鋼纖維增強的復合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及鋼纖維增強的復合材料。該鋼纖維增強的復合材料包括基體材料和不銹鋼纖維。不銹鋼纖維具有多邊形截面和不銹鋼纖維具有退火的微結(jié)構(gòu)。
【專利說明】鋼纖維增強的復合材料【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及纖維增強的復合材料領(lǐng)域，和具體地涉及纖維增強的塑料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]纖維增強的復合材料長時間以來是已知的。熱塑性或熱固性樹脂用作基體材料，且不同類的增強纖維是已知的。重要的增強纖維是碳纖維，玻璃纖維和芳族聚酰胺纖維，但也使用其他纖維，例如亞麻纖維和其他天然纖維。
[0003]增強可以是纖維增強的塑料(纖維增強的復合材料)的設計標準之一。然而，對于纖維增強的塑料的實際使用來說，其他參數(shù)可能甚至更加重要。對于許多的應用來說，纖維增強的塑料產(chǎn)品的強度不是第一重要的，而是勁度(其中包括彎曲勁度和抗扭勁度)和沖擊時的能量吸收(或抗沖擊性)。在復合增強劑中使用最多的三類纖維(玻璃纖維，芳族聚酰胺纖維和碳纖維)當中，碳纖維具有最高的彈性模量和因此導致纖維增強的復合材料具有比芳族聚酰胺或玻璃纖維增強的復合材料高的勁度。芳族聚酰胺和玻璃纖維增強的復合材料具有較低的勁度。用碳或玻璃纖維增強的復合材料的抗沖擊性通常不被視為非常好。芳族聚酰胺增強的復合材料的缺點是低的壓縮強度，高的蠕變水平和高的吸濕水平。
[0004]EP1342623A公開了一種沖擊梁，它包括聚合物基體和含金屬芯線的金屬增強的結(jié)構(gòu)。該沖擊梁在沖擊之中和之后，具有改進的抗沖擊性和改進的完整性。然而，EP1342623A的公開內(nèi)容的缺點是采用該文獻中描述的金屬芯線，不可能制造復雜形狀的纖維增強的部件。另一缺點是，芯線的尺寸(厚度)不便于增強劑在纖維增強的復合材料的全部表面上均勻地分布且不具有高質(zhì)量百分數(shù)的金屬芯線。
[0005]在許多專利公布，例如在EP1650021A1, EP1787790A1, W02004/028803 中和在US2009/0017322A1中公開了自增強的聚烯烴復合材料。自增強的聚烯烴復合材料具有的優(yōu)勢是，它們可容易地再循環(huán)。再循 環(huán)的優(yōu)點是自增強的聚烯烴復合材料不包括玻璃纖維，若當再循環(huán)含有玻璃纖維的廢物材料時，可存在健康問題。自增強的聚烯烴復合材料的問題是，對于其中要求復合材料高勁度的應用來說是不足的。
[0006]發(fā)明公開
[0007]本發(fā)明的目的是提供改進的纖維增強的復合材料。本發(fā)明的具體目的是提供纖維增強的復合材料，它具有與良好的沖擊性能相結(jié)合的良好的勁度(硬度)。本發(fā)明的另一優(yōu)勢是，可制造具有復雜形狀的纖維增強的復合材料。
[0008]本發(fā)明的第一方面是纖維增強的復合材料。纖維增強的復合材料包括基體材料和不銹鋼纖維。不銹鋼纖維具有多邊形截面且不銹鋼纖維具有退火的微結(jié)構(gòu)。在具體的實施方案中，多角的截面是六角的。優(yōu)選地，不銹鋼纖維不具有卷曲。
[0009]本發(fā)明的纖維增強的復合材料具有良好的勁度(若不銹鋼纖維的勁度為約200GPa的話)和沖擊時的能量吸收，同時具有充足的強度。在纖維增強的復合材料中，使用具有六角截面的不銹鋼纖維在不銹鋼纖維和基體材料之間產(chǎn)生良好的粘著性。
[0010]與用碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維增強的復合材料相比，本發(fā)明纖維增強的復合材料具有許多其他額外的優(yōu)勢。本發(fā)明的纖維增強的復合材料對電磁波具有屏蔽性能且具有導熱以及導電性。通過不銹鋼纖維的退火的微結(jié)構(gòu)，對電磁波的屏蔽性能和導電性甚至得到提高。還表明，與鋼結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的纖維增強的復合材料具有好得多的振動阻尼性能，和與類似的碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維增強的復合材料相比，也具有好得多的阻尼性倉泛。
