ES2704634T3 - Base de fibras de carbono, preimpregnado y material compuesto reforzado con fibras de carbono - Google Patents

Base de fibras de carbono, preimpregnado y material compuesto reforzado con fibras de carbono Download PDF

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Abstract

Una base de fibras de carbono que comprende una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas, y una red de fibras cortas de carbono en que las fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm se dispersan en forma de monofilamentos, la red de fibras cortas de carbono proporcionadas en una o ambas superficies de la capa de fibras de carbono continua.

Description

DESCRIPCIÓN
Base de fibras de carbono, preimpregnado y material compuesto reforzado con fibras de carbono
Campo técnico
La presente invención se refiere a una base de fibras de carbono, un preimpregnado formado usando la base de fibras de carbono, y un material compuesto reforzado con fibras de carbono usando la base de fibras de carbono y el preimpregnado. Más particularmente, la presente invención se refiere a una base de fibras de carbono y un preimpregnado que son adecuados para la formación de un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tiene todos de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad. La presente invención también se refiere a un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tiene todos de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad.
Antecedentes de la técnica
El material compuesto reforzado con fibras de carbono es excelente en resistencia, rigidez, conductividad, etcétera, y se usan ampliamente en aplicaciones industriales generales tales como componentes estructurales de aviones, artículos deportivos, molinos de viento, placas externas del automóvil, bandejas IC y cajas de ordenadores portátiles. La demanda debido a eso ha aumentado año a año.
El material compuesto reforzado con fibras de carbono es un material heterogéneo que tiene fibras de carbono como fibras de refuerzo y una resina matriz como componentes esenciales, y tiene una gran diferencia entre las propiedades físicas en una dirección de disposición de las fibras de carbono y las propiedades físicas en otras direcciones. Por ejemplo, la tenacidad a la fractura interlaminar del material compuesto reforzado con fibras de carbono, y la resistencia al impacto mostrado por la resistencia al impacto por caída de peso, que depende de la tenacidad a la fractura interlaminar, no se mejoran drásticamente solo aumentando la resistencia de las fibras de refuerzo.
Particularmente, los materiales compuestos reforzados con fibra de carbono que tienen una resina termoendurecible como una resina matriz tienden a romperse fácilmente por tensiones en direcciones distintas de una dirección de disposición de las fibras de refuerzo debido a baja tenacidad de la resina matriz. Por lo tanto, se han propuesto varias técnicas que se pretende que mejoren las propiedades físicas del material compuesto reforzado con fibras de carbono de manera que puedan resistirse las tensiones en direcciones distintas a una dirección de disposición de las fibras de refuerzo.
Entre ellas, se ha propuesto un material compuesto reforzado con fibras de carbono del que se aumenta la resistencia a la compresión después del impacto por caída de peso mejorando la tenacidad a la fractura interlaminar usando un preimpregnado o preforma con partículas, fibras o una película de una resina termoplástica dispuesta en el área de superficie (véanse los Documentos de Patentes 1,2 y 3).
Sin embargo, cuando se usa una resina termoplástica como un material de refuerzo interlaminar, se proporciona un alto nivel de tenacidad a la fractura interlaminar, pero se reduce la resistencia estática porque la capa intermedia se vuelve una capa frágil. Además, la adhesión interfacial entre la resina termoendurecible y la resina termoplástica se vuelve insuficiente, de manera que se da la rotura debido a que ocurre desprendimiento interfacial, llevando a un efecto de mejora de la tenacidad a la fractura interlaminar insuficiente. Además, como una capa de resina que sirve como una capa aislante existe entre las capas, la conductividad en una dirección del espesor se reduce significativamente entre las conductividades que constituyen una de las características del material compuesto reforzado con fibra de carbono.
Como es evidente a partir de este ejemplo, el desarrollo de un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tiene todos de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad se encuentra con dificultades.
