本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)涉及在長(zhǎng)的纖維加強(qiáng)復(fù)合物中通過(guò)添加碳納米管的透印減輕。常常通過(guò)添加纖維來(lái)加強(qiáng)聚合物物品，纖維可組裝到諸如織造墊或薄片的結(jié)構(gòu)化加強(qiáng)物內(nèi)且墊或薄片用作加強(qiáng)物。這樣的織造纖維加強(qiáng)聚合物復(fù)合物品可表現(xiàn)出不合需要的表面高度變化，其模仿下層加強(qiáng)物的幾何形狀，為被稱(chēng)作透印的現(xiàn)象。通過(guò)在物品表面上形成合并了緊密間隔開(kāi)的短碳納米管的相容聚合物的相對(duì)薄層，碳納米管在整個(gè)層上大致均勻分散且垂直于物品表面定向，可減輕或排除透印。詳細(xì)描述了用于制造這種物品的方法。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及用于減輕具有織造的(woven)長(zhǎng)纖維加強(qiáng)物的模制聚合物復(fù)合結(jié)構(gòu)中的透印或大體上對(duì)應(yīng)于纖維織物尺度的表面凸凹的方法。
技術(shù)介紹
熟知可通過(guò)添加諸如塑料、短切纖維或長(zhǎng)纖維的強(qiáng)和/或剛性加強(qiáng)物以形成復(fù)合結(jié)構(gòu)來(lái)改進(jìn)材料的強(qiáng)度和剛度。這種實(shí)踐可應(yīng)用于許多基質(zhì)材料，包括金屬、陶瓷和聚合物，但常常與聚合物基質(zhì)一起使用，與陶瓷或金屬相比，其提供更小的強(qiáng)度和剛度，但具有更低密度。因此，這樣的加強(qiáng)聚合物結(jié)構(gòu)可提供良好的強(qiáng)度和剛度與低質(zhì)量的組合。如果低質(zhì)量是特別關(guān)注的，可使用更高強(qiáng)度和低密度的纖維加強(qiáng)物作為低密度聚合物基質(zhì)的補(bǔ)充來(lái)進(jìn)一步最小化復(fù)合物質(zhì)量。最小化復(fù)合物的質(zhì)量將越來(lái)越多地取決于最小化加強(qiáng)更高強(qiáng)度纖維的質(zhì)量，因?yàn)樾阅苄枨蠹铀倭嗽黾永w維體積分?jǐn)?shù)(fiber volume fraction)的趨勢(shì)。一種常用的高強(qiáng)度低密度加強(qiáng)物為碳纖維。在某些應(yīng)用中，考慮僅有限的幾個(gè)工程設(shè)計(jì)屬性，如加強(qiáng)聚合物的剛度、強(qiáng)度或質(zhì)量可能足以判斷其是否適合于特定目的。但在更多的應(yīng)用中，必須考慮更寬范圍的工程設(shè)計(jì)性質(zhì)、特征和行為。例如，在其中采用多種材料的組件中，在性能或外觀方面與其它不同材料的相容性可能成為問(wèn)題。恰當(dāng)?shù)睦映霈F(xiàn)在某些汽車(chē)應(yīng)用中，其中個(gè)別加強(qiáng)復(fù)合構(gòu)件或結(jié)構(gòu)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)罩，可鄰近例如擋泥板的金屬片構(gòu)件定位。預(yù)期所有構(gòu)件的涂漆外觀應(yīng)當(dāng)匹配。加強(qiáng)纖維可用作離散加強(qiáng)物但在許多情況下，碳纖維以有組織地分組布置。例如，在某些碳纖維加強(qiáng)聚合物中，大體上圓柱形的碳纖維首先組織為絲束。這些絲束為疏松地聚集在一起的連續(xù)或接近連續(xù)的無(wú)捻纖維的集合體。絲束常常采取絲帶狀配置且可具有大體上橢圓形截面且可任選地使用環(huán)氧膠劑而略微固定。這樣的絲束然后可織造為任何所需二維圖案以形成加強(qiáng)織物或薄片。雖然個(gè)別纖維可具有至少大約一微米的直徑，更典型的尺寸在10微米與20微米之間。相比而言，可包含約1000到50000纖維的絲束的寬度可在I.O毫米至10毫米之間，或等效地在1000微米與10，000微米之間。典型織造圖案可略微粗糙，且相鄰的平行絲束以I毫米與5毫米之間的距離間隔開(kāi)。構(gòu)件的制造始于利用聚合物樹(shù)脂來(lái)浸潰織造薄片，其為了易于處理，常常為部分固化的或者為B階化的但保持柔性和舒適性。