專利名稱：用于航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用的夾層板的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包含芯材(core material)和兩個相對表面板(face sheet)的結(jié)構(gòu)板材(structural panel),特別是應(yīng)用于航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的結(jié)構(gòu)板材。
背景技術(shù)：
結(jié)構(gòu)板材，也稱為夾層板(sandwich panel),包括輕質(zhì)內(nèi)芯材料及包圍其兩側(cè)的面板，在各種應(yīng)用中得到了使用。通常情況下，它們用于首先考慮板材剛度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的地方。具體地，夾層板可用作板材重量為同等重要考慮事項(xiàng)的航空航天器的結(jié)構(gòu)部件。 為此，在航空航天應(yīng)用中通常采用所謂的蜂窩狀芯材，其中該芯材包括延展于面板之間的片狀材料，且內(nèi)芯的大部分是開孔空間(open space)。然而，進(jìn)一步減輕重量是持續(xù)追求的，而且重要的是，這必須在不犧牲板材的結(jié)構(gòu)完整性的條件下來達(dá)到。例如，普遍采用由預(yù)浸件(prepreg)材料制成的面板。預(yù)浸件包括至少一個結(jié)構(gòu)纖維片材，所述結(jié)構(gòu)纖維可以是織物或無紡物，并用可固化樹脂預(yù)浸潰。這類材料提供輕質(zhì)而堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)部件，因此制得理想的航空航天用面板。慣常的是這類面板通過使用粘合劑與芯材粘附。這是為了防止面板從芯材上剝離。這種剝離失效機(jī)理尤其與蜂窩狀芯材有關(guān)，這是因?yàn)槊姘搴托静闹g的接觸面積可能非常小，因此采用這種芯材時很可能呈現(xiàn)這種主要的失效機(jī)理。在進(jìn)一步降低這種夾層板的重量的嘗試中，已經(jīng)提出所謂的自粘性 (self-adhesive)預(yù)浸件，其不需要粘合劑，故可提供重量減輕。用于夾層板的自粘性預(yù)浸件的例子可參見 US 6045898，US 6508910 和 US 6440257。然而，通過去除粘合劑，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)面板更容易被去除，需要較低的剝離力。因此，重量的減輕可能導(dǎo)致這種面板的結(jié)構(gòu)完整性的降低。美國依法注冊的發(fā)明H000047公開一種蜂窩夾層板，披露了在蜂窩芯材和酚醛樹脂預(yù)浸件面板之間使用水刺(spunlaced)芳族聚酰胺纖維織物。盡管聲稱剝離結(jié)果有所改善，但剝離力還是顯著低于在結(jié)構(gòu)應(yīng)用中能夠接受的剝離力。此外，酚醛樹脂不適合在航空航天結(jié)構(gòu)性應(yīng)用中使用。因此，引入額外的重量卻沒有提供可以接受的剝離強(qiáng)度。由此看來，本領(lǐng)域已經(jīng)到達(dá)通過降低結(jié)構(gòu)的整體性才能進(jìn)一步減輕重量的時刻。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種結(jié)構(gòu)板材，包括具有第一和第二相對表面的內(nèi)芯材料，及分別與所述第一和第二相對表面結(jié)合的第一和第二面板，其中該結(jié)構(gòu)板材包括介于內(nèi)芯材料第一表面及其相應(yīng)面板之間的開孔結(jié)構(gòu)片材(open-structured sheet),且該結(jié)構(gòu)板材包含小于200gsm的粘合劑。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在面板和內(nèi)芯材料之間設(shè)置開孔結(jié)構(gòu)片材或覆面氈(veil)，可以顯著提高面板的剝離強(qiáng)度。