CN103085287A

CN103085287A - 单片式纤维增强材料及其制备方法和纤维增强复合制品

Info

Publication number: CN103085287A
Application number: CN2012104324890A
Authority: CN
Inventors: E.J.伯格; J.N.欧文斯; C-S.王; H.G.基亚
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2013-05-08
Also published as: DE102012219749A1; US20130108824A1; DE102012219749B4; US9212437B2

Abstract

本发明涉及用于增强聚合物的单片式纤维增强材料、其制备方法和包含它的纤维增强复合制品。在实施方案中，单片式增强材料是通过以下步骤制备的：首先将内部的无规取向纤维层组装在两个外部的定向纤维层之间。所有层面对面接触，将预选数量的纤维由定向层运送到该定向层之外并穿入至少该无规纤维层，使得运送的纤维与无规纤维形成接合和机械干涉及摩擦干涉。为了得到更大的干涉，可以将纤维由一个定向层运送到另一个。形成干涉的纤维起到将所述层固定和联结在一起的作用，制得单片式增强材料，它在用聚合物前体浸渍、成型并固化后可以结合到聚合物增强复合制品中。

Description

单片式纤维增强材料及其制备方法和纤维增强复合制品

技术领域

本发明涉及由多个以层状形式布置的同延的、分开且不同的增强纤维结构制造单片式纤维增强材料的方法。该方法包括使来自不同层的纤维交络使得来自各层的纤维中的至少一些***相邻层中并桥接初始的层界面从而与至少一个其它层中的至少一些纤维形成接合和干涉以联结所述层。本发明施加到各增强材料的基本上整个横向范围（lateral extent）上，并且可用于制造具有提高的抗分层性的增强材料并简化了纤维增强聚合物复合材料的制造。

背景技术

越来越关注用高性能轻质增强复合材料部件和结构代替车辆中的冲压金属片部件，该复合材料部件和结构包括具有适合的增强材料的聚合物基质。适合的聚合物通常是热固性的，例如环氧树脂、乙烯基酯或聚酯；或热塑性的，例如聚丙烯或聚酰胺，且适合的增强材料包括结构纤维，例如碳纤维、玻璃纤维或芳族聚酰胺纤维。这些纤维可以是无规取向和布置的或者是沿一个或多个优选方向定向的。

各碳纤维的直径可以在约5-10微米的范围内，特别常见的是7微米直径的纤维。各玻璃纤维可以在约7-30微米的范围内，这部分取决于玻璃等级。在很多应用中，特别是使用定向纤维的那些应用中，使用共同取向的纤维的组合体，该组合体可以称作纤维束或粗纱。这类碳纤维组合体可以包含少至1000或多达50,000或更多的纤维，而玻璃纤维组合体可以包括多达200,000或更多的纤维。

对于织物应用，为便于应用可以将定向纤维组合为两种织物结构中的一种：机织布或无纺物，无纺物通常称作无屈曲（non-crimp）织物或缝编织物。机织布采用第一取向的纤维束，其交替地处于第二取向的纤维束的上方和下方，第二取向通常与第一取向呈90°。所述机织可以是紧密的，相邻纤维束间隔约1毫米或更小；或者松散的，相邻纤维束间隔高达约10毫米。在可供选择的结构中，可以将由相应线轴分别供给的多个间隔设置的纤维粗纱简单地彼此并排放置在片层（ply）中，并通过使用例如聚酯纱线缝合临时固定和锁定不动。这种缝合通常在该增强片层的长度和宽度上延伸，并且通常使用缝合织轴来完成，其结合有多根针并具有适当的运动使得能够实现简单的链式缝合和其它更复杂的缝合，如经编缝合。在很多情形中，将多个同延的片层叠置，并在单个缝合操作中固定所有片层的粗纱。通常以相邻片层的纤维取向彼此旋转的方式放置所述片层使得相比单独的各片层所得多片层增强材料的面内性质的方向性更小或更加各向同性。各片层的重量由粗纱的体积（bulk）和相邻粗纱束之间的间距决定。这些无纺增强材料称作缝编织物或无屈曲织物，通常简称作NCF。

多片层NCF的一种常见实例是分别以0o、+45o、-45o和90o布置的纤维的4层组合体，在每个取向上都有基本相同数量的纤维。具有以+45o和-45o布置的纤维的两层NCF也有广泛的应用。当然对这类多片层NCF的这一描述是示例性的而非限定性的。可以理解本说明书中所用的术语无屈曲织物、缝编织物、NCF、NCF织物或定向纤维层包含了在片层数量、取向数量、任意片层中纤维的角度设置和各取向上的纤维密度方面的各种情况。