Aquí, la tenacidad a la fractura interlaminar es una resistencia para el desarrollo de roturas que se ven de forma interlaminar de miembros laminados en una forma de capas, que forman un material compuesto reforzado con fibras de carbono, y se refiere a la tenacidad a la rotura interlaminar en modo de apertura (GIc) y tenacidad a la rotura interlaminar en modo cizallamiento (GIIc) en un proceso de desarrollo de roturas. Cuando la tenacidad a la rotura interlaminar es alta, la resistencia al impacto obtenida en una prueba de impacto Charpy y una prueba de impacto Izod, y la resistencia a la compresión después del impacto (CAI) también se aumentan.
La resistencia estática se refiere a una tensión necesaria para romper un material compuesto reforzado con fibras de carbono cuando una fuerza de flexión o de tracción se aplica al mismo. Los ejemplos incluyen resistencia a la flexión de grado 0 y resistencia a la tracción de grado 0.
La conductividad es un indicador de la facilidad con que la corriente pasa cuando se aplica un campo eléctrico a un material compuesto reforzado con fibras de carbono. Por ejemplo, la conductividad puede evaluarse midiendo una resistencia superficial, una resistencia de volumen en una dirección paralela a una dirección de laminado, o una conductividad eléctrica en una dirección perpendicular a la dirección de laminado. Particularmente, cuando un material de refuerzo interlaminar aislante se inserta en un preimpregnado, se reduce una conductividad eléctrica en una dirección perpendicular a la dirección de laminado, es decir, una dirección del espesor, y por lo tanto la conductividad es importante como un indicador para la evaluación de un preimpregnado. La conductividad en una dirección del espesor se refiere a una conductividad eléctrica en una dirección perpendicular a una dirección de laminado.
Como un método para mejorar la conductividad interlaminar, se ha propuesto un método que comprende mezclar partículas metálicas en una resina matriz de un material compuesto reforzado con fibras de carbono (véase el Documento de patente 4) y un método que comprende mezclar partículas de carbono en una resina matriz (véase el Documento de patente 5). En estos documentos, sin embargo, satisfacer todo de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad no se menciona en absoluto. Adicionalmente, un método que comprende introducir un cable metálico en una tela tejida de fibra de carbono para mejorar la conductividad se ha propuesto (véase el Documento de patente 6). Sin embargo, este documento ni describe ni sugiere una relación entre la tenacidad a la fractura interlaminar y la resistencia estática, y tiene un problema de limitación de un efecto de reducción de peso debido a la introducción de un cable metálico.
Se ha propuesto un laminado en que una tela no tejida formada por fibras de carbono se dispone entre capas (véase el Documento de patente 7 y los Documentos no de patente 1 y 2). Sin embargo, con las fibras de carbono y la tela no tejida usada aquí, la capa intermedia se vuelve una capa frágil. Por lo tanto, no se satisfacen todas de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad. El documento de patente 7 describe un laminado de una tela tejida triaxial y una tela no tejida. Cuando la tela no tejida es conductora, las características eléctricas pueden mejorarse, pero este documento ni describe ni sugiere características relacionadas con la tenacidad interlaminar.
Los documentos no de patente 1 y 2 describen un laminado en que una tela no tejida formada por fibras de carbono está dispuesta entre capas. Estos documentos muestran que la tenacidad a la fractura interlaminar en modo cizalladura (GIIc) está mejorada y que para mejorar la tenacidad a la fractura interlaminar en modo de apertura (GIc), una tela no tejida debería insertarse en una gran cantidad, de manera que la resistencia a la tracción de grado 0 como un indicador de resistencia estática disminuye en aproximadamente 30%.