[0011]與類似的芳族聚酰胺纖維增強的復合材料相比，本發(fā)明的纖維增強的復合材料顯示出具有較高的壓縮強度，較低的蠕變水平和較低的吸濕性。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，使用纖維束牽拉(bundle drawing),制造不銹鋼纖維。在使用纖維束牽拉制造不銹鋼纖維以供在本發(fā)明中使用的情況下，獲得具有不規(guī)則和粗糙多邊形截面形狀的不銹鋼纖維。已發(fā)現(xiàn)，具有不規(guī)則和粗糙截面形狀的不銹鋼纖維對纖維增強的復合材料中的基體材料具有改進的粘著性。例如在US-A-2050298, US-A-3277564中和在US-A-3394213中描述了纖維束牽拉。金屬線材形成起始材料且用諸如鐵或銅之類的涂層包衣。隨后將這樣一束包衣的線材包封在金屬管道內(nèi)。之后，借助隨后的拉絲步驟，減少如此包封的管道的直徑，達到具有較小直徑的復合材料束。隨后的拉絲步驟可以與合適的熱處理交替或者不交替，以允許進一步牽拉。在復合纖維束內(nèi)部，初始的線材轉(zhuǎn)化成獨立地包埋在覆蓋材料基體內(nèi)的薄的纖維。這一纖維束優(yōu)選包括不大于2000根纖維，例如50至1500根纖維。一旦獲得所需的最終直徑，則可例如通過將覆蓋材料溶解在充足的浸潰劑或溶劑內(nèi)，除去覆蓋材料。最終的結(jié)果是裸纖維束。在不銹鋼纖維的情況下，在本發(fā)明中使用粗紗，通過將一根或更多根這些裸纖維束集中在一起，獲得不銹鋼纖維的粗紗。
[0013]在本發(fā)明中，不銹鋼纖維由不銹鋼制成。不銹鋼定義為以質(zhì)量計，具有最小10.5%的鉻含量的鋼合金?？稍诒景l(fā)明中使用的不銹鋼等級的實例包括(但不限于)AISI316，AlSI316L, AISI302, AISI302HQ, AISI304 和 AISI304F。
[0014]優(yōu)選地，本發(fā)明中使 用的不銹鋼纖維在拉伸模式下的平均斷裂伸長率為至少6%，優(yōu)選10%。在單根纖維上,采用IOOmm的試驗長度和2mm/min的速度和0.005N的預負載,測試斷裂伸長率。更優(yōu)選，在本發(fā)明中，使用在拉伸模式下，斷裂伸長率為至少13%的不銹鋼纖維。甚至更優(yōu)選，使用在拉伸模式下，斷裂伸長率為至少15%的不銹鋼纖維。已發(fā)現(xiàn)，使用在拉伸模式下具有較高斷裂伸長率的不銹鋼纖維導致具有較高沖擊能吸收的纖維增強的復合材料，且對勁度不具有負面影響，并且同時仍然具有充足水平的拉伸強度。
[0015]不銹鋼纖維可按照許多不同的方式存在于纖維增強的復合材料內(nèi)。在一個實施方案中，不銹鋼纖維以無限長度，即長絲類型(這意味著連續(xù)長度)的不銹鋼纖維形式存在。
[0016]在另一實施方案中，不銹鋼纖維以不銹鋼纖維的粗紗形式存在于纖維增強的復合材料內(nèi)。粗紗是指，正如纖維增強的復合材料工業(yè)中已知的，基本上無限長度的基本上平行的長絲的連續(xù)繩股。
[0017]在另一實施方案中，不銹鋼纖維以離散長度的不銹鋼纖維形式存在于纖維增強的復合材料內(nèi)。這意味著不銹鋼纖維具有一個纖維長度分布和一個平均纖維長度。當使用離散長度的不銹鋼纖維時，平均纖維長度優(yōu)選大于60mm，更優(yōu)選大于90mm，甚至更優(yōu)選大于150_，和仍然甚至更優(yōu)選大于175_。制造離散長度的不銹鋼纖維的生產(chǎn)方法的一個實例是拉伸斷裂，該技術(shù)是紡織品工業(yè)中已知的。[0018]不銹鋼纖維可以在一個或更多個方向上存在于纖維增強的復合材料內(nèi)。優(yōu)選地，在特定方向上的不銹鋼纖維在該方向上排列，這意味著優(yōu)選不銹鋼纖維既不被加捻，也不具有卷曲，而是筆直和排列整齊的。[0019]根據(jù)本發(fā)明的一個實施方案，纖維增強的復合材料中的基體可以是熱塑性聚合物或熱固性樹脂。根據(jù)本發(fā)明使用的熱塑性聚合物或熱固性樹脂的實例是聚酰胺(例如，聚酰胺6和聚酰胺6.6)，熱塑性聚酯(例如，PET:聚酯對苯二甲酸酯)，聚烯烴，聚丙烯，聚乙烯，通過馬來酸酐改性的高密度聚乙烯(聚丁烯琥珀酸酯)和聚碳酸酯。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一實施方案，纖維增強的復合材料中的基體可以是熱固性樹脂。根據(jù)本發(fā)明可使用的熱固性樹脂的實例是不飽和聚酯，環(huán)氧樹脂，乙烯基酯和聚異氰脲酸酯樹脂。