這樣的樹(shù)脂浸潰的薄片被稱(chēng)作預(yù)浸材料。在批量生產(chǎn)中，常常采用受熱的多部件模具。這樣的模具能接納預(yù)浸材料且使之在模具受熱之前在壓力下成形為所需的物品形狀。然后可升高模具溫度以升高預(yù)浸材料溫度且使得樹(shù)脂固化并形成復(fù)合物物品。模具部件是可分開(kāi)的以加載預(yù)浸材料和提取固化的物品且各模具部件當(dāng)組裝為其操作配置時(shí)限定對(duì)應(yīng)于所需物品幾何形狀的模腔。這樣的模具可接納單個(gè)預(yù)浸材料但更通常地，多個(gè)樹(shù)脂浸潰的薄片放置為一個(gè)在另一個(gè)之上以形成鋪層。在組裝鋪層時(shí)，薄片和其相關(guān)聯(lián)的加強(qiáng)物可相對(duì)于彼此移位或旋轉(zhuǎn)以減小完成的構(gòu)件中的平面內(nèi)性質(zhì)方向性。鋪層可在模具中制成或可離線制備并僅在完全組裝時(shí)才放置于模具內(nèi)。聚合物和加強(qiáng)物的熱膨脹系數(shù)(CTE)顯著不同，此外，大部分碳纖維具有各向異性CTE，表現(xiàn)出沿著其軸線的一個(gè)CTE和在其直徑上的第二 CTE，保證在纖維與聚合物的更大且更各向同性CTE之間的至少某些CTE失配。在復(fù)合物品冷卻期間，此CTE失配將產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力將產(chǎn)生織造圖案的透印，即模仿織造圖案間隔的表面扭曲。在纖維絲束之間的區(qū)域?qū)⑾啾扔诟采w纖維絲束的更高區(qū)域下陷。這些表面扭曲或者纖維圖案的透印清楚可見(jiàn)，特別是在涂漆的表面上且在客戶可觀察到的任何‘顯示表面’上是不可接受的。因此，許多可看到的纖維復(fù)合構(gòu)件在最終涂漆之前需要大量修飾，通常涂底漆和砂磨。 因此需要抑制或最小化在纖維加強(qiáng)復(fù)合面板中的透印以最小化在面板組裝和涂漆之前對(duì)補(bǔ)救表面處理的需要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)提供最小化織造纖維加強(qiáng)聚合物復(fù)合物品的表面中的透印扭曲的方法。實(shí)踐本專(zhuān)利技術(shù)以便在原本受益于存在大量織造纖維加強(qiáng)層的聚合物復(fù)合物品上提供更高品質(zhì)的可見(jiàn)表面層。根據(jù)本專(zhuān)利技術(shù)的實(shí)施例，利用緊密間隔開(kāi)豎直定向的碳納米管加強(qiáng)預(yù)成型的可模制的聚合物預(yù)浸材料層被涂覆到織造纖維加強(qiáng)鋪層材料的預(yù)期可見(jiàn)的表面上?？椩炖w維加強(qiáng)材料構(gòu)成模制復(fù)合物品的主體部分，但納米管層大小和形狀適于形成復(fù)合物品的一個(gè)或多個(gè)表面。相對(duì)于下層聚合物主體層中的織造纖維的取向，碳納米管橫向于用于模制復(fù)合物品的表面的比較薄的涂覆覆蓋聚合物層的厚度定向。織造纖維加強(qiáng)聚合物部分和定向碳納米管的每個(gè)覆蓋聚合物層成形在一起且其聚合物內(nèi)含物固化在一起以形成具有更平滑的可見(jiàn)表面的耐用復(fù)合物品。在覆蓋聚合物層中的碳納米管的橫向取向減小了表面區(qū)域的不均勻收縮且在主要由織造纖維加強(qiáng)的表面上留下相對(duì)平滑的表面。通過(guò)添加這樣的覆蓋層，使得物品的上表面更加均勻，減小了否則會(huì)導(dǎo)致觀察到的透印的織物的打開(kāi)和填充區(qū)域之間的CTE和其它性質(zhì)的不一致。碳納米管為碳的中空同軸圓筒，其直徑為納米或數(shù)十納米，且長(zhǎng)度可延伸持續(xù)數(shù)十毫米。它們表現(xiàn)出高強(qiáng)度和沿著其圓筒軸線的低熱膨脹系數(shù)(CTE)。因此，與僅聚合物的熱收縮相比，豎直布置的碳納米管聚合物復(fù)合物的熱收縮將顯著減小，進(jìn)一步減小了復(fù)合物品中透印的趨勢(shì)。通常通過(guò)催化氣相反應(yīng)來(lái)生長(zhǎng)碳納米管。基板被制備為具有關(guān)于所需納米管直徑具有預(yù)定大小的金屬催化劑粒子層。通常，這些粒子單獨(dú)地或組合地包含鎳、鈷、鑰和鐵?；逶诶绨薄⒌?dú)饣驓錃獾亩栊詺怏w的氣氛下加熱到大約750°C且然后向諸如乙炔、乙烯、乙醇或甲烷或CO與氫氣的混合物的含碳?xì)怏w暴露。