而且還發(fā)現(xiàn)，可以顯著地降低粘合劑的用量，甚至完全排除粘合劑而不影響剝離強(qiáng)度。因此，例如與現(xiàn)有技術(shù)的結(jié)構(gòu)夾層板相比，在沒有凈重量增加的情況下可以顯著地提高剝離強(qiáng)度，甚至可以減輕重量。然而還已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過觀察本發(fā)明的應(yīng)用，一些材料的組合并沒有展現(xiàn)出剝離力的改善。因此，優(yōu)選所述板材排除下列成分的組合芳族聚酰胺蜂窩芯材；是酚醛樹脂浸潰的預(yù)浸件的面板；為包含至少50%重量芳族聚酰胺纖維的水刺織物的開孔結(jié)構(gòu)片材。據(jù)信，該組合不佳性能可能是由于一系列原因，特別是所采用的樹脂的類型。因此，優(yōu)選面板不含任何酚醛樹脂。
在優(yōu)選的實(shí)施方案中，所述板材包括介于內(nèi)芯材料第二表面及其相應(yīng)面板之間的第二開孔結(jié)構(gòu)片材，使得在兩個表面上均表現(xiàn)出剝離強(qiáng)度的改善。因而，根據(jù)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)板材，其中一個、優(yōu)選兩個面板，根據(jù)國際測試方法 EN2243-3所具有的爬升式滾筒剝離試驗(yàn)力(climbing drum peel test force)大于 300N/75mm，優(yōu)選大于400N/75mm，更優(yōu)選大于500N/75mm，最優(yōu)選大于600N/75mm。用具有兩個面板的結(jié)構(gòu)板材可實(shí)現(xiàn)剝離力的提高，其中每個面板包括兩層預(yù)浸件的纖維層，面積重量(areal weight)小于1700gsm、優(yōu)選小于1600gsm。如上所述，不依賴于粘合劑的存在量可以實(shí)現(xiàn)剝離力的提高。因而，優(yōu)選所述板材包含小于IOOgsm的粘合劑,最優(yōu)選其基本上不含粘合劑。以這種方式,可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步減輕夾層板的重量。內(nèi)芯材料可以呈各種形式，如制成輕質(zhì)的蜂窩體、硬質(zhì)泡沫體、紙或木材。然而，優(yōu)選其為蜂窩體材料，因?yàn)檫@可為重量非常輕的材料提供優(yōu)良的結(jié)構(gòu)性能。面板也可以呈各種形式，但優(yōu)選的是預(yù)浸件片材。除其它可能的材料之外，預(yù)浸件包括纖維結(jié)構(gòu)體如墊狀物、織物、非織造材料或粗紗(roving)，并預(yù)浸潰有可固化樹脂(即熱固性樹脂)和固化劑。浸潰到纖維中的樹脂的量可方便地以占預(yù)浸件重量的百分?jǐn)?shù)計(jì)量。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)， 為了樹脂具有足夠的粘性并足以滲透到開孔結(jié)構(gòu)片材的開孔區(qū)域，需要存在足夠量的樹月旨。同時還發(fā)現(xiàn)，增加樹脂的含量水平傾向于提高剝離力。因此，優(yōu)選預(yù)浸件面板包含至少 42wt%,更優(yōu)選包含至少44wt%的熱固性樹脂。纖維以層的形式存在，且每個面板可包含一層或多層的纖維，通常為兩層纖維。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，預(yù)浸件每一層中的纖維沿整個面板橫向延展，并且優(yōu)選為織物或單向織物。預(yù)浸件中的纖維可由多種不同類型的材料制成，如碳纖維或玻璃纖維。然而，特別優(yōu)選碳纖維。所采用的預(yù)浸件優(yōu)選為所謂的自粘性預(yù)浸件，其在本領(lǐng)域已知為能夠在不需要粘合劑的情況下粘附在內(nèi)芯材料上。因而，優(yōu)選地，使用的預(yù)浸件使得當(dāng)省略開孔結(jié)構(gòu)片材并且具有42%的樹脂含量時，使用的預(yù)浸件具有大于100N/75mm的根據(jù)國際測試方法 EN2243-3的爬升式滾筒剝離試驗(yàn)力。例如，預(yù)浸件的樹脂中可以包含US 6508910中所披露的熱塑性帶狀成形顆粒。