El documento de patente 8 describe un preimpregnado en que capas de tela no tejida se disponen en ambos lados de una capa de fibra continua que tiene un espesor de 0,3 a 0,5 mm. Sin embargo, esta técnica es una técnica para suprimir el desorden de orientación entre las capas de fibra continua para proporcionar un producto moldeado excelente en propiedades físicas y características de diseño, y este documento ni describe ni sugiere tenacidad interlaminar y conductividad. Además, se muestra que las propiedades mecánicas se deterioran cuando una tela no tejida se dispone entre capas, y para retener las propiedades mecánicas, se necesita una capa provista con tela no tejida. En este caso, una más débil de una capa intermedia proporcionada con una tela no tejida y una capa intermedia proporcionada con una tela no tejida comienza a experimentar primero fractura interlaminar, y por lo tanto no puede esperarse mejora de la tenacidad a la fractura interlaminar.
El documento de patente 9 describe una base de fibra reforzada compuesta en que una tela no tejida de una resina termoplástica se dispone en una base de fibras de carbono y fibras de la tela no tejida penetran a través de la base de fibras de carbono. Sin embargo, esta tela no tejida pretende mejorar el desorden de la orientación de fibras, las características de manejo durante el moldeado y la resistencia al impacto de un producto moldeado, y la conductividad no se menciona en este documento. Además, está el problema de que las propiedades físicas del producto moldeado no son estables porque las fibras de nailon se funden y se ablandan durante el procesado.
Los documentos de patentes 10 y 11 describen haces de fibras de carbono en una tela no tejida pero no enseñan la dispersión de las fibras cortas de carbono en forma de monofilamentos.
Los documentos no de patente 4 a 7 describen materiales compuestos híbridos de materiales compuestos plásticos reforzados con fibra y tejido de carbono no tejido. Ninguno de estos documentos describe o enseña la dispersión de las fibras cortas de carbono en forma de monofilamentos.
En las situaciones descritas anteriormente, se desean el desarrollo de material compuesto reforzado con fibras de carbono que satisfaga todas de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad y la provisión del material compuesto reforzado con fibras de carbono al mercado.
Documentos de la técnica anterior
Documentos de patente
Documento de patente 1: JP 08-259713 A
Documento de patente 2: JP 3387100 B2
Documento de patente 3: JP 2003-019763 A
Documento de patente 4: JP 06-344519 A
Documento de patente 5: JP 08-034864 A
Documento de patente 6: JP 2006-265769 A
Documento de patente 7: WO 02/018127 A1
Documento de patente 8: JP 10-138375 A
Documento de patente 9: JP 2010-155460 A
Documento de patente 10: JP 2007-268735 A
Documento de patente 11: JP S60-44334 A
Documentos no de patente
Documento no de patente 1: Japan Society of Mechanical Engineers Collected Papers (A), vol. 67, págs. 1471-1476 (2001) Documento no de patente 2: Japan Society of Mechanical Engineers Collected Papers (A), vol. 67, págs. 1477-1485 (2001) Documento no de patente 3: Polymer Composites, vol. 24, págs. 380-390 (2003)
Documento no de patente 4: Journal of Materials Processing Technology, vol. 207, núms. 1-3, págs. 21-29 (2008) Documento no de patente 5: International Journal of Fatigue, vol. 24, núms. 2-4, págs. 397-405 (2002) Documento no de patente 6: Scripta Materialia, vol. 41, núm. 6, págs. 575-582 (1999)
Documento no de patente 7: Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, vol. 42, núm. 10, págs. 1551­ 1559 (2011)
Compendio de la invención
Problemas a resolver por la invención
En vista de los problemas de las técnicas convencionales, un objeto de la presente invención es proporcionar una base de fibras de carbono y un preimpregnado que sean adecuados para la formación de un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tenga todos de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad. Además, un objeto de la presente invención es proporcionar un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tenga excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad.