[0021]在本發(fā)明的具體實施方案中，不銹鋼纖維具有10至100微米的當量直徑。特定纖維中的術(shù)語“當量直徑”要理解為具有圓形截面的假想纖維的直徑，所述截面具有與特定纖維的截面的平均表面積相同的表面積。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，不銹鋼纖維的當量直徑為30至80微米。在進一步優(yōu)選的實施方案中，不銹鋼纖維的當量直徑為35至70微米。選擇較厚的纖維(具有較高當量直徑的纖維)顯示出許多額外的優(yōu)勢。使用較厚的纖維(具有較高當量直徑的纖維)顯示出得到具有較高沖擊吸收能和拉伸模式下較高斷裂伸長率的復合材料。采用較厚纖維制造的根據(jù)本發(fā)明的纖維增強的復合材料的總成本較低，這歸因于纖維制造工藝比較容易和因此比較便宜。
[0022]采用具有較高當量直徑的不銹鋼纖維制造的纖維增強的復合材料具有較高的沖擊吸收能這一結(jié)果是令人驚奇的。在例如用碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維增強的復合材料中已知且常見的實踐是使用細纖維以供最好的沖擊強度。碳增強的復合材料所使用的典型碳纖維直徑為7微米，對于玻璃纖維增強的復合材料來說，典型的玻璃纖維直徑是8-20微米。對于芳族聚酰胺增強的復合材料來說，典型的芳族聚酰胺纖維直徑是12微米。
[0023]具有較低當量直徑的不銹鋼纖維使得能更加容易地制造更加復雜形狀的纖維增強的復合材料。具有較高當量直徑的纖維具有的優(yōu)勢是，它們比較容易(和因此比較便宜地)生產(chǎn)，并導致采用較高當量直徑的纖維制造的比較便宜的纖維增強的復合材料。
[0024]已發(fā)現(xiàn)，具有35至70微米的當量直徑的不銹鋼纖維提供纖維增強的復合材料最好的性能組合:勁度、沖擊能吸收、充足的強度和容易制造復雜形狀的纖維增強的復合材料。
[0025]在進一步優(yōu)選的實施方案中，不銹鋼纖維的當量直徑為45至70微米。這一范圍的當量直徑的不銹鋼纖維比較容易制造。
[0026]在本發(fā)明第一方面的進一步的實施方案中，制造纖維增強的復合材料所使用的不銹鋼纖維包括施膠劑。施膠劑可以是水性聚合物材料或者施膠劑可以是溶劑基的。使用水性施膠劑的優(yōu)勢是，施膠劑的施加對環(huán)境更加友好。在將不銹鋼纖維加工成制造纖維增強的復合材料中使用的形狀中和在制造纖維增強的復合材料中，在不銹鋼纖維上使用施膠劑顯示出優(yōu)勢，因為不銹鋼纖維被保持在一起?？蛇x擇施膠劑，以增加不銹鋼纖維粗紗中的不銹鋼纖維和纖維增強的復合材料中的基體之間的粘著性。這種施膠劑的一個實例是PVA (聚乙烯醇)。
[0027]在本發(fā)明第一方面的另一實施方案中，不銹鋼纖維不具有施膠劑。不具有施膠劑的不銹鋼纖維具有許多優(yōu)勢。它得到較大的設計自由度以制造纖維增強的復合材料，因為可制造更加復雜形狀的纖維增強的復合材料，因為不銹鋼纖維可更加容易地具有待制造的纖維增強的復合材料目標的形狀。沖擊吸收能也良好。令人驚奇地，使用不具有施膠劑的不銹鋼纖維具有不銹鋼纖維對基體的良好粘著性。相反，在纖維增強的復合材料中常見的實踐是在纖維上使用施膠劑。例如碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維或纖維粗紗包括施膠劑，以滿足碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維對采用這些纖維或纖維粗紗制造的纖維增強的復合材料中的基體的粘著性要求。
[0028]在本發(fā)明第一方面的又一實施方案中，成束地排列不銹鋼纖維。這樣的纖維束可以是不銹鋼纖維的粗紗，或者離散長度的不銹鋼纖維束，例如不銹鋼纖維中拉伸斷裂的銀。在優(yōu)選的實施方案中，不銹鋼纖維束包括在不銹鋼纖維束周圍包裹的纖維或紗線。當在不銹鋼纖維束周圍包裹纖維或紗線時，不銹鋼纖維束的內(nèi)聚性得到改進。不銹鋼纖維束的加工按照這一方式得到改進。當使用具有在不銹鋼纖維束周圍包裹的纖維或紗線的不銹鋼纖維束時，觀察到許多具體的優(yōu)勢。有助于生產(chǎn)在纖維增強的復合材料中使用的具有不銹鋼纖維束的紡織品結(jié)構(gòu)。同樣有助于生產(chǎn)纖維增強的復合材料，因為當成型纖維增強的復合材料時，在力對不銹鋼纖維束的影響下，不銹鋼纖維束在沒有展開的情況下，可制造更加復雜形狀的纖維增強的復合材料。纖維增強的復合材料的沖擊性能以及不銹鋼纖維對纖維增強的復合材料中的基體的粘著性能表明是良好的，所述纖維增強的復合材料采用具有在不銹鋼纖維束的周圍包裹的纖維或紗線的不銹鋼纖維束制造。