因而，帶狀成形顆粒適當(dāng)?shù)剡x自聚醚砜和聚醚酰亞胺，優(yōu)選聚醚砜。顆粒尺寸可以變化，并且可以具有I 150微米的平均粒徑。以這種方式，可以控制樹脂的粘度，使其具有所需的流動特性。因而，優(yōu)選預(yù)浸件中的樹脂具有至少15Pas的最小粘度。預(yù)浸潰到預(yù)浸件面板中的樹脂還可以選自本領(lǐng)域已知的任何適宜的熱固性樹脂， 但是如上述那樣優(yōu)選避免酚醛樹脂。在優(yōu)選的實(shí)施方案中，預(yù)浸潰到預(yù)浸件中的樹脂包含環(huán)氧樹脂，并優(yōu)選基本上完全由環(huán)氧樹脂組成。環(huán)氧樹脂可包括單官能團(tuán)環(huán)氧樹脂，二官能團(tuán)環(huán)氧樹脂，三官能團(tuán)環(huán)氧樹脂和/ 或四官能團(tuán)環(huán)氧樹脂。舉例來說，合適的二官能團(tuán)環(huán)氧樹脂包括基于下列物質(zhì)的那些二官能團(tuán)環(huán)氧樹脂雙酚F的二縮水甘油基醚，雙酚A (任選溴化的)，苯酚和甲酚的線性環(huán)氧酚醛樹脂，酚醛加合物的縮水甘油基醚，脂肪族二醇的縮水甘油基醚，二縮水甘油基醚，一縮二乙二醇二縮水甘油基醚，芳香族環(huán)氧樹脂，脂肪族多縮水甘油基醚，環(huán)氧化烯烴，溴化樹脂，芳香族縮水甘油基胺，雜環(huán)縮水甘油基亞胺和酰胺，縮水甘油基醚，氟化環(huán)氧樹脂，或者其任意組合。優(yōu)選二官能團(tuán)環(huán)氧樹脂選自雙酚F的二縮水甘油基醚，雙酚A的二縮水甘油基醚， 二縮水甘油基二羥基萘，或者其任何組合。舉例來說，適宜的三官能團(tuán)環(huán)氧樹脂可包括那些基于下列物質(zhì)的三官能團(tuán)環(huán)氧樹脂苯酚和甲酚的線性環(huán)氧酚醛樹脂，酚-醛加合物的縮水甘油基醚，芳香族環(huán)氧樹脂，脂肪族三縮水甘油基醚，二脂肪族三縮水甘油基醚，脂肪族多縮水甘油醚，環(huán)氧化烯烴，溴化樹脂，三縮水甘油基氨基苯基(triglycidyl aminophenyls),芳香族縮水甘油基胺,雜環(huán)的縮水甘油基亞胺和酰胺，縮水甘油基醚，氟化環(huán)氧樹脂，或者其任意組合。適宜的四官能團(tuán)環(huán)氧樹脂包括N，N，N'，N'-四縮水甘油基-間苯二胺(商業(yè)上可以 Tetrad-Χ 名稱得自 Mitsubishi Gas Chemical Company,及得自 CVCChemicals 的ErisysGA-240)，以及N，N，f ,Ni -四縮水甘油基亞甲基二苯胺(如得自Huntsman Advanced Materials 的 MY721)。開孔結(jié)構(gòu)片材或覆面氈允許任何樹脂從面板傳遞到其開孔結(jié)構(gòu)中，并內(nèi)芯材料的表面接觸。據(jù)信，通過開孔結(jié)構(gòu)片材與內(nèi)芯材料和面板兩者形成強(qiáng)的粘結(jié)，這種安排可以提高剝離強(qiáng)度。因此，開孔結(jié)構(gòu)片材是樹脂可滲透的，使得樹脂在固化前或固化中穿過該片材與內(nèi)芯材料表面接觸。開孔結(jié)構(gòu)片材通常是通過將纖維搭接和/或相互連接而保持在一起的整體性片材。例如，這種纖維可以是機(jī)織的或編織的。該纖維也可以是無規(guī)的，如水刺或無緯稀松布 (laid scrim)，但是優(yōu)選機(jī)織或編織的纖維。這種片材在本領(lǐng)域中常被稱作覆面氈。開孔結(jié)構(gòu)片材可以通過片材的開孔度(openness)來表征，開孔度即由開孔組成的片材的平均表面積在片材中所占的百分?jǐn)?shù)。本發(fā)明的開孔結(jié)構(gòu)片材的開孔度通常為10% 至95%，優(yōu)選30%至90%，更優(yōu)選50%至80%。這有利于保持輕質(zhì)片材并允許樹脂自由穿過。開孔結(jié)構(gòu)片材的材料可選自各式各樣的材料，但優(yōu)選的是聚合物材料，如尼龍、聚對苯二甲酸乙二醇酯等。然而，芳族聚酰胺材料一般不是可取的，因此優(yōu)選予以排除。