控制復合材料中滲透性和纖維體積分數(shù)的聚合物納米顆粒的制作方法
【技術領域】
[0001] 本公開內容一般地設及復合材料，并且更具體地設及復合結構中的納米顆粒用于 控制纖維床滲透性和纖維體積分數(shù)的用途。
【背景技術】
[0002] 可通過疊鋪一疊復合層W形成復合敷層來形成復合結構。每個復合層可包括多個 增強纖維或纖維束。每個纖維束可包括多個增強長絲。例如，單纖維束可形成為一束數(shù)千 個或更多個增強長絲?？蓪岷?或壓力施加至復合敷層W加固該疊復合層和固化或硬化 樹脂?？杀粍拥鼗蛑鲃拥乩鋮s復合敷層W形成復合結構。
[0003] 復合結構通常被設計為具有特定的纖維體積分數(shù)W滿足強度、剛度和復合結構的 其它設計要求。纖維體積分數(shù)可被描述為復合結構中的增強纖維的總體積與復合結構的總 體積的比率。在制造期間可控制的復合敷層的纖維體積分數(shù)的精確度對復合結構滿足設計 要求的能力可能具有顯著的影響。
[0004] 復合敷層中增強長絲之間的間隔對復合結構的纖維體積分數(shù)可能具有直接影響。 對于在疊鋪前使用樹脂預浸潰的復合層（例如，預浸復合層），通過在預浸操作期間控制施 加至纖維束或增強長絲的樹脂的量，可直接控制增強長絲之間的間隔。對于用干纖維復合 層形成的復合敷層，通過控制疊鋪加工條件，諸如控制在浸潰樹脂進入干纖維復合層期間 施加的加固壓力和/或真空壓力的大小和/或持續(xù)時間，可間接控制增強長絲之間的間隔。
[0005] 在常規(guī)的復合材料制造中，增強長絲之間的局部間隔可從許多長絲直徑至零變 化。在零間隔處，增強長絲相互直接接觸。增強長絲之間的直接接觸可能導致數(shù)個不期望 的影響。例如，直接接觸的增強長絲可在樹脂浸潰過程期間抑制增強長絲之間的樹脂流動， 其可導致增強長絲的不完全潤濕，形成不期望的空隙和裂紋形核的位點。此外，直接接觸的 增強長絲可在復合結構中呈現(xiàn)高應力的位置，并且可導致樹脂中的微裂紋。
[0006] 可W看出，在本領域中存在對用于控制復合敷層中增強長絲之間的局部間隔的系 統(tǒng)和方法，W允許長絲之間的樹脂流動，進而滿足纖維體積分數(shù)要求和減少或避免增強長 絲之間的直接接觸的需求。

【發(fā)明內容】

[0007] 上文記載的與復合敷層相關的需求通過本公開內容具體地解決，本公開內容提供 了可包括多個增強長絲的纖維束，每個增強長絲具有長絲橫截面寬度。一個或多個聚合物 納米顆?？杀贿B接至增強長絲中的至少一個和/或其它聚合物納米顆粒。聚合物納米顆粒 可具有小于增強長絲橫截面寬度的顆粒橫截面寬度。聚合物納米顆?？稍谠鰪婇L絲之間提 供局部長絲間隔W減小或避免增強長絲之間的直接接觸，進而允許長絲之間的樹脂流動， 和/或滿足纖維體積分數(shù)要求。
[0008] 還公開了包括樹脂和嵌入樹脂中的多個纖維束的組合物。每一個纖維束可由多個 增強長絲組成。每個增強長絲可具有長絲橫截面寬度。組合物可進一步包括連接至增強長 絲的多個聚合物納米顆粒。聚合物納米顆?？删哂行∮陂L絲橫截面寬度的顆粒橫截面寬 度。
[0009] 還公開了制造復合結構的方法。該方法可包括將多個聚合物納米顆粒連接至一個 或多個增強長絲。每一個增強長絲可具有長絲橫截面寬度。聚合物納米顆粒可具有小于長 絲橫截面寬度的顆粒橫截面寬度。該方法可額外地包括諸如在樹脂浸潰期間使用聚合物納 米顆粒維持鄰近增強長絲之間的長絲間隔。
[0010] 已經(jīng)討論過的特征、功能和優(yōu)勢可在本公開內容的多種實施方式中獨立地實現(xiàn)或 者可在還其它實施方式中組合，可參閱下文中的如下描述和附圖看到其進一步的細節(jié)。
【附圖說明】
[0011] 在參閱附圖的情況下，本公開內容的運些和其它特征將變得更加顯而易見，其中 遍及全文相同的數(shù)字表示相同的部件，并且其中：
[0012] 圖1是復合結構的框圖，其包括樹脂和由增強長絲形成的纖維束，并且包括用于 維持鄰近增強長絲之間的長絲間隔的聚合物納米顆粒；