可以将这种纤维增强材料，机织的或无纺的，用适合的聚合物树脂浸渍、放置在模具中、成型然后固化，通常在适当升高的温度一般约150℃下，以形成所需的聚合物复合材料。可以理解上面所列的操作顺序可以改变以用于不同的模制过程。例如，可以将预制体放置在已经充满树脂的模具中，或者可以在预制体置入模具中之后通过树脂注入、树脂传递模塑、或结构树脂注塑来添加树脂。也可以使用热塑性或热固性片材或具有混络的热塑性绞线（strands）和增强纤维的材料。

通常，可能需要多于一个织物增强材料来在复合材料中形成所需的性质。这些增强材料可以层层堆叠，同时可以使一层相对于另一层旋转或偏置，目的是至少在该增强材料的平面内形成更大的各向同性，或降低性质的方向性。

还应用了增强纤维为无规取向的增强层，例如通过直接纤维预成型或Programmable Powered Preform Process（P4^TM预成型）得到，或者一层或多层的连续原丝毡如Owens Corning 8610或短切毡。由于纤维在所有可能的方向上取向，因此这种增强材料甚至可能提供比多层NCF织物增强材料更加各向同性的性质。

多层纤维基聚合物复合增强材料的一种适合的构造是无规取向的纤维层夹在两层定向纤维之间，该定向纤维可以组合为NCF（无屈曲织物）层或机织层。但这种多层增强材料也是多片式的（multi-piece），需要分别安放和定位各增强层，使得制造复杂。

因此需要便于制造纤维增强聚合物复合制品且至少满足多层多片式增强材料的性能目标的单片式（one-piece）增强材料。

发明内容

由多个面对面接触的层状、同延的独立的增强材料形成了适用于增强聚合物复合材料的层状单片式纤维增强材料。各增强材料可以至少包括具有定向纤维的机织增强织物或无纺增强织物的定向层和无规取向的纤维层。使用针刺或类似技术来拉动或推动一层纤维的预选部分并将它们至少***相邻层，在其中它们可与该相邻层的纤维接合（engage）。优选所述纤维在所述层的基本整个范围上基本均匀地与所述层接合。不同层的纤维之间的摩擦性相互作用和机械干涉（interfere）会使至少相邻的增强层彼此固定、结合和联结，得到具有增强的层间强度的单片式增强材料。在具有多于两层的增强材料中，可能优选使纤维穿过（thread）该增强材料的所有层使得所有层都互相联结。由此，由多个增强层实现了单片式增强材料。该单片式增强材料简化了纤维增强聚合物复合制品的制造并提供了比相同布置的非联结增强层更好的性质。

例如，在实施方案中，三层增强材料包括两个定向（aligned）纤维层和位于其间的无规纤维层，其中所述定向纤维层可以是例如NCF层。所述无规纤维层可以包含连续纤维或短切纤维。将预选数量的纤维从第一定向纤维层拉动或推动穿过无规纤维层并***或穿过第二定向纤维层以借助摩擦和机械方式将所有层稳固地结合在一起。任选地，也可以将纤维从第二定向纤维层拉动或推动穿过无规纤维层到达第一定向纤维层以进一步固定所述层并实现单片式增强材料。这种全面的纤维重新布置不是必需的，可以仅将纤维从无规层拉动或推动***到定向层之一，反之亦然。

由于延伸到增强层平面以外并引导穿过增强材料的厚度的那些纤维，这种增强材料赋予了增强聚合物制品增强的层界面处的界面间强度。这种增强的界面间强度可以抑制分层并提高重负载下该制品提供的能量吸收能力。这种优点也可以用层状短切毡或连续原丝毡增强材料得到。因为这种负载的施加位置可能是不确定的，因此所述层应当借助大体上均匀分布在所述层的整个面积上的接合纤维在它们的基本整个范围上结合在一起。但是如果负载施加位点是可以例如通过模拟或建模预测的，或者是根据经验或实验已知的，那么可以优选将接合纤维集中在负载施加位点处。