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使覆面氈非常輕質(zhì)，也可以實(shí)現(xiàn)剝離力的提高。這對于航空航天結(jié)構(gòu)應(yīng)用尤為重要。因此，優(yōu)選開孔結(jié)構(gòu)片材每單位面積的重量為4 50克每平方米(gsm)，更優(yōu)選為4 30gsm,最優(yōu)選為10 30gsm。本發(fā)明的改進(jìn)的結(jié)構(gòu)板材可廣泛地用于各種需要輕質(zhì)但結(jié)構(gòu)堅(jiān)固的應(yīng)用中。然而，該結(jié)構(gòu)板材尤其適用于強(qiáng)度和重量要求特別嚴(yán)格的航空航天應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的夾層板通常由它們的各種部件結(jié)構(gòu)組裝在一起，然后通過暴露于升高的溫度和任選的升高的壓力而使樹脂固化，進(jìn)而使面板與內(nèi)芯材料牢固地結(jié)合。在優(yōu)選的制作方法中，面板首先與開孔結(jié)構(gòu)片材結(jié)合。通常，一定比例的任何未固化樹脂將滲入到片材的開孔結(jié)構(gòu)中，從而形成單個材料片材。因此，在另一個方面，本發(fā)明涉及一種制造結(jié)構(gòu)板材的方法，包括將第一和第二面板與內(nèi)芯材料第一和第二相對表面接觸，和使它們相互結(jié)合，使得開孔結(jié)構(gòu)片材與所述第一和第二相對表面接觸，其中所述第一和第二面板各自具有與其緊密結(jié)合的開孔結(jié)構(gòu)片材。根據(jù)本發(fā)明的方法包括上面本發(fā)明的結(jié)構(gòu)板材的上下文中討論的任何技術(shù)特征。 實(shí)施例 制造一系列不同的夾層板。每個夾層板包括蜂窩狀芯材，其中兩個預(yù)浸件面板與該芯材的外表面上結(jié)合。在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中，布置覆面氈與預(yù)浸件接觸，然后使該改進(jìn)的預(yù)浸件與蜂窩狀芯材接觸。然后將夾層板在高壓釜中固化，溫度每分鐘升高2°C直到180°C。然后將其在 180°C和3bar的壓力下放置2小時。之后就固化的板材，測試其爬升式滾筒剝離力數(shù)值(根據(jù)測試方法EN2243-3)，該數(shù)值以每75mm寬試條的牛頓數(shù)表示。每個覆面氈的面積重量也以每平方米克數(shù)(gsm)示于圓括號中。夾層板的性能和爬升式滾筒剝離力的結(jié)果如表I所示。
權(quán)利要求
1.一種結(jié)構(gòu)板材，包括具有第一和第二相對表面的內(nèi)芯材料，及分別與所述第一和第二相對表面結(jié)合的第一和第二面板，其中該結(jié)構(gòu)板材包括介于內(nèi)芯材料第一表面及其相應(yīng)面板之間的開孔結(jié)構(gòu)片材，且該結(jié)構(gòu)板材包含小于200gsm的粘合劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的板材，其不包含下列成分的組合芳族聚酰胺蜂窩內(nèi)芯材料；是酚醛樹脂浸潰的預(yù)浸件的面板；是包含至少50%重量芳族聚酰胺纖維的水刺織物的開孔結(jié)構(gòu)片材。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2的板材，其中所述面板不含有任何酚醛樹脂。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其包括介于內(nèi)芯材料第二表面及其相應(yīng)面板之間的第二開孔結(jié)構(gòu)片材。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其中一個、優(yōu)選兩個面板根據(jù)國際測試方法EN2243-3所具有的爬升式滾筒剝離試驗(yàn)力大于300N/75mm，優(yōu)選大于400N/75mm，更優(yōu)選大于 500N/75mm，最優(yōu)選大于 600N/75mm。