Los valores de tenacidad a la fractura interlaminar, resistencia estática y conductividad que se desea que el material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención tenga varía dependiendo de un uso y diseño de un componente formado usando el material compuesto reforzado con fibras de carbono, pero para mostrar excelentes características de reducción de peso del material compuesto reforzado con fibras de carbono, por ejemplo en el caso de un componente de avión, esos valores son tales que pueda obtenerse un componente en que el 85% o más de la resistencia se retiene en términos de resistencia estática tal como resistencia a la flexión de grado 0, la tenacidad a la fractura interlaminar en modo de apertura (GIc) y la tenacidad a la fractura interlaminar en modo cizalladura (GIIc) se aumentan cada una en 20% o más, y la conductividad en una dirección del espesor se aumenta por un factor de 4 o más en comparación con un material compuesto reforzado con fibras de carbono no reforzado de forma interlaminar. Solución a los problemas
Una base de fibras de carbono de la presente invención incluye una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas, y una red de fibras cortas de carbono en que las fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm se dispersan en forma de monofilamentos, la red de fibras cortas de carbono proporcionada en una o ambas de las superficies de la capa de fibras de carbono continua.
En la base de fibras de carbono de la presente invención, preferiblemente la red de fibras cortas de carbono tiene una propiedad de vuelta a su forma original.
En la base de fibras de carbono de la presente invención, preferiblemente la red de fibras cortas de carbono tiene un peso por unidad de área de 1 a 10 g/m2.
En la base de fibras de carbono de la presente invención, preferiblemente las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono tienen un diámetro de fibra promedio de 1 a 20 pm.
Un preimpregnado de la presente invención se forma impregnando una parte o toda la base de fibras de carbono de la presente invención con una resina matriz.
En el preimpregnado de la presente invención, preferiblemente la red de fibras cortas de carbono en un producto moldeado obtenido sometiendo el preimpregnado a moldeo con calor y presión tiene un espesor de 60 |jm o menos.
En el preimpregnado de la presente invención, preferiblemente la resina matriz es una resina epoxi.
Un laminado de base de fibras de carbono puede formar laminando la base de fibras de carbono de la presente invención en dos o más capas en una dirección del espesor.
Un laminado de preimpregnado puede formarse laminando el preimpregnado de la presente invención en dos o más capas en una dirección del espesor.
Un material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención se forma integrando la base de fibras de carbono de la presente invención con una resina matriz.
Otro material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención se forma integrando el laminado de base de fibras de carbono con una resina matriz.
Efectos de la invención
Un material compuesto reforzado con fibras de carbono producido usando una base de fibras de carbono o un preimpregnado de la presente invención tiene todas de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 es una vista esquemática lateral de un ejemplo de un aparato para producir una red de fibras cortas de carbono para usar para una base de fibras de carbono de la presente invención.
Realizaciones de la invención
Una base de fibras de carbono de la presente invención incluye una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas, y una red de fibras cortas de carbono en que las fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm se dispersan en forma de monofilamentos, la red de fibras cortas de carbono proporcionadas en una o ambas superficies de la capa de fibras de carbono continua. Después, se describirá un método preferido para producir la base de fibras de carbono de la presente invención.
El tipo de fibras de carbono que forman la base de fibras de carbono no está particularmente limitado. Por ejemplo, las fibras de carbono con base de poliacrilonitrilo (PAN), fibras de carbono con base de alquitrán y fibras de carbono con base de rayón, etc. se usan preferiblemente desde el punto de vista de la mejora de las propiedades dinámicas y la reducción de peso de un material compuesto reforzado con fibras de carbono previsto. Dos o más de las fibras de carbono mencionadas anteriormente pueden usarse en combinación. Entre ellas, las fibras de carbono con base de PAN se usan particularmente preferiblemente desde el punto de vista de un equilibrio entre la resistencia y el módulo elástico de un material compuesto reforzado con fibras de carbono previsto.
Las fibras de carbono se producen normalmente de la siguiente manera. Para la producción de fibras de carbono con base de PAN, se usan fibras precursoras que se carbonizan en fibras de carbono. Como fibra precursora, se usa preferiblemente un haz de fibras que incluye un gran número de fibras formadas a partir de un copolímero con base de PAN que tiene 90% en masa o más de acrilonitrilo y menos del 10% en masa de un monómero capaz de copolimerizarse con acrilonitrilo.