[0029]在具體的實施方案中，不銹鋼纖維束包含在不銹鋼纖維束周圍包裹的聚乙烯醇(PVA)纖維或聚乙烯醇(PVA)紗線。
[0030]在另一具體的實施方案中，不銹鋼纖維束包含在不銹鋼纖維束周圍包裹的熱塑性纖維或熱塑性紗線。在又一具體的實施方案中，不銹鋼纖維束包括由在不銹鋼纖維束周圍包裹的雙組份纖維制造的雙組份纖維或紗線，優(yōu)選雙組份纖維具有核-殼結(jié)構(gòu)，其中殼具有比核低的熔點。這些實施方案的優(yōu)勢是，當使用熔點高于雙組份纖維的殼中熱塑性纖維或熱塑性紗線的熔點或軟化 點的熱塑性聚合物基體時，不銹鋼纖維對基體具有改進的粘著性。
[0031]在另一具體的實施方案中，不銹鋼纖維束包含在不銹鋼纖維束周圍包裹的聚酯纖維或聚酯紗線。
[0032]在本發(fā)明第一方面的又一實施方案中，纖維增強的復合材料包括在二維紡織品結(jié)構(gòu)內(nèi)提供的不銹鋼纖維。二維紡織品結(jié)構(gòu)是指寬度和長度比其厚度大得多的結(jié)構(gòu)。二維紡織品結(jié)構(gòu)中的不銹鋼纖維可以以不同方式存在，例如以無線長度的不銹鋼纖維形式，以不銹鋼纖維粗紗形式，以具有離散長度的不銹鋼纖維的不銹鋼纖維束形式存在…
[0033]根據(jù)本發(fā)明的這一實施方案可使用的二維紡織品結(jié)構(gòu)的實例是:
[0034].織造織物，它包括例如在經(jīng)向和緯向上不銹鋼纖維束或不銹鋼纖維粗紗形式的不銹鋼纖維
[0035].織造織物，它包括例如在織物的僅僅一個方向上(經(jīng)向或緯向)不銹鋼纖維束或不銹鋼纖維粗紗形式的不銹鋼纖維
[0036].緯向插入的經(jīng)編針織物，它包括例如在經(jīng)向或緯向，或者經(jīng)向上和緯向上的且通過一根或更多根針織或編織紗線連接的不銹鋼纖維束或不銹鋼纖維粗紗形式的不銹鋼纖維。作為一個實例，針織紗線可以是熱塑性的，或者針織紗線可以由雙組份纖維制造，優(yōu)選雙組份纖維具有核-殼結(jié)構(gòu)，其中殼具有比核低的熔點。實例是使用PVA(聚乙烯醇)針織或編織紗線。
[0037].多軸織物，其中例如不銹鋼纖維，不銹鋼纖維束或不銹鋼纖維粗紗形式的不銹鋼纖維位于不同方向上且借助針織或編織紗線連接。針織紗線可以是例如熱塑性的，或者針織紗線可以由雙組份纖維制造，優(yōu)選組份纖維具有核-殼結(jié)構(gòu)，其中殼具有比核低的熔點?？墒褂玫尼樋椈蚓幙椉喚€的一個實例是PVA(聚乙烯醇)紗線。
[0038].織物，其中例如不銹鋼纖維，不銹鋼纖維束或不銹鋼纖維粗紗形式的不銹鋼纖維位于一個或更多個方向上，和其中借助膠合或焊接到織物內(nèi)的不銹鋼纖維粗紗或到彼此上的一片或更多片箔或一種或更多種平紋棉麻織物，使織物(和因此在它內(nèi)部的不銹鋼纖維粗紗)產(chǎn)生內(nèi)聚性。
[0039].織物，其中在不同方向上層鋪不銹鋼纖維且以本領(lǐng)域已知的方式固結(jié)成織物。W02011/018574中給出了可使用的技術(shù)，和其中使用拉伸的斷裂纖維。
[0040]在紡織品結(jié)構(gòu)內(nèi)提供不銹鋼纖維以供制造纖維增強的復合材料有助于生產(chǎn)纖維增強的復合材料。
[0041]使用其中存在基本上不具有卷曲的不銹鋼纖維的紡織品結(jié)構(gòu)表明在沖擊負載下得到較好的能量吸收值和較好的復合材料勁度值。已表明對于含不銹鋼纖維的纖維增強的復合材料來說，與碳、玻璃或芳族聚酰胺纖維增強的復合材料相比，不具有卷曲紡織品結(jié)構(gòu)的復合材料勁度的改進比具有卷曲的紡織品結(jié)構(gòu)高得多。在紡織品結(jié)構(gòu)內(nèi)不銹鋼纖維卷曲是指在紡織品結(jié)構(gòu)內(nèi)不銹鋼纖維的波紋狀?！盎旧蠜]有卷曲”是指在紡織品結(jié)構(gòu)內(nèi)不銹鋼纖維基本上是筆直的且沒有顯示出卷曲。
[0042]在本發(fā)明的具 體實施方案中，紡織品結(jié)構(gòu)包括熱塑性材料，例如熱塑性纖維或紗線，或熱塑性箔或箔的長條，或平紋棉麻織物或平紋棉麻織物的組件。該紡織品結(jié)構(gòu)也可包括雙組份纖維或由雙組份纖維制造的紗線。雙組份纖維優(yōu)選為殼的熔融溫度低于核的核-殼類型。施加熱量到這 一紡織品結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生在紡織品結(jié)構(gòu)內(nèi)熱塑性材料的部分或完全熔融。在硬化之后，提供紡織品結(jié)構(gòu)改進的穩(wěn)定性，這有助于切割紡織品結(jié)構(gòu)，且沒有損失其完整性且有助于在含不銹鋼的紡織品結(jié)構(gòu)的模具內(nèi)定位以供生產(chǎn)本發(fā)明的纖維增強的復合材料。