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其包含小于IOOgsm的粘合劑，更優(yōu)選基本上不含粘合劑。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材,其中所述內(nèi)芯材料是蜂窩材料。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其中所述面板包括至少一個預(yù)浸件片材。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的板材，其中該預(yù)浸件面板含有至少42wt%的熱固性樹脂。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9的板材，其中預(yù)浸件中的纖維是碳纖維。
11.根據(jù)權(quán)利要求8 10中任一項(xiàng)的板材，其中當(dāng)省略開孔結(jié)構(gòu)片材且所述預(yù)浸件含有42%的樹脂含量時，所用的預(yù)浸件使得根據(jù)國際測試方法EN2243-3所述預(yù)浸件具有大于100N/75mm的爬升式滾筒剝離試驗(yàn)力。
12.根據(jù)權(quán)利要求8 11中任一項(xiàng)的板材，其中所述預(yù)浸件中的樹脂包括選自聚醚砜和聚醚酰亞胺的熱塑性顆粒，優(yōu)選聚醚砜顆粒。
13.根據(jù)權(quán)利要求8 12中任一項(xiàng)的板材，其中所述預(yù)浸件中的樹脂具有至少15Pas的最小粘度。
14.根據(jù)權(quán)利要求8 13中任一項(xiàng)的板材，其中預(yù)浸潰到所述預(yù)浸件中的樹脂包含環(huán)氧樹脂，并且優(yōu)選基本上完全由環(huán)氧樹脂組成。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其中所述開孔結(jié)構(gòu)片材是通過使纖維搭接和/或相互連接而保持在一起的整體片材。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的板材，其中所述纖維是紡織物或編織物。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其中所述開孔結(jié)構(gòu)片材的開孔度為10%至95%,優(yōu)選為30%至90%，更優(yōu)選為50%至80%。
18.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其中所述開孔結(jié)構(gòu)片材的材料為聚合物材料，優(yōu)選不含芳族聚酰胺。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其中所述開孔結(jié)構(gòu)片材的單位面積重量為4 50gsm,更優(yōu)選為4 30gsm,最優(yōu)選為10 30gsm。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)的板材，其為飛行器結(jié)構(gòu)板材。
21.—種制造結(jié)構(gòu)板材的方法,包括將第一和第二面板與內(nèi)芯材料第一和第二相對表面接觸，和使它們相互結(jié)合使得開孔結(jié)構(gòu)片材與所述第一和第二相對表面接觸，其中所述第一和 第二面板各自包括與其緊密結(jié)合的開孔結(jié)構(gòu)片材。
全文摘要
一種結(jié)構(gòu)板材，包括具有第一和第二相對表面的內(nèi)芯材料，及分別與所述第一和第二相對表面結(jié)合的第一和第二面板，其中該結(jié)構(gòu)板材包括介于內(nèi)芯材料第一表面及其相應(yīng)的面板之間的開孔結(jié)構(gòu)片材，且該結(jié)構(gòu)板材包含小于200gsm的粘合劑。
文檔編號B32B3/12GK102712164SQ201180006640
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月20日
發(fā)明者B.杰曼, C.卡薩里吉, E.勒格夫, S.拉斯法古斯, S.莫蒂默 申請人:赫克塞爾合成有限公司, 赫克塞爾合成股份有限公司