Como el monómero capaz de copolimerizarse, por ejemplo, puede usarse al menos uno seleccionado del grupo que consiste en ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido itacónico o un metiléster, y propiléster, un butiléster, una sal de metal alcalino y una sal de amonio de los mismos, un ácido alilsulfónico, un ácido metalilsulfónico, un ácido estirenosulfónico y una sal alcalina de los mismos.
La finura del monofilamento del haz de fibras precursoras con base de PAN es preferiblemente 1 a 2 dtex, más preferiblemente 1,1 a 1,7 dtex, adicionalmente preferiblemente 1,2 a 1,5 dtex. Cuando la finura del monofilamento es menor de 1 dtex, el módulo elástico y la resistencia del haz de fibras de carbono resultante son excesivamente altos, y la productividad tiende a deteriorarse. Cuando la finura del monofilamento es más de 2 dtex, la desigualdad de carbonización se da fácilmente en una etapa de carbonización, de manera que la resistencia del haz de fibras de carbono resultante puede reducirse. El haz de fibras precursoras con base de PAN se calienta para hacerse resistente a la llama en una atmósfera oxidativa tal como la de aire preferiblemente a una temperatura de 200 a 300°C, produciendo por tanto un haz de fibras resistente a la llama.
El haz de fibras resistentes a la llama resultante se somete a un tratamiento de carbonización preliminar en una atmósfera inerte tal como la de nitrógeno preferiblemente a una temperatura de 300 a 1000°C. El haz de fibras resistentes a la llama resultante, que se ha sometido al tratamiento de carbonización preliminar, se somete a un tratamiento de carbonización en una atmósfera inerte tal como la de nitrógeno a una temperatura máxima de preferiblemente 1000 a 1400°C, más preferiblemente 1000 a 1300°C, más preferiblemente 1100 a 1250°C para producir un haz de fibras de carbono.
Cuando la temperatura de carbonización máxima es mayor que 1400°C, el módulo elástico del haz de fibras de carbono es excesivamente alto, y cuando la temperatura de carbonización máxima es menor que 1000°C, el tamaño de cristal de carbono de las fibras de carbono disminuye, de manera que el haz de fibras de carbono resultante tiene un alto contenido en humedad debido al crecimiento insuficiente del cristal de carbono. Cuando el haz de fibras de carbono tiene un contenido alto de humedad, la resistencia a la tracción del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante puede no mostrarse suficientemente porque el curado de la resina matriz es insuficiente en el momento de la formación del material compuesto reforzado de fibras de carbono que usa el haz de fibras de carbono.
Ejemplos del producto disponible comercial del haz de fibras de carbono incluyen TORAYCA (marca registrada) “T800s C-24K” y TORAYc A (marca registrada) “T700SC-12K” (ambas fabricadas por Toray Industries, Inc.).
La finura del monofilamento de cada fibra de carbono en el haz de fibras de carbono a usar para la formación de la base de fibras de carbono de la presente invención es preferiblemente 0,2 a 2 dtex, más preferiblemente 0,4 a 1,8 dtex. Cuando la finura del monofilamento es menor que 0,2 dtex, puede darse fácilmente daño del haz de fibras de carbono debido al contacto con un rodillo guía en el momento de torcer el haz de fibras de carbono, y puede darse un daño similar en una etapa de tratamiento de impregnación de resina de la impregnación del haz de fibra de carbono con una resina matriz. Cuando la finura del monofilamento es más de 2 dtex, el haz de fibras de carbono no puede estar suficientemente impregnado con una resina matriz, y como resultado puede reducirse la resistencia a la fatiga del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante.
El haz de fibras de carbono es preferiblemente uno que se ha sometido a un tratamiento de encolado. Como un agente de encolado, se usa preferiblemente un agente de encolado que incluye un componente que tiene al menos un grupo funcional seleccionado de un grupo epoxi, un grupo hidroxilo, un grupo acrilato, un grupo metacrilato, un grupo amida, un grupo carboxilo y un anhídrido carboxílico. El agente de encolado se deposita en el haz de fibras de carbono en una cantidad de preferiblemente 0,01 a 5% en masa. Un haz de fibras de carbono, en que se deposita un agente de encolado, es excelente en la resistencia a la abrasión en el proceso de producción de la base de fibras de carbono, o excelente en la afinidad con una resina matriz, especialmente una resina epoxi en el proceso de producción del material compuesto reforzado con fibras de carbono.
La fibra de carbono continua se refiere a un haz de fibras de carbono formado de manera que un gran número de filamentos de carbono que tienen una longitud que corresponde al tamaño de una base de fibras de carbono a producir se alinean. Por lo tanto, la fibra de carbono continua es diferente de la lámina de fibras cortas de carbono formada de manera que un gran número de filamentos de carbono cortados en forma de fibras cortas se sitúan de forma aleatoria.
Las formas de fibras de carbono continuas que forman una capa de fibras de carbono continuas en la base de fibras de carbono de la presente invención incluyen una lámina unidireccional con fibras de carbono continuas alineadas en una dirección, una tela tejida formada de fibras de carbono continuas, y una estopa o hilo formado por fibras de carbono continuas.
Preferiblemente el haz de fibras de carbono que forma una fibra de carbono continua tiene 2500 a 50000 filamentos de carbono por haz de fibras para asegurar la estabilidad de un estado de disposición de los filamentos de carbono en el haz de fibras de carbono y asegurar las propiedades de impregnación de una resina matriz en el haz de fibras de carbono.
La base de fibras de carbono de la presente invención se usa para la producción de un laminado de base de fibras de carbono, es decir, una preforma. Aquí, la preforma se refiere normalmente a un laminado formado laminando una pluralidad de telas base tejidas formadas por fibras de carbono continuas, o un laminado formado laminando una pluralidad de telas base tejidas y cosiendo las telas base tejidas con un hilo de punto a integrar, o una estructura de fibra tal como una tela tejida tridimensional o tela trenzada formada por fibras de carbono continuas.
La red de fibras cortas de carbono en la base de fibras de carbono de la presente invención se refiere a una red formada de manera que esas fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm se dispersan en forma de monofilamentos. La red de fibras cortas de carbono tiene huecos que se impregnan con una resina matriz entre un gran número de fibras cortas de carbono. Aquí, la red se refiere a una tela no tejida en que las fibras de carbono cortadas, es decir, fibras cortas de carbono forman una red de fibras cortas de carbono en un estado disperso. En la red de fibras cortas de carbono, las fibras cortas de carbono pueden mezclarse con fibras orgánicas, un compuesto orgánico o un compuesto inorgánico, las fibras cortas de carbono pueden sellarse con otros componentes, o las fibras cortas de carbono pueden unirse con un componente de resina.
Para producir fácilmente una red con fibras cortas de carbono dispersas en la forma de monofilamentos, la forma de la red de fibras cortas de carbono es preferiblemente una forma de una tela no tejida que se obtiene por un método en seco o un método en húmedo y en que las fibras cortas están suficientemente abiertas y las fibras cortas están unidas con una resina aglutinante formada con un compuesto orgánico. Las fibras de carbono a usar para la formación de la red de fibras cortas de carbono pueden ser iguales que o diferentes de las fibras de carbono a usar para la formación de la capa de fibras de carbono continua formada de fibras de carbono continuas.
La red de fibras cortas de carbono es una red que está formada por fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm y en que las fibras cortas de carbono están dispersas en forma de monofilamentos. La red de fibras cortas de carbono tiene una red fuerte de fibras cortas de carbono y tiene una propiedad de vuelta a su forma original descrita más tarde.
Los documentos no de patente 1 y 2 describen un laminado en que una tela no tejida formada por fibras de carbono se dispone entre las capas, y la razón por la que la tenacidad a la fractura interlaminar (GIc) del laminado no se mejora se considera que es el acortamiento de los puentes de fibra por monofilamentos orientados en una dirección fuera del plano. Las fibras de carbono en la tela no tejida de fibras de carbono usadas en los documentos no de patente 1 y 2 tienen una gran longitud de fibra de aproximadamente 25 mm (esta longitud de fibra se describe en el documento no de patente 3), y se piensa que cuando la longitud de fibra es grande, el entrelazado de fibras se promueve para reducir el número de terminaciones de fibra, de manera que los monofilamentos orientados en una dirección fuera del plano disminuyen, dando por resultado el acortamiento de los puentes de fibra.
Como una gran proporción de fibras de carbono en la tela no tejida existe en forma de haces de fibras, es difícil que las fibras de carbono penetren entre las capas de fibra continua, y esto puede también provocar el acortamiento de los puentes de fibra. Por lo tanto, para aumentar los puentes de fibra, se necesita una tela no tejida más espesa y por consiguiente el espesor de la capa intermedia en un producto moldeado aumenta, llevando a una reducción en la resistencia estática del producto moldeado.
En la red de fibras cortas de carbono a usar en la base de fibras de carbono de la presente invención, las fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra en un intervalo fijo, es decir, una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm se dispersan en un nivel de monofilamento. Debido a este estado, las fibras cortas de carbono que forman la red penetran de forma efectiva entre las capas de fibras de carbono continuas adyacentes. Debido a este estado, se forma una ruta de conductividad entre las capas para mejorar la conductividad, y también los monofilamentos entre capas forman de forma efectiva puentes de fibra los unos con los otros para proporcionar alta tenacidad a la fractura interlaminar.
Además, una red de fibras cortas de carbono con fibras cortas de carbono dispersas en forma de monofilamentos tiene una propiedad de vuelta a su forma original. Por consiguiente, las fibras cortas de carbono de la red penetran más fácilmente entre capas de fibras de carbono continuas adyacentes, y debido a esta penetración, la resistencia de la red se mantiene alta, y como resultado puede reducirse el espesor de la capa intermedia. Como el espesor de la capa intermedia disminuye, se da alta resistencia estática al material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante.
Aquí, la red de fibras cortas de carbono que tiene una propiedad de vuelta a su forma original significa que se satisface uno de los dos requisitos siguientes.
El primer requisito es que donde tü es un espesor inicial de una red, t1 es un espesor con una carga aplicada a la red y t2 es un espesor con una carga eliminada después de aplicar la carga a la red, se satisfacen las siguientes relaciones:
t1 < 0,75 x to (fórmula 1) y t2 > 0,9 x to (fórmula 2).
El método para medir un espesor inicial y un espesor con una carga eliminada no está particularmente limitado. Por ejemplo, el espesor puede medirse mediante un micrómetro o calibrador pie de rey, un dispositivo de medida tridimensional, una observación láser de desplazamiento láser o microscópica.
Aquí, la observación microscópica puede realizarse observando directamente la red, o incrustando la red con una resina termoendurecible, y puliéndola y después observando la sección transversal. El método para medir un espesor cuando se aplica una carga no está particularmente limitado. Por ejemplo, el espesor puede medirse aplicando una carga a la red mediante un probador de flexión o un probador de compresión y leyendo un desplazamiento. Sin embargo, cuando la red está fuertemente unida con un aglutinante, o el espesor de la red es muy pequeño, o la red está impregnada con una resina matriz, puede ser difícil realizar la medida. En este caso, se determina una propiedad de vuelta a su forma original comprobando si se satisface el segundo requisito.
El segundo requisito es que donde t3 es un espesor de una red en un producto moldeado obtenido realizando un moldeo con calor y presión después de impregnar la red con una resina matriz, y t4 es un espesor de la red cuando la resina matriz en el producto moldeado se funde o quema para eliminarse, se satisface la siguiente relación: t4 > 1,5 x t3 (fórmula 3). De forma alternativa, donde t3 es un espesor de una capa formada por una red en un producto moldeado obtenido sometiendo un preimpregnado formado a partir de una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas, una red de fibras cortas de carbono y una resina matriz para el moldeo con calor y presión, y t4 es un espesor de la capa formada por una red cuando la resina matriz en el producto moldeado se funde o quema para eliminarse, se satisface la siguiente relación: t4 > 1,5 x t3 (fórmula 3).
El método para medir el espesor no está particularmente limitado. Por ejemplo, el espesor puede medirse por un micrómetro o calibrador pie de rey, un dispositivo de medida tridimensional, una observación láser de desplazamiento láser o microscópica. Aquí, en el caso de la observación microscópica, el producto moldeado o la red puede observarse directamente, o el producto moldeado o la red pueden incrustarse con una resina termoendurecible, y la sección transversal pulirse y después observarse.
Para que la red de fibras cortas de carbono muestre una propiedad de vuelta a su forma original, es importante que las fibras cortas de carbono que existen en ella estén dispersas en forma de monofilamentos. Cuando las fibras cortas de carbono están dispersas en forma de monofilamentos, el número de contactos entre las fibras cortas de carbono aumenta, y por lo tanto la red tiene una estructura más claramente tridimensional. Es decir, una fuerza con la que la red se expande en una dirección de altura aumenta, de manera que las fibras cortas de carbono de la red penetran fácilmente entre las capas de fibras de carbono continuas adyacentes.
La longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono es 2 a 12 mm. Cuando la longitud de fibra promedio de las fibras cortas de carbono es menor que 2 mm, la estructura de red de la red no se obtiene de forma adecuada, y disminuye la resistencia interlaminar, llevando a la existencia de una capa frágil, de manera que se reduce la resistencia estática del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante. Además, puede ser difícil formar puentes de fibra, llevando a una reducción en la tenacidad a la fractura interlaminar y la conductividad del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante. Además, la capacidad de procesado de la red se deteriora porque la estructura de red de la red es difícil de retener.
Por otro lado, cuando la longitud de fibra promedio de las fibras cortas de carbono es mayor de 12 mm, se promueve el entrelazado de las fibras cortas de carbono, de manera que la forma de la red se fija fácilmente, llevando a la supresión de la propiedad de vuelta a la forma original. Además, se reduce el número de terminaciones de monofilamentos de fibra corta de carbono. Como resultado, el número de terminaciones de monofilamentos orientados en una dirección fuera del plano se reduce, y una capacidad de las fibras cortas de carbono de penetrar entre capas de fibras de carbono continuas adyacentes se deteriora. Como resultado, los puentes de fibra y las rutas de conductividad son difíciles de formar, de manera que no se obtiene un efecto suficiente de mejora de la tenacidad a la fractura interlaminar y la conductividad del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante.
Además, como la longitud de fibra promedio de las fibras cortas de carbono se aumenta, el espesor de la capa intermedia se vuelve grande, llevando a una reducción en la resistencia estática del material compuesto reforzado con fibras de carbono. Para que el material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante tenga todas de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad, es importante que en una red de fibras cortas de carbono, la longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono sea 2 a 12 mm, y las fibras cortas de carbono se dispersen en un nivel de monofilamentos. Además, se prefiere que la red de fibras cortas de carbono tenga una propiedad de vuelta a la forma original.
Ejemplos del método para medir la longitud de la fibra de una fibra corta de carbono incluyen un método que comprende extraer una fibra corta de carbono directamente de una red, y medir la longitud de la fibra extraída, y un método que comprende disolver una resina que usa disolvente que disuelve solo la resina de un preimpregnado o un material compuesto reforzado con fibras de carbono, separar las fibras cortas de carbono de las fibras de carbono restantes por filtración, y medir la longitud de la fibra corta de carbono obtenida por observación microscópica (método de disolución). Cuando un disolvente que disuelve una resina está ausente, un método en que a un intervalo de temperatura que no provoca que las fibras de carbono se oxiden para soltar peso, solo la resina se quema para separar fibras de carbono, y la longitud de la fibra corta de carbono se mide por