納米管在金屬催化劑的位點(diǎn)生長(zhǎng)，其中跡象表明含碳?xì)怏w在催化劑粒子的表面上分解，放出碳，碳由催化劑粒子吸收且轉(zhuǎn)移到粒子邊緣，在那里形成納米管。用于形成豎直對(duì)準(zhǔn)的碳納米管陣列的示例性過(guò)程為在硅晶片基板上形成大約10納米厚的Al2O3層，多個(gè)致密裝填的鐵催化劑粒子，每個(gè)大小在約10納米到20納米的范圍。合適的處理過(guò)程是從水溶液沉積鐵鹽，其當(dāng)蒸發(fā)掉水且在惰性氣氛下向合適高溫暴露時(shí)將分解以形成鐵催化劑粒子。通過(guò)使乙烯在高溫下在硅晶片支承的鐵粒子上流動(dòng)，可形成碳納米管。在以下過(guò)程條件下800°C的處理溫度；800°C的處理溫度；大約lmm/s的線性速度的乙烯流率；以及約I大氣壓的腔室壓力；可在2至4小時(shí)獲得長(zhǎng)度為3至5毫米和直徑為約10納米的碳納米管。納米管以約IO11纖維/cm2的表面密度存在且基本上均勻地分布，并共同定向?yàn)槠溟L(zhǎng)軸線或圓柱形軸線大體上垂直于支承硅晶片的表面。IO11 /cm2的表面密度對(duì)應(yīng)于均勻地以約30納米間隔開(kāi)的納米管?？赏ㄟ^(guò)控制核密度，或者，如果需要更大密度，通過(guò)壓縮納米管陣列到任何適當(dāng)程度來(lái)調(diào)整所需的納米管山/又ο納米管陣列可被浸潰聚合物樹(shù)脂，聚合物樹(shù)脂應(yīng)選擇為與預(yù)浸樹(shù)脂相容。一種示例性樹(shù)脂為基于雙酚A的環(huán)氧樹(shù)脂，其然后可部分地固化或B階化使得樹(shù)脂和交聯(lián)試劑僅反應(yīng)到產(chǎn)生粘彈性固體的程度?？墒褂弥苽浜玫腂階化樹(shù)脂/納米管復(fù)合物，或者使用顯微切片機(jī)或其它裝置在平行于硅晶片支承件的表面的方向中將B階化樹(shù)脂/納米管復(fù)合物 切片，以形成任何所需厚度的復(fù)合層。通過(guò)以此方式將層切片，切開(kāi)的納米管區(qū)段的圓柱形軸線保持為大體上垂直于層的表面。這些B階化樹(shù)脂/納米管復(fù)合層然后可作為表面層放置于預(yù)浸材料堆疊上，它們構(gòu)成鋪層。通常，將需要將納米管復(fù)合層涂覆到鋪層本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種制造包括復(fù)合模制層的物品的方法，所述復(fù)合模制層包括：熱固性聚合物組合物，其由一個(gè)或多個(gè)織造碳纖維層加強(qiáng)，織造碳纖維層鋪設(shè)為與所述熱固性聚合物層的表面同延并鄰近，所述熱固性聚合物層的表面預(yù)期具有一定的表面平滑度品質(zhì)；所述方法包括：利用熱固性聚合物組合物的液態(tài)前體組合物來(lái)浸潤(rùn)織造碳纖維層以使浸潤(rùn)了前體組合物的織造碳纖維準(zhǔn)備好進(jìn)行成形和固化以形成所述物品的熱固性聚合物層；放置填充了間隔開(kāi)的碳納米管的可固化的熱固性聚合物組合物的表面覆蓋層，所述覆蓋層鋪設(shè)為與浸潤(rùn)了前體組合物的織造碳纖維層的預(yù)期表面面對(duì)面地接觸并同延，所述碳納米管在所述涂覆的可固化聚合物組合物的覆蓋層中橫向鋪設(shè)且從所述覆蓋層的表面至表面地延伸，在所述放置的覆蓋層中所述碳納米管鋪設(shè)為相對(duì)于所述織造碳纖維層直立；以及模制用于所述物品的預(yù)期形狀和厚度的面對(duì)層且將所述兩個(gè)熱固性聚合物組合物固化以形成織造碳纖維和碳納米管的復(fù)合一體聚合物物品，所述碳納米管層的厚度和組成及其可固化的聚合物提供確定的表面平滑度品質(zhì)。
【技術(shù)特征摘要】
...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：HG基亞，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：通用汽車(chē)環(huán)球科技運(yùn)作有限責(zé)任公司，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒(méi)有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。