[0043]在具體的實施方案中，將不銹鋼纖維和/或含不銹鋼纖維的紡織品結(jié)構(gòu)制成預浸潰體，所述預浸潰體包括制造本發(fā)明的纖維增強的復合材料所要求的部分或全部基體材料。
[0044]在本發(fā)明的具體實施方案中，在鋼纖維粗紗方向上，本發(fā)明的纖維增強的復合材料在拉伸模式下的斷裂伸長率大于7%。在優(yōu)選的實施方案中，在鋼纖維粗紗方向上，纖維增強的復合材料在拉伸模式下的斷裂伸長率大于8%。在進一步優(yōu)選的實施方案中，在鋼纖維粗紗方向上，在拉伸模式下的斷裂伸長率大于10%。根據(jù)ASTM D3093-93，進行拉伸測試。采用高密度聚乙烯(HDPE)作為基體材料制造顯示出在鋼纖維粗紗方向上，在拉伸模式下的斷裂伸長率大于10%的本發(fā)明的纖維增強的復合材料的一個實例。
[0045]本發(fā)明的另一實施方案是其中纖維增強的復合材料除了包含不銹鋼纖維以外，還包含增強纖維，和其中纖維增強的復合材料中的基體材料包含聚烯烴聚合物。額外的增強纖維可以例如包括聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶。這一實施方案的優(yōu)勢是，復合材料具有高的勁度，這歸因于不銹鋼纖維的存在。進一步的優(yōu)勢是容易循環(huán)復合材料，該復合材料可以在沒有健康問題的情況下，例如被粉碎，且可再利用該材料制造具有聚烯烴基體的新的復合材料，同時該不銹鋼纖維提供增強。本發(fā)明這一實施方案的進一步的優(yōu)勢是，纖維增強的復合材料具有屏蔽性能，這歸因于不銹鋼纖維的存在。可根據(jù)本領(lǐng)域中已知的任何技術(shù)，例如如 EP1650021A1, EP1787790A1, W02004/028803 和 US2009/0017322A1 中所述，制造根據(jù)本發(fā)明這一實施方案的復合材料?？衫缤ㄟ^使用不同的層制造本發(fā)明的復合材料，其中一些層包括不銹鋼纖維，和其他層含有聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶。可通過在含聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶的一層或多層內(nèi)摻入，提供根據(jù)這一實施方案的聚合物基體，或者根據(jù)這一實施方案的聚合物基體完全或部分地獨立供應。按照這一方式，可采用退火的不銹鋼纖維的額外增強物，制造自增強的聚烯烴復合材料，從而得到具有優(yōu)異勁度值的如此形成的復合材料。
[0046]在具體的實施方案中，纖維基復合材料包括混雜的織物。該混雜的織物包括不銹鋼纖維，和聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶。在更優(yōu)選的實施方案中，混雜的織物還已經(jīng)部分或全部包括基體材料。
[0047]在另一具體的實施方案中，聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶選自聚乙烯，聚丙烯或其組合，優(yōu)選乙烯和丙烯的共聚物，更優(yōu)選乙烯-丙烯的嵌段共聚物或者丙烯-乙烯的嵌段共聚物。
[0048]在另一具體的實施方案中，聚合物基體中的聚烯烴聚合物選自聚乙烯，聚丙烯或其組合，優(yōu)選乙烯和丙烯的共聚物，更優(yōu)選乙烯-丙烯的嵌段共聚物或者丙烯-乙烯的嵌段共聚物。
[0049]在進一步具體的實施方案中，基體材料中的聚烯烴聚合物的DSC熔融溫度低于聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶的DSC熔融溫度。在IS011357-3中定義了 DSC熔融溫度。這一熔融溫度的差別便于在基體的熔融溫度以上熱處理(例如成型并固結(jié)復合材料)，所述熱處理不會影響增強物的機械性能 。
[0050]在本發(fā)明的第二方面中，提供一種機械部件，它包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的纖維增強的復合材料。