针刺采用细长的具有杆的工具，该杆具有至少一个适于在该工具沿第一方向移动时接合并捕获纤维且在该工具沿相反方向移动时释放所捕获的纤维的器件。该工具可以是直径为约0.5-1毫米的针状，它以往复运动操作使得它反复***和退出含纤维层。在具有多个纤维捕获器件的工具中，这些器件通常沿工具杆的长度和/或围绕其横截面分布。通常，所述纤维捕获器件，例如倒钩、挂钩或锚爪，设置为用于单向纤维捕获。亦即，与工具杆滑动接触的纤维仅在该工具的往复运动中的一种运动下被所述纤维捕获器件捕获并保持。通常，纤维捕获器件取向为随着该针或工具***纤维层时捕获纤维，使得借助该工具的每次***，在该行程的早期部分期间被倒钩等捕获的纤维随着该工具继续前进被推入纤维层更深处。在该工具的行程结束时，随着工具反转方向并退出，该纤维与单向纤维捕获器件脱开但仍通过与其它纤维的摩擦接合或通过与其它纤维的机械干涉而固定不动。因为纤维捕获器件是单向的，因此该工具是定向较差的（ill-oriented）且不适于在回撤过程中进一步捕获任何纤维，因此可以很容易地退出。通常伴随该工具横向移动到之前未加工的区域，反复***和退出会促使增加来自该层的上部和下部的纤维之间的接合、缠结和干涉。该过程可以继续到在所述层的基本整个范围上通过适当数量的***纤维使所述层彼此固定在一起。通常，单位面积上***纤维的数量在所述增强材料的整个范围上是基本均匀的，但如果需要，在较高应力的区域中可以采用较大的***纤维的面密度。

可以通过使用独立操作或一同组合在共同的固定装置中的多个工具来实现更高的生产能力。在使用多个工具时，所述工具可以由板来支撑，该板具有多个适当定位以接收所述工具的紧配合的孔。并且，织物层可以支撑在类似的含孔工具接收板上或取向为平行于所述工具的纤维阵列上或者可以被所述工具刺穿但不会损坏该工具的支撑体上，该支撑体例如实心或泡沫状的软橡胶体。

尽管常用的实施方案采用了取向为仅能在往复工具的上-下行程之一期间捕获纤维的纤维捕获器件，但是适于在上行程和下行程都捕获纤维的工具变体也可使用。

在层状单片式增强材料的各层之间形成的接合强度主要取决于各层中与相邻层的纤维干涉接合的纤维数量，因此通常取决于工具行程的数量。如果纤维捕获器件沿该工具的长度分布，那么纤维接合和干涉的程度还可能取决于工具行程的长度。通常这种针刺或类似过程可以仅从一侧实施，从而所述工具总是在特定层的特定表面进入叠层。但为了得到更稳固的纤维交络，该过程也可以从叠层的两侧实施。在优选这种双侧针刺的情况下，它可以通过使用两组相对的工具或者使用一组工具从一个方向然后将该叠层的上下表面互换再进行第二针刺操作来进行。

这种单片式增强材料能有效地赋予增强聚合物制品提高的强度和抗断裂性。大多数增强的聚合物组件在性质上都是基本上二维的，厚度显著小于其横向尺寸。平面增强材料通常经过定向以增强横向性质且堆叠组装在一起而不加互连。在用聚合物树脂浸渍各层并固化该复合材料之后，各层仅通过其间截留的聚合物的任何厚度彼此固定。在高冲击负载下，如果聚合物断裂或从任一层脱落，那么所述增强材料各层就可能发生分层或分离。一旦分层，就使得各层不能提供相互支持而单独起作用，降低了它们的有效性。

借助本发明的单片式增强材料，来自一层的纤维可以至少***相邻层，使得这些纤维充当了在层之间和跨层延伸的增强体。这些***纤维取向为朝增强层的平面以外，通常但并非限制性地在垂直于层界面的±10o之内，而且在固化之后通过纤维与聚合物之间的粘结而固定。此外，这些纤维与增强材料各层内的纤维不同，它们沿着曲折的路径，而这能够有效抵抗从聚合物基质中拉出纤维。这些跨层纤维提供的层间增强体使得该增强材料在重负载下也不易分层，因此与没有这种跨层联结纤维的增强层的组装体相比可以提供增强的性能。

这类单片式增强材料的纤维成分可以包括所有常用的增强纤维，包括但不限于：碳纤维或玻璃纤维以及芳族聚酸胺纤维。

可以通过以下步骤制造包含这类单片式增强材料的纤维增强聚合物制品（尽管取决于所用的具体模制工艺，不必以此顺序进行）：以面对面的方式将多个大体上平面的、大体上同延的含纤维增强材料层层叠置来组装层状增强材料；将预选部分的纤维从该层状增强材料的至少一层运送到该增强材料的平面之外并将它们拉入或推入增强材料的至少第二层以将所述增强材料层固定在一起并重复操作直至将所有层彼此结合；用足以润湿所有纤维并填充模具型腔的量的适合聚合物前体浸渍该增强材料；将经聚合物前体浸渍的增强材料成型为预选的适于制造所述制品的几何形状从而形成预浸料坯（pre-preg）；将该预浸料坯放入具有限定所需制品形状的内部型腔的模具中；封闭该模具以使预浸料坯符合模腔的形状、压紧该预浸料坯并将聚合物前体转移和分布到整个模具型腔；和固化经成型的预浸料坯中的聚合物前体以形成纤维增强的聚合物制品。也可以采用单侧真空袋模制法或蒸压罐模制法。

