地，阻尼层包括0至50wt％的纤维，优选为5wt％至35wt％，更优选为至多20wt％。然而，不包含纤维增强材料的阻尼层可以是最优选的。
由于认为存在阻尼层对层压材料的机械性能有害，如果存在多层阻尼层，那么这些层优选不互相接触。因此优选的是，层压材料包括至多四层彼此相邻的阻尼层，优选至多三层，更优选至多两层和最优选无彼此相邻的阻尼层。
此外，层压材料优选地总共包含至多五层阻尼层，优选为不多于四层，更优选为不多于三层，最优选为不多于两层。在优选的实施方式中，层压材料包含单层阻尼层。
由于根据本发明的层压材料避免引入不必要的重量，因此层压材料可以遍布交通工具机身相当大的区域。因此，可固化层压材料的表面积优选为至少1.0m2，更优选为至少2.0m2，最优选为至少5.0m2。
此外，由于轻量性质，层压材料理想地适宜用作航空器机身壳部件。
本发明的层压材料可以通过布置层压材料结构领域中任何适宜的已知方法制造。然而，优选地，该方法包括铺放预浸料或半浸料，该预浸料或半浸料包含与其密切粘接的阻尼层。以该方式，可以将可固化的层压材料与模具接触放置。
因此，在第二方面，本发明涉及构造层压材料的交通工具机身壳部件的方法，该方法包括铺放包括热固性树脂和结构纤维的片状预浸料或半浸料层，使该层与阻尼层密切接触，和使所述阻尼预浸料或半浸料形成所述机身壳部件的最终形状；在前述步骤之前或之后，铺放另外的纤维结构层形成可固化层压材料的交通工具机身壳部件，然后使所述层压材料暴露于高温和任选的高压，从而使所述层压材料固化，制得所述层压材料的交通工具机身壳部件。
优选地，将所述另外的纤维结构层铺放在阻尼预浸料或半浸料之后。
根据本发明方法生产的层压材料可以具有如以上针对可固化层压材料交通工具机身壳所描述的物理、结构或化学性质中的任何性质。
第三方面，本发明涉及片状可固化的预浸料或半浸料，该预浸料或半浸料包括密切接触基本上或完全未固化的可固化阻尼层的树脂和增强纤维。
接触预浸料或半浸料的阻尼层可以具有如以上针对可固化的层压材料交通工具机身壳所描述的物理、结构或化学性质中的任何性质。特别地，阻尼层优选地不含纤维增强材料。
层压材料或可固化预浸料或半浸料可以通过暴露于高温和任选的高压使用任何适宜的已知方法固化(例如真空袋、高压釜或压力固化)，制得刚性机身壳。
第四方面，本发明涉及制造片状可固化预浸料或半浸料的方法，所述预浸料或半浸料包括密切接触阻尼层的树脂和结构纤维，其中所述阻尼层通过将纤维片材浸入阻尼材料的溶液中并蒸发除去溶剂而形成。
现在将通过实施例参考下列附图说明本发明，其中：
图1是呈分解形式的根据本发明的预固化层压材料的图示。
图2是根据本发明的固化的层压材料的图示。
图3是根据本发明的阻尼预浸料的图示。
提及附图，图1显示了层压材料10，包括两层上部的结构层12、阻尼层14、和八层下部的结构层16。
结构层12、16包括使用可固化环氧树脂预浸渍的单向碳纤维增强层。改变纤维的排列形式，提供0°/90°叠铺。各结构层的厚度为0.2mm。
阻尼层14包括浸渍到碳纤维织物片中的可固化和未固化的腈橡胶，阻尼层14的厚度为0.4mm。
层压材料10的厚度因此为2.4mm。
图2显示固化的层压材料20，包括两层上面的结构层22、阻尼层24和六层下面的结构层26。层压材料20形成交通工具机身壳的部件并且提供消音性质以及适宜的材料性质。
图3显示了阻尼预浸料30，该预浸料包括密切接触阻尼层34的预浸料32的片材。预浸料32包括使用环氧树脂预浸渍的单向碳纤维增强材料。纤维的方向可以见于图3，该图仅针对说明的目的，展示从预浸料32剥离的阻尼层34。
可以将阻尼预浸料供应到辊上，以已知方式展开，形成交通工具机身壳或其它部件。典型地，可以将另外的结构层铺放在例如另外的预浸料或半浸料层上，从而在固化时制得适当强度的层压材料。
实施例1
在室温在液压机中压制未固化的腈橡胶混配物(E10956NBR Black，Berwin，UK)，得到面重量为大约310g/m2的片材。然后将该橡胶层施用于单向航天级预浸料M21E/34％/268/IMA(Hexcel，UK)层上，将其组装成八层UD层压材料，其中橡胶层在组件的二层和三层之间。使预浸料堆固化形成层压材料，这使用预浸料生产商推荐的固化周期-真空袋，高压釜固化，在180℃使用2h的最终固化时间-进行。形成的层压材料看起来具有良好的尺寸稳定性。将材料切割形成大小为120mm×42.5mm的测试样品。通过施用大铁夹子从两个相邻的角悬挂测试样品。将棉线与夹子连接，然后将样品悬挂在测试室中。将微型加速计(型号352C22，PCB Piezoelectronics)牢固固定在面板背后的中心，该加速计经模拟-数字转换器连接到运行信号分析软件(SignalCalc AceTM by Data Physics)的PC。
此外连接到PC的测量锤(型号086C01，PCB Piezoelectronics)用来直接在中心击打面板的正面。测试在室温进行。记录面板的初始激发及其持续的共振用于分析。
经来自加速计(位于测试片上)的时间域信号的快速傅里叶变换产生频率域曲线。面板的第一主共振模式由该频率响应函数确定。该面板的第一主共振模式为约1300Hz。尽管随后的阻尼处理改变该共振的精确频率，但每次均容易分析鉴别。
动态信号分析软件用来报告在该频率的层压材料的阻尼。这使用带宽(半功率)方法计算。将各次测试重复三次，计算该信号的平均值。将结果与不包含阻尼层元件的对照层压材料比较。
表1
  对照   本发明  SmacsonicTM
  重量(kg/m2)   3.28   4.00  6.43
  阻尼值   0.89％   4.90％  4.25％
  厚度(mm)   2.09   2.40  3.85
也将结果与可商购的阻尼处理物得自Smac的SmacsonicTM from(Toulon，France)进行比较。测试样品通过将类似大小的测试样品覆盖在以上由铝衬背的