[0051]在本發(fā)明第二方面的另一實施方案中，提供一種粉碎錐(crush cone)，它包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的纖維增強的復合材料。
[0052]在本發(fā)明第二方面的又一實施方案中，提供一種縱梁，它包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的纖維增強的復合材料。
[0053]在本發(fā)明第二方面的另一實施方案中，提供一種門板，它包括根據(jù)本發(fā)明第一方面的纖維增強的復合材料。
[0054]本發(fā)明的第三方面是制造根據(jù)本發(fā)明的纖維增強的復合材料。該方法包括許多步驟。一個步驟是提供具有多邊形截面的不銹鋼纖維，該不銹鋼纖維具有退火的微結(jié)構(gòu)。另一步驟提供熱固性或熱固性樹脂。另一步驟結(jié)合不銹鋼纖維和熱固性或熱固性樹脂。另一步驟是成型不銹鋼纖維和熱固性或熱塑性基體，并固化如此成型的纖維增強的復合材料。但使用熱固性基體(例如使用環(huán)氧或聚酯熱固性樹脂)時，固化可以是使用熱的交聯(lián)操作。當使用熱塑性基體時，固化可以是硬化操作。[0055]結(jié)合不銹鋼纖維和基體可根據(jù)本領(lǐng)域已知的任何技術(shù)。制造本發(fā)明的纖維增強的復合材料的技術(shù)的實例是注塑(采用在模具內(nèi)鋪開的不銹鋼纖維或紡織品產(chǎn)品)，壓塑，樹脂壓鑄，熱成形，疊鋪和噴附(spray-up)技術(shù)，長絲纏繞和拉擠。
[0056]根據(jù)本發(fā)明第三方面的具體實施方案，該方法進一步包括在結(jié)合不銹鋼纖維和熱固性或熱固性樹脂之前，制造含不銹鋼纖維的二維紡織品結(jié)構(gòu)。
[0057] 附圖簡述
[0058]圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明的不銹鋼纖維的粗紗。
[0059]圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明的不銹鋼纖維的多邊形截面的細節(jié)。
[0060]圖2示出了不銹鋼纖維的實例，其中紗線繞不銹鋼纖維粗紗包裹。
[0061]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的纖維增強的復合板的實例的展開圖。
[0062]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的更加復雜形狀的纖維增強的復合材料的實例。
[0063]圖5不出了橫向三點彎曲測試裝置。
[0064]實施本發(fā)明的模式
[0065]提供許多實施例來描述本發(fā)明。
[0066]圖1a示出了可在本發(fā)明中使用的不銹鋼纖維粗紗10。該不銹鋼纖維粗紗包括一系列單獨的連續(xù)不銹鋼纖維12。單獨的連續(xù)不銹鋼纖維12在不銹鋼纖維粗紗內(nèi)基本上平行于彼此鋪開。這種不銹鋼纖維粗紗的實例包括275根連續(xù)的不銹鋼纖維(=無限長度的不銹鋼纖維)，且各自的當量直徑為40微米并具有退火的微結(jié)構(gòu)且由AISI316鋼種制成。優(yōu)選地，本發(fā)明所使用的不銹鋼纖維粗紗在粗紗截面內(nèi)具有90至1000根纖維。優(yōu)選地，纖維的當量直徑為10至100微米，更優(yōu)選30至80微米，甚至更優(yōu)選35至70微米。不銹鋼纖維粗紗的一些實例:90根當量直徑為30微米的纖維(51 Itex的粗紗);275根當量直徑為12微米的纖維(250tex的粗紗);275根當量直徑為40微米的纖維(2775tex的粗紗);275根當量直徑為60微米的纖維^244tex的粗紗)；550根當量直徑為60微米的纖維(12487tex的粗紗)；1000根當量直徑為60微米的纖維(22704tex的粗紗)。例如所有這些由AISI316鋼種制成。
[0067]圖1b示出了可根據(jù)本發(fā)明使用的不銹鋼纖維的多邊形截面14的實例。