具体地，本发明涉及以下方面的技术方案：

方面1：用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料，其包括：

大体上平面的第一纤维层，其具有横向范围且包含定向纤维，该定向纤维层与包含无规取向纤维的大体上平面的第二纤维层大体上同延且以面对面的方式接触；

定向纤维层中预选数量的定向纤维延伸到该定向纤维层之外并***无规纤维层中以与该无规纤维层的至少一些无规纤维形成接合和干涉以将该无规纤维层稳固地结合到定向纤维层上；

延伸到定向层之外的纤维大体上均匀地分布在该定向纤维层的横向范围上。

方面2：方面1的层状单片式纤维增强材料，其中该增强材料进一步包括具有定向纤维的第二纤维层，其与第一定向纤维层大体上同延，无规纤维层位于两者之间并与第一和第二定向纤维层以面对面的方式接触；且进一步包括第一定向纤维层的纤维穿过无规纤维层并***第二定向纤维层的至少一些定向纤维中以与第二定向纤维层的纤维形成接合和干涉。

方面3：方面2的层状单片式纤维增强材料，其中第二定向纤维层中预选数量的定向纤维与第一定向纤维层的至少一些定向纤维形成接合和干涉。

方面4：前述方面任一项的层状单片式纤维增强材料，其中所述定向纤维层是机织的。

方面5：方面2的层状单片式纤维增强材料，其中至少一个定向纤维层是机织的。

方面6：前述方面任一项的层状单片式纤维增强材料，其中定向纤维增强材料是无纺的。

方面7：前述方面任一项的层状单片式纤维增强材料，其中定向无纺纤维层是多层无屈曲织物。

方面8：前述方面任一项的层状单片式纤维增强材料，其中定向多层无纺纤维增强材料包括其中的纤维取向为+45o和-45o的两层。

方面9：前述方面任一项的层状单片式纤维增强材料，其中所述纤维是由碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维构成的组中的一种或多种。

方面10：用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，该方法包括：

将至少一具有面积并包含定向纤维的纤维层放置为与同延的包含无规取向纤维的无规纤维层面对面接触；

将预选数量的定向纤维由定向纤维层运送到无规纤维层使得该预选数量的纤维形成延伸到所述增强材料的平面以外的环，使该环***无规层中以与该无规层中的至少一些无规纤维形成接合和干涉，以将定向纤维层稳固地结合到无规纤维层上；

该环大体上均匀地分布在定向纤维层的面积上。

方面11：方面10的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，进一步包括以下步骤：将预选数量的无规纤维由无规纤维层运送到该无规层之外并使该预选数量的无规纤维***定向纤维层中，使得所述无规纤维与定向层中的至少一些定向纤维形成接合和干涉以将无规纤维层稳固地结合到定向纤维层上，所述***的无规纤维大体上均匀地分布在定向纤维层的面积上。

方面12：方面10或11的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，其中所述增强材料进一步包括与第一定向纤维层大体上同延的第二定向纤维层，无规纤维层位于两者之间并与第一和第二定向纤维层以面对面的方式接触；且其中预选数量的定向纤维由第一定向纤维层运送到第一定向层的平面之外并插穿无规纤维层并至少进入第二定向纤维层中。

方面13：方面12的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，其中通过以下步骤将定向纤维由第一定向纤维层运送到第二定向纤维层：

将工具***第一定向纤维层的一位置，该工具在一位置具有至少一单向纤维捕获器件，该单向纤维捕获器件定向为在退出时接合至少一纤维；然后

使该工具前进直至至少所述纤维捕获器件穿透第二定向纤维层；然后

使该工具的运动方向反转以使该工具从第二定向纤维层中退出，使得所述单向纤维捕获器件从第二定向纤维层中捕获至少一个定向纤维；

使该工具继续退出，直至它离开第一定向纤维层从而将捕获的定向纤维由第二定向纤维层拉入第一定向纤维层中以使该捕获的定向纤维***第一定向纤维层中；和

任选地，将该工具重新安置在另一位置并重复以上步骤直至将预设数量的纤维由第二定向纤维层运出并***第一定向纤维层中。

方面14：方面12或13的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，其中所述单向纤维捕获器件是倒钩和挂钩中的一种或多种。

方面15：方面10-14中任一项的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，其中所述单向纤维捕获器件是可重构的。

方面16：方面12-14中任一项的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，进一步包括通过使用双向工具将预选数量的定向纤维由第一定向纤维层运出用以***第二定向纤维层中。

方面17：纤维增强复合制品，包括由单片式纤维增强材料增强的聚合物基质，该单片式纤维增强材料包括至少两个在界面处面对面的大体上平面的、同延的增强层，各增强层包含增强纤维；