Figure BDA0000073989620000071
约束层阻尼元件上制得。
在～1300Hz的阻尼值以及重量和厚度数据如表1所示。可见根据本发明的层压材料提供优越的阻尼响应，而重量和厚度仅有少量增加。
实施例2
未固化的橡胶混配物(E10956NBR Black，Berwin，UK)的溶液/分散体在甲基乙基酮中以大约7.5％的固体浓度制备。根据本发明的阻尼层通过使用该溶液/分散体浸渍20g/m2无规碳遮蔽物(veil)(Optimat 203，来自TechnicalFibre Products)制得，得到面重量为大约190g/m2的负载型未固化的弹性体元件。将该结构铺层到实施例1使用的预浸料上并与之密切接触，随后包含在如实施例1所示的预浸料的层压材料结构内，然后如前所述地进行固化和测试。
该层压材料的厚度和面重量分别为2.29mm和3.47kg/m2，得到在～1300Hz的阻尼值为2.64％。通过与以上结果的比较可见，这表示，与对照层压材料相比，在阻尼方面存在210％的改进，而在重量和厚度方面却无显著改变。
实施例3
未固化的橡胶混配物(E10956NBR Black，Berwin，UK)的溶液/分散体以大约7.5％的浓度在MEK中制得。约束层阻尼元件通过使用该溶液/分散体浸渍4g/m2聚酯遮蔽物(T2570/01，得自Technical Fibre Products，UK)制得，得到面重量为大约50g/m2的负载型未固化的弹性体元件。使用低压和中等温度将该轻量负载型阻尼层紧密粘附于M21E UD碳预浸料(Hexcel，UK)层上。使该全部整体结构包括在层压材料结构中，如上述进行固化和测试。固化的层压材料的厚度为2.21mm，重量为3.33kg/m2，在～1300Hz的阻尼值为1.39％。在与未固化的预浸料密切结合时，该实施例应该特别能经受使用现有可利用技术例如自动传带敷设(Automatic Tape Laying)(ATL)的加工。

Claims (19)

1.一种可固化层压材料的交通工具机身壳部件，包括热固性树脂、至少三层纤维增强的结构层和至少一层阻尼层，其中结构层与阻尼层的数目比为至少3∶1，这使得，当通过暴露于高温固化时，所述部件变为刚性机身壳。
2.根据权利要求1所述的可固化层压材料，其中所述结构层与阻尼层的比率优选为3∶1至50∶1，优选为5∶1至20∶1。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的可固化层压材料，其中至少50％、优选为至少80％或甚至基本上全部的所述结构层的厚度为0.1至1.0mm，优选为0.15至0.5mm。
4.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述可固化层压材料的厚度为1.0至10.0mm，优选为1.0至5.0mm，更优选为1.5至3.0mm。
5.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述阻尼层包括另外的热固性材料。
6.根据权利要求5所述的可固化层压材料，其中所述另外的热固性材料为基本上或完全未固化的。
7.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述阻尼层为基本上或完全未固化的。
8.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述阻尼层包括0至50wt％的纤维，优选包括5至35wt％的纤维。
9.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述阻尼层不含纤维增强材料。
10.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述层压材料包括至多四层彼此相邻的阻尼层。
11.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，所述可固化层压材料总共包含至多五层阻尼层。
12.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，其中所述交通工具是航空器。
13.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，所述可固化层压材料与模具接触。
14.根据前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料，所述可固化层压材料的表面积为至少1.0m2，优选为至少2.0m2，优选为至少5.0m2。
15.一种刚性机身壳，该刚性机身壳可通过使前述权利要求中任一项所述的可固化层压材料暴露于高温和任选的高压而将其固化的方法获得。
16.一种构造层压材料的交通工具机身壳部件的方法，该方法包括铺放包括热固性树脂和结构纤维的片状预浸料层或半浸料层，使该层与阻尼层密切接触，和使所述阻尼预浸料或半浸料成形为所述机身壳部件的最终形状；在前述步骤之前或之后，铺放另外的纤维结构层，形成可固化层压材料的交通工具机身壳部件，然后使所述层压材料暴露于高温和任选的高压，从而使所述层压材料固化，制得所述层压材料的交通工具机身壳部件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述另外的纤维结构层铺放在所述阻尼预浸料或半浸料之后。
18.一种片状可固化预浸料或半浸料，所述预浸料或半浸料包括密切接触基本上或完全未固化的可固化阻尼层的增强纤维和树脂。
19.一种制造片状可固化预浸料或半浸料的方法，所述预浸料或半浸料包括密切接触阻尼层的结构纤维和树脂，其中所述阻尼层通过将开口的纤维幅面材料浸入阻尼材料的溶液中并蒸发除去溶剂而形成。
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