[0068]圖2示出了不銹鋼纖維粗紗20的實例，其中紗線繞不銹鋼纖維粗紗包裹。兩根長絲或紗線22和24繞不銹鋼纖維粗紗包裹(各自為375根當量直徑為40微米的長絲且具有退火的微結(jié)構(gòu))。繞不銹鋼纖維粗紗包裹的紗線的實例是PVA(聚乙烯醇)紗線；例如IlOdtex的復絲紗線(它包括25根長絲)。在例舉的實施方案中，在不銹鋼粗紗周圍，在350圈/米的捻度下包裹紗線，其中一根紗線在S-方向上和一根紗線在Z-方向上。在備選的例舉實施方案中，包裹長絲或紗線是共聚酰胺。共聚酰胺具有低的熔點和/或低的軟化點。這一紗線的實例是獲自Luxilon Industries公司的300旦的"Thermolux85VLV2〃。
[0069]圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的纖維增強的復合板的實例的展開圖。該復合板30由多層組成?；w層32在鋼纖維粗紗增強層34和36之間。在該實例中，鋼纖維粗紗增強層是具有11根粗紗/cm的單向?qū)?UD-層)。鋼纖維粗紗是各自的當量直徑為40微米且具有退火微結(jié)構(gòu)的275根長絲。鋼纖維粗紗層34在一個方向上取向；而鋼纖維粗紗層36以與鋼纖維粗紗層34的方向呈90度取向。在該實例中，PP-PE(聚丙烯-聚乙烯)共聚物，和具體地，由Amcor生產(chǎn)的Rayofilm T用作基體材料。該復合材料的厚度為2.2mm。[0070]可使用的UD-層的實例是其中鋼纖維粗紗層彼此基本上平行鋪開，和其中平紋棉麻織物粘結(jié)到鋼纖維粗紗層上提供如此形成的UD-織物內(nèi)聚性的織物。平紋棉麻織物可由275dtex的聚酯復絲紗線制成且借助PVA(聚乙烯醇)作為粘結(jié)劑粘結(jié)。使用相同的粘結(jié)劑將平紋棉麻織物粘結(jié)到鋼纖維粗紗層上提供UD-織物內(nèi)聚性。在平紋棉麻織物的實例中，存在200根275dteX/100cm平紋棉麻織物寬度的聚酯復絲紗線，且對角地定位相同的紗線(在+25°和-25°的方向上)，且斜紋紗線之間的距離為5mm。
[0071 ] 使用含鋼纖維粗紗的織物，制造類似的板。
[0072]圖4示出了更加復雜形狀的復合材料的實例，用雙曲線的形狀覆蓋物體40。在鋼纖維粗紗方向成90度角下定位在一個方向上各自含不銹鋼纖維粗紗的兩層增強層42和44。鋼纖維粗紗增強層是具有11根粗紗/cm的單向?qū)?UD-層)。鋼纖維粗紗是275根各自的當量直徑為40微米且具有退火微結(jié)構(gòu)的長絲。將增強物插在模具內(nèi)，并以基體材料形式添加聚丙烯，并制造復合材料。如此制造的覆蓋物的厚度為2.1_。
[0073]根據(jù)本發(fā)明制造實驗室規(guī)模的粉碎錐。粉碎錐例如在汽車碰撞的情況下在汽車前面中使用以吸收能量。采用不銹鋼纖維粗紗，繞心軸纏繞兩層窄的織造織物層，制造實驗室規(guī)模的粉碎錐樣品(40微米的當量直徑，退火的微結(jié)構(gòu)，在纖維束內(nèi)375根長絲，在織物的經(jīng)紗上11根經(jīng)紗/cm，和在緯向上20tex的聚酯紡絲紗線，4根緯紗/cm，以便形成厚度為
0.85mm的織物)。采用冷-固化的環(huán)氧樹脂，浸潰纖維增強物，并施加固化。粉碎錐的長度為IOOmm和厚度為2mm。在沖擊行為中測試實驗室規(guī)模的粉碎錐,具有滿意的結(jié)果。
[0074]圖5示出了橫向三點彎曲測試裝置50。制造具有尺寸長度為80mm，寬度為IOmm和厚度為1.90mm的纖維增強的復合材料樣品52。采用在寬度方向上校準的退火不銹鋼纖維54，制造纖維增強的復合材料樣品。在兩個點56上支持纖維增強的復合材料樣品52，纖維增強的復合材料樣品的長度在兩個支持點56之間延伸。在兩個支持點56之間的中點施加力F。如圖5所示的彎曲試驗基本上是粘著試驗，表1中示出了實驗結(jié)果。每一測試樣品具有42%的纖維體積分數(shù)，纖維是在各自具有275根退火的不銹鋼纖維的粗紗內(nèi)提供的當量直徑為30微米的退火的不銹鋼纖維束拉伸纖維。纖維增強的復合材料樣品中的基體材料是聚酰胺6，固化溫度為260°C。包裹不銹鋼纖維粗紗所使用的PVA(聚乙烯醇)紗線是IlOdtex的復絲紗線(它包括25根長絲)。在不銹鋼粗紗周圍，在350圈/米的捻度下包裹PVA紗線，其中一根紗線在S-方向上和一根紗線在Z-方向上。所使用的共聚酰胺是獲自Luxilon Industries公司的300旦的〃Thermolux85VLV2〃。試驗結(jié)果(表1)顯不出所有樣品具有滿意的結(jié)果。在三點彎曲試驗中，其中不銹鋼纖維粗紗具有PVA施膠劑的樣品和其中繞不銹鋼纖維粗紗包裹PVA紗線的樣品在勁度和最大應力(強度)方面顯示出優(yōu)異的結(jié)果， 從而表明與不具有施膠劑或者沒有包裹紗線的情況相比，粘著性得到顯著改進，
[0075]
【權(quán)利要求】
1.一種纖維增強的復合材料，它包含基體材料和不銹鋼纖維，其中所述不銹鋼纖維具有多邊形截面和所述不銹鋼纖維具有退火的微結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的纖維增強的復合材料，其中所述不銹鋼纖維是無限長度的不銹鋼纖維。
3.權(quán)利要求1或2的纖維增強的復合材料，其中以不銹鋼纖維粗紗形式提供所述不銹鋼纖維。
4.權(quán)利要求1的纖維增強的復合材料，其中以離散長度的不銹鋼纖維形式提供所述不銹鋼纖維，所述離散長度的不銹鋼纖維的平均纖維長度為至少60mm。
5.權(quán)利要求1-4的纖維增強的復合材料，其中所述基體材料是熱塑性聚合物或熱固性樹脂。
6.權(quán)利要求1-5的纖維增強的復合材料，其中所述不銹鋼纖維的當量直徑為10至100微米。
7.權(quán)利要求1-6的纖維增強的復合材料，其中所述不銹鋼纖維的當量直徑為35至70微米。
8.權(quán)利要求1-7的纖維增強的復合材料，其中所述不銹鋼纖維包括施膠劑。
9.權(quán)利要求1-7的纖維增強的復合材料，其中所述不銹鋼纖維不具有施膠劑。
10.權(quán)利要求1-9的 纖維增強的復合材料，其中成束地排列所述不銹鋼纖維，所述不銹鋼纖維束包括包裹在所述不銹鋼纖維束周圍的纖維或紗線。
11.權(quán)利要求10的纖維增強的復合材料，其中包裹在所述不銹鋼纖維束周圍的所述纖維或所述紗線包含聚乙烯醇纖維。
12.權(quán)利要求1-11的纖維增強的復合材料，其中以二維織物結(jié)構(gòu)的形式提供所述不銹鋼纖維。
13.權(quán)利要求1-12的纖維增強的復合材料，其中當在不銹鋼纖維的方向上測試時，纖維增強的復合材料在拉伸模式下的斷裂伸長率大于7%。
14.權(quán)利要求1-13的纖維增強的復合材料，其中纖維增強的復合材料除了包含不銹鋼纖維以外，還包含額外的增強纖維，所述額外的增強纖維包含聚烯烴纖維或聚烯烴膠帶，且其中所述基體材料包含聚烯烴聚合物。
15.權(quán)利要求14的纖維增強的復合材料，其中纖維增強的復合材料包括混雜的織物，所述混雜的織物包含所述不銹鋼纖維，且所述混雜的織物包括所述聚烯烴纖維或所述聚烯烴膠帶。
16.權(quán)利要求14-15的纖維增強的復合材料，其中所述聚烯烴纖維或所述聚烯烴膠帶選自聚乙烯、聚丙烯或其組合，優(yōu)選乙烯和丙烯的共聚物，更優(yōu)選乙烯-丙烯嵌段共聚物或丙烯-乙烯嵌段共聚物。
17.權(quán)利要求14-16的纖維增強的復合材料，其中所述聚合物基體中的所述聚烯烴聚合物選自聚乙烯、聚丙烯或其組合，優(yōu)選乙烯和丙烯的共聚物，更優(yōu)選乙烯-丙烯嵌段共聚物或丙烯-乙烯嵌段共聚物。
18.權(quán)利要求14-17的纖維增強的復合材料，其中所述基體材料的所述聚烯烴聚合物的DSC熔融溫度低于所述聚烯烴纖維或所述聚烯烴膠帶的DSC熔融溫度。
19.一種機械部件,它包括權(quán)利要求1-18的纖維增強的復合材料。
20.一種粉碎錐，它包括權(quán)利要求1-18的纖維增強的復合材料。
21.一種縱梁，它包括權(quán)利要求1-18的纖維增強的復合材料。
22.制造纖維增強的復合材料的方法，該方法包括下述步驟: 提供不銹鋼纖維的纖維，所述不銹鋼纖維具有多邊形截面；所述不銹鋼纖維具有退火的微結(jié)構(gòu)；且所述方法包括以下進一步的步驟:提供熱固性或熱固性樹脂；使所述不銹鋼纖維與所述熱固性或熱固性樹脂結(jié)合；使所述不銹鋼纖維和所述熱固性或熱固性樹脂成型；和固化如此成型的纖維增強的復合材料。
23.制造纖維增強的復合材料的方法，該方法包括下述步驟: 提供不銹鋼纖維，所述不銹鋼纖維具有多邊形截面；所述不銹鋼纖維具有退火的微結(jié)構(gòu)；且所述方法包括以下進一步的步驟:制造具有所述不銹鋼纖維的二維織物結(jié)構(gòu)；提供熱固性或熱固性樹脂；使所述二 維織物結(jié)構(gòu)與所述熱固性或熱固性樹脂結(jié)合；使所述二維織物結(jié)構(gòu)和所述熱固性或熱固性樹脂成型；和固化如此成型的纖維增強的復合材料。
【文檔編號】C08J5/24GK103476843SQ201180070114
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月26日
【發(fā)明者】S·范德瓦勒 申請人:貝卡爾特公司