通过将预选数量的纤维从至少一个增强材料中运送到该增强材料的平面外并越过层界面以将它们至少***所有其它层中，使得所有其它增强层的纤维与第一层增强材料的纤维形成接合和干涉以联结所述层，来将所述单片式增强材料的各层彼此稳固地结合。

方面18：方面17的纤维增强复合制品，其中所述层状单片式纤维增强材料包括第一定向纤维层、第二定向纤维层和位于第一和第二定向纤维层之间的无规纤维层。

方面19：方面17或18的纤维增强复合制品，其中所述层状单片式纤维增强材料包括其中的纤维取向为+45o和-45o的两层。

方面20：方面17-19中任一项的纤维增强复合制品，其中所述层状单片式纤维增强材料的纤维是由碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维构成的组中的一种或多种。

下文描述了本发明的这些和其它方面，而基于本说明书提供的描述，其它方面对本领域技术人员而言是显而易见的。

附图说明

图1显示了适用于增强增强聚合物制品的多种定向增强材料和无规增强材料的示意图。图1A显示了机织增强材料的平面图；图1B显示了无纺增强材料的立体图；图1C显示了连续毡增强材料的平面图；图1D显示了短切毡增强材料的平面图。

图2A-G显示了针刺工具进入和退出三层增强材料的一系列横截面示意图，该三层增强材料具有两个定向纤维外层和无规纤维内层。该工具适于在从增强材料中取出时捕获纤维。

图3A-F显示了针刺工具进入和退出三层增强材料的一系列横截面示意图，该三层增强材料具有两个定向纤维外层和无规纤维内层。该工具适于在进入增强材料时捕获纤维。

图4A-B显示了两种适于在进入和退出纤维体时都捕获纤维的双向针刺工具的示意图。

图5A-C显示了可重构的针刺工具的操作的横截面图，其中纤维捕获器件可以：缩回-图5A；定向为捕获纤维-图5B；和定向为与纤维脱开-图5C。图5D显示了可供选择的纤维捕获器件设计的横截面片段。

图6显示了三层增强材料叠层的准立体图，该三层增强材料叠层具有延伸穿过各层以将各层联结和结合在一起的纤维环（fiber loop）。

具体实施方式

纤维增强聚合物复合制品在需要低质量和高强度的情形中具有越来越多的应用。通常复合增强材料本身就是几个不同的大体上同延的增强纤维层彼此堆叠或层叠的复合材料。增强材料可以是定向的机织或无纺纤维，或者无规布置和定位的纤维，其可以是连续纤维或短切纤维。这类增强材料的示例性实例示于图1A-D中，且可以包括但不限于：碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酸胺纤维。

图1A显示了机织增强材料10的一部分，其包括布置成纤维束14的经线纤维12，其交替地处于布置成纤维束18的纬线纤维16的上面和下面。图1B显示了四层无屈曲织物（NCF）20，其中包含间隔设置的定向粗纱24、26、28、30的粗纱层25、27、29、31以层状方式铺设并通过经编缝合32固定，且各粗纱均包含纤维22（为清楚起见仅显示一次）。

图1C显示了无规连续纤维毡34，其中多个连续纤维36以大体上无规的方式以大体上平面但分层的构造铺设。图1D显示了无规短切纤维毡38，其中短切纤维段如纤维段40（为清楚起见以加粗线显示）无规布置以形成大体上平面但分层的阵列。可以理解尽管为了便于查看图1C和1D两者显示的纤维密度都较低，但是典型的纤维毡可以具有多得多的叠置纤维且可以具有明显的厚度。

图2A-G显示了如何通过具有纤维捕获器件58的工具56的作用将一组三个独立的且最初未连接的纤维增强层50、52、54固定成单片式增强材料。增强层50、54是定向的纤维增强材料层，此处以非限制或限定的方式显示为类似于图1B所示NCF的定向增强纤维粗纱的四层叠置体。非限制性地，增强层50和52可以同样是具有更少层或更多层机织织物的NCF织物。非限制性地，增强层52显示为类似于图1C和1D所示的连续纤维毡或短切纤维毡中任一者的无规纤维层。

在图2A中，工具56的尖端59按箭头57所示移动并由顶板60中的开口64引导正好穿透定向纤维增强材料50的上纤维层51。图2B-D中所示，工具56的继续移动逐渐驱使工具56连续穿过增强层50、52和54，直至如图2D所示，工具尖端59从定向增强材料54的下纤维层55中冒出并刚好接合下支撑体62的开口63。在工具前进的整个过程中，没有发生纤维捕获，因为共同限定纤维捕获器件58的捕获表面68和引导表面66并未设置成在工具56沿箭头57的方向前进时接合和捕获任何工具56遇到的纤维。在图2E时，在尖端59穿透下层定向纤维增强材料70之后，将工具56的运动方向反转且现在如箭头57’所示，使得捕获表面68能够与来自下层定向增强材料70的粗纱层53的纤维或如图所示的整个粗纱层53接合，以形成粗纱环53’并将其携带向上穿过增强层52和50，如图2F和2G中所示。工具56沿箭头57’方向的继续移动会使工具56从顶板60中的开口64中完全脱出，从而通过放松环53’上的张力使工具的捕获表面68与环53’脱开，工具56可以横向移动以使环53’与捕获器件58完全脱开从而该过程可以重复。环53’保留在图2G中所示的位置，***并接合增强材料层52和50。