[0013] 圖2是包括一疊單向層的復合結構的透視圖，每個單向層由多個連續(xù)的增強纖維 形成；
[0014] 圖3顯示了沿著圖2的線3截取的一部分復合結構的橫截面，并且顯示了W不同 角度定向的單向復合層的增強長絲；
[0015] 圖4是嵌入樹脂中的多個增強長絲的示意性橫截面視圖，并且顯示了互相直接接 觸并且導致了樹脂中的裂紋的增強長絲；
[0016] 圖5是圖4的增強長絲的示意性橫截面視圖，并且進一步包括維持增強長絲之間 的局部長絲間隔的聚合物納米顆粒；
[0017] 圖6是嵌入樹脂中的第一長絲和第二長絲的示意圖，并且顯示了通過聚合物納米 顆粒與第二長絲分離的第一長絲，該聚合物納米顆?？杀贿B接至第一長絲和/或第二長 絲，使得聚合物納米顆粒防止第一和第二長絲之間的接觸；
[0018] 圖7是連接至第一長絲的第一聚合物納米顆粒和連接至第二長絲W及連接至第 一聚合物納米顆粒的第二聚合物納米顆粒，并且防止第一和第二長絲之間的接觸的示意 圖；
[0019] 圖8是具有烙化的可烙的護套的皮忍型納米顆粒的示意圖；
[0020] 圖9是烙化烙合至增強長絲的皮忍型納米顆粒的護套的示意圖；
[0021] 圖10是連接至增強長絲的漿料的聚合物納米顆粒的示意圖；
[0022] 圖11是圖解了可包括在制造復合結構的方法中的一個或多個操作的流程圖；
[0023] 圖12是用于連續(xù)地施加聚合物納米顆粒至纖維束的增強長絲的系統(tǒng)的示意圖。
【具體實施方式】
[0024] 現(xiàn)在參閱附圖，附圖中的顯示是為了圖解本公開內容的多種實施方式的目的，圖1 中顯示的是包括纖維床的復合結構100的框圖，所述纖維床包括纖維束150。纖維束150可 被嵌入樹脂110中。每一個纖維束150可包括多個增強長絲158。每一個增強長絲158可 具有長絲橫截面寬度160 (圖6)或直徑。一個或多個聚合物納米顆粒200可連接至增強長 絲158和/或其它聚合物納米顆粒200。
[00巧]在一些實例中，一部分聚合物納米顆粒200可包括非連接的納米顆粒214 (例如， 見圖5)，其可鄰近一個或多個增強長絲158和/或鄰近一個或多個聚合物納米顆粒200被 機械地截留。每一個聚合物納米顆粒200可具有可W小于長絲橫截面寬度160的顆粒橫截 面寬度202 (圖6)。例如，聚合物納米顆粒200具有10-200納米的顆粒橫截面寬度202， 并且增強長絲158可具有5-30微米的長絲橫截面寬度160。例如，碳增強長絲158可具有 5-10微米的長絲橫截面寬度。玻璃增強長絲158可具有10-25微米的長絲橫截面寬度。
[0026] 有利地，聚合物納米顆粒200可充當增強長絲158之間的間隔，并且可維持或控制 纖維床152的滲透性，使得樹脂110可在增強長絲158之間流動（圖1)和/或浸潰或均勻 地浸濕增強長絲158。此外，聚合物納米顆粒200可防止增強長絲158之間的直接接觸。如 上文所指示的，增強長絲158之間直接的長絲與長絲的接觸可在復合結構100中呈現(xiàn)局部 高纖維含量的區(qū)域（圖1)。聚合物納米顆粒200可防止直接的長絲與長絲的接觸和復合敷 層102中局部高纖維含量的相關區(qū)域，并且可W從而在可呈現(xiàn)裂紋起始位點的運樣的位置 減少或避免應力集中。
[0027] 此外，聚合物納米顆粒200可提供用于精確地控制最終復合結構100的纖維體積 分數(shù)的手段。如上文所指示的，復合結構100的纖維體積分數(shù)可被描述為復合結構100中增 強纖維150 (圖1)的體積與復合結構100的總體積的比率。當樹脂流經(jīng)增強長絲158或在 增強長絲158之間時，聚合物納米顆粒200至少在部分制造過程期間可被配置為增強長絲 158之間的間隔。聚合物納米顆粒200的顆粒橫截面寬度202和/或聚合物納米顆粒200 相對于樹脂體積的總體積可提供用于精確地控制復合敷層102的纖維體積分數(shù)的手段，其 可對復合結構100滿足諸如強度和剛性要求的設計要求的能力具有顯著影響。
[0028] 圖2顯示了由一疊復合層104制成的復合結構100。在顯示的實例中，復合結構 10