工具56的运动方向显示为大体上与纤维增强材料的平面垂直。这并不意于限制本发明，本发明还包括使用倾斜的或偏斜的工具。可以理解所述工具的任何倾斜也会表现在纤维环的取向中。

图3A-F显示了，在可供选择的实施方案中，如何通过具有纤维捕获器件158的工具156的作用将类似的一组三个独立的且最初未连接的纤维增强层150、152、154固定成单片式增强材料。与图2A-G类似，增强层150、154是定向的纤维增强材料层，具有类似于图1B所示NCF的定向增强纤维粗纱的四层叠置体。增强层152显示为类似于图1C和1D中的连续纤维毡或短切纤维毡中任一者的无规纤维层。

图3A-F中显示的所述层的具体数量、布置和特征（定向或无规纤维、机织或无纺、每层的纤维或片层数量）仅是示例性的，并且不意于或者也不应当由所示的特定增强层设置推断出对本发明范围的任何限制。

在图3A中，沿方向157移动的工具156的尖端159显示为刺穿增强层150的几个片层，而纤维捕获器件158尚未接合层150的上片层151。类似于图2A-G中所示的工具56，工具156可以由与图2A-G中显示为（顶）板60中的开口64和（下）支撑件62中的开口63类似的顶板开口和下支撑件开口支撑。为清楚起见，这些特征在图3A–F中省略了。在图3B中，工具156沿箭头157的方向继续前进，使得纤维捕获器件158的捕获表面168接合来自增强材料150的增强层151的纤维环153。引导表面166引导纤维环153与捕获表面168接触。沿箭头157方向继续前进，如图3C所示，工具156更深地穿入由增强材料层150、152和154限定的增强材料叠层，接合原处于层150的片层151’内的第二线环153’。在图3D中，纤维环153和153’被拉出层150的平面并延伸穿过增强材料叠层至层154的片层155以下。这样，纤维环153和153’桥接了层150与152之间以及层152与154之间的界面。纤维环153和153’的方向大体上垂直于层151的平面。随着工具156沿箭头157’方向退出（图3D-F），移位的纤维环153和153’现在***增强层152，154，被通过摩擦和干涉方式与增强层154和152的纤维接合。施加在环153和153’上的摩擦阻止力使其与纤维捕获器件158脱开并保持它的移位构造。工具156可以横向移动并再次***该增强材料叠层以重复该过程直至将适当的预设量的纤维***相邻的增强层。

图2A-G和3A-F中所示过程的重复进行使得多个纤维或纤维束或粗纱延伸穿过增强材料叠层的厚度。这些纤维，通过与叠层中其它纤维的摩擦接合和/或通过与叠层中其它纤维的机械干涉，在增强材料层之间产生足够的结合力以提供单片式增强材料。图2A-G和3A-F中所示的工艺意图描述单个工具与各层之间的相互作用。为了得到延伸穿过所述层的纤维或纤维束的大体上均匀的面密度，可以使单个工具沿着基本上横越所述增强材料的整个面积的路径重复地***和取出。第二种适用于更有限面积的增强材料的方法是使用适当地安置在共同的支撑件或固定装置上的多个工具，从而所有工具可以一齐***和抽出。对于更大的增强材料，可以采用组合方法。可以重复使用多工具固定装置并在该支撑件的基本整个面积上步进式操作，直至得到具有适合的和适当均匀的密度的延伸穿过所述层的纤维或纤维束。

顶板60和下支撑件62已显示为片状体或板状体，具有设置为接纳往复工具56的开口。顶板60用于引导和支撑工具56，工具56如果横截面是圆柱形那么可具有小于约0.5毫米左右的直径，并且没有支撑的话可能会断裂或弯曲。而下板62用于支撑工件并确保工具56被驱入该工件而不是使它整体移动。可以采用下支撑件62的可选设计。例如，下支撑件可以是实心体或多孔体，它能够被工具56刺穿而不会明显使工具尖端59变钝，例如橡胶或泡沫橡胶。可供选择地，可以使用（较）宽间隔的朝上渐尖的纤维或细柱的阵列。利用该设计时，所述纤维或柱可具有足够大的数量和密度以支撑工件，但是又适当地定位和隔开以至少使向下移动的工具与支撑柱之间接触的可能性最小化。在相关设计中，该支撑柱可制成挠性的，使得所述工具前进时的任何工具-支撑件接触只会临时性地使支撑件向旁边偏转或移动，随着该工具退出能够返回其未偏转的构造。

因为图2A-G和3A-F中所示的工具的纤维捕获行为发生在行程的不同阶段，因此可以使用同时包括了纤维捕获器件58和158的双向工具。代表性的工具256显示在图4A中，并且同时包括纤维捕获器件58和158。在操作中，更接近工具尖端259的纤维捕获器件158首先接合增强材料叠层的上表面，并开始将纤维从该叠层的上表面运送到下表面。随着工具256前进到该叠层中更深的位置，纤维捕获器件58将陷入到该叠层中，但由于其取向而不能接合或捕获任何纤维。当该工具到达其前进行程的界限并开始回退时，纤维捕获器件158会释放其运送的纤维，而纤维捕获器件58会捕获纤维并开始将它们朝上表面运送。该工具的行程和工具上的纤维捕获器件的布置，连同该增强材料叠层的厚度，将决定纤维环的起源和范围。然而，通常优选该环延伸穿过所述叠层的整个厚度，以产生贯穿所有层的最大结合力。

图4B显示了这类工具的第二种构造。可以理解，为了有效工作，所述工具应当造成尽可能小的纤维损伤和纤维破裂，因此优选具有约0.5-1毫米的小横截面的工具。但工具的几何形状也会影响工具造成的纤维损伤的可能性。图4A中所示的工具尖端259和纤维捕获器件58、158的尖角性质可能会产生应力集中或者切割或损伤纤维。在图4B中，工具356显示为具有圆头359，它可以有效地使纤维横向移位使得工具356能够***和通过，而不像尖端259那样可能会切割或者削弱纤维。类似地，纤维捕获器件58’和158’虽然仍适于捕获和保持纤维，但显示为在两个方向上都具有更圆滑或弯曲的外观以使应力集中最小化并以最小的损伤促进纤维运送。

显示的工具设计表现出固定的几何形状并且在纤维运送终止时，通常在将来自一层的纤维拉动或推动穿过和***至少第二层时，依赖纤维捕获过程的方向性来使工具与纤维脱开。图5A-D显示了几何形状可变的工具的图像，该工具也可以有效地将纤维运送穿过和跨越多层，但是可以更有效地使纤维损伤的可能性最小化。

图5A中显示的具有适于穿透工件的构造的工具100由以下构成：大体上圆柱形的针（pin）78，其滑动地限制在中空圆筒形外壳80的内表面79内。多个纤维捕获器件88在靠近端部92处以枢轴方式钉在圆柱形针78的枢轴94处，并接合外壳80中的多个同样的开口82之一。附连到针78的枢轴94与位于外壳80中的开口82的相对位置决定了纤维捕获器件88的取向。如图5A和5B中所示，通过使针78相对于外壳80移动来改变枢轴与开口的相对位置，使得能够大体上同时调节所有纤维捕获器件86的取向。在图5A中，针78和外壳80设置为使得纤维捕获器件88一端支撑在枢轴94上而接近其另一端部90则支撑在开口82的下缘84上。因此，纤维捕获器件88几乎全部缩回到外壳80内使得仅一部分延伸到外壳80之外。在这种构造中，可以将工具100沿箭头96的方向导入工件中，而纤维捕获器件88对与外壳外表面81接触的工件纤维98造成损伤的可能性很小。

在图5B中，工具100的运动方向反转为如箭头104所示。同样，针78已经沿箭头91的方向相对于外壳80移位，因而同样使纤维捕获器件88沿箭头91的方向移位。因为其与开口82接合，器件88会被开口上缘86或开口下缘84所引导，从而使其外端旋转并进入更适合的纤维捕获取向和伸展，使得器件88的端部90伸出到外壳80的外表面81之外。如图5B所示，在这种构造中，器件88非常适合于接合任何临近外壳外表面81的纤维。

如图5C中所示，针78相对于外壳80的进一步相对运动可致使纤维捕获器件88进一步伸展并进一步旋转到不适于捕获和保持纤维的倾斜取向。在这种构造中，一旦工具100沿箭头104的方向继续运动，则纤维98可能“滚落”并与器件88脱开。通过使针78沿与箭头90相反的方向相对于外壳80移动将工具100重置为图5A的构造，使得能够重复该循环。取决于纤维捕获器件88运动的角度范围，使其双向操作也是可行的。如果工具100的运动方向反转，那么仅通过适度的进一步旋转，纤维捕获器件88即可取向为捕获纤维。因此，工具100可以单向或双向操作。

通过使用曲线更平滑的纤维捕获器件可以进一步最小化对纤维的损伤，例如图5D的片段视图中所示的“逗号形”设计88’，其中同时显示了缩回（实线）的构造和伸展（虚线）的构造。

图6显示了单片式层状增强材料的准透视图。三层叠层300包括增强层250、252和254，其显示为机织纤维层250、254和短切纤维毡层252。这些层通过多个（未示出）纤维环联结和结合到一起，该纤维环可以包括独立的代表性的环构造253、353、253’、353’、253”、353”中的一种或多种，为清楚起见全都以粗线显示。环353从机织层254延伸，穿过并***层252的纤维之间，并进一步***层250的机织纤维中。环253从机织层250延伸，穿过并***层252的纤维之间并进一步***层254的机织纤维中。范围较小的环253’和353’源自无规纤维层252，并分别***机织纤维层250和254中，而环253”和353”分别源自机织纤维层250和254，并且仅延伸穿过该叠层的部分，并***无规层252。图6中所示的代表形式是示例性的而非限制性的。例如，也可以使用其它纤维层构造，且这类可供选择的纤维层构造可采用与所示的那些不同的环构造。并且，并非所有可能的环构造都可以在具体的增强材料中找到。

可以通过以下步骤制造包含这类单片式增强材料的纤维增强聚合物制品，所述步骤不是必须以所列的顺序实施，特别地，可优选在将增强材料放入模具中之后再向增强材料中充入聚合物前体：以面对面的方式将多个大体上平面的、大体上同延的含纤维增强材料层层叠置来组装层状增强材料；将预选部分的纤维由该层状增强材料的至少一层运送到该增强材料的平面之外并将它们拉动或推动到该层的平面之外跨越至少一个层边界以将所述纤维***增强材料的至少第二层以将所述增强材料层固定在一起；和重复操作直至通过从一层延伸并与至少相邻层接合的纤维将所有层彼此结合；用足以润湿所有纤维并填充模具型腔的量的聚合物前体浸渍该增强材料；使经聚合物前体浸渍的增强材料成型为预选的适于制造所述制品的几何形状从而形成预浸料坯；将该预浸料坯放入具有限定所需制品形状的内部型腔的模具中；封闭该模具以使预浸料坯符合模腔的形状、压紧该预浸料坯并将聚合物前体转移和分布到整个模具型腔；和固化经成型的预浸料坯中的聚合物前体以形成纤维增强的聚合物制品。

也可以采用单侧真空袋模制法或蒸压罐模制法。在这种情形中，可以将预浸料坯放置在模具型腔的一半中，并施加压力以使预浸料坯符合模具的形状。

已经通过参照某些优选实施方案举例说明了本发明的实施，这些优选实施方案是示例性的而非限定性的。本发明的完整范围仅由以下权利要求定义和限定。

Claims

1.用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料，其包括：

2.权利要求1的层状单片式纤维增强材料，其中所述定向纤维层是机织的。

3.权利要求1的层状单片式纤维增强材料，其中定向纤维增强材料是无纺的。

4.权利要求1的层状单片式纤维增强材料，其中定向无纺纤维层是多层无屈曲织物。

5.权利要求1的层状单片式纤维增强材料，其中所述纤维是由碳纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维构成的组中的一种或多种。

6.用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，该方法包括：

该环大体上均匀地分布在定向纤维层的面积上。

7.权利要求6的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，进一步包括以下步骤：将预选数量的无规纤维由无规纤维层运送到该无规层之外并使该预选数量的无规纤维***定向纤维层中，使得所述无规纤维与定向层中的至少一些定向纤维形成接合和干涉以将无规纤维层稳固地结合到定向纤维层上，所述***的无规纤维大体上均匀地分布在定向纤维层的面积上。

8.权利要求6的用于增强聚合物制品的层状单片式纤维增强材料的制备方法，其中所述增强材料进一步包括与第一定向纤维层大体上同延的第二定向纤维层，无规纤维层位于两者之间并与第一和第二定向纤维层以面对面的方式接触；且其中预选数量的定向纤维由第一定向纤维层运送到第一定向层的平面之外并插穿无规纤维层并至少进入第二定向纤维层中，并且其中通过以下步骤将定向纤维由第一定向纤维层运送到第二定向纤维层：

9.纤维增强复合制品，包括由单片式纤维增强材料增强的聚合物基质，该单片式纤维增强材料包括至少两个在界面处面对面的大体上平面的、同延的增强层，各增强层包含增强纤维；

10.权利要求9的纤维增强复合制品，其中所述层状单片式纤维增强材料包括第一定向纤维层、第二定向纤维层和位于第一和第二定向纤维层之间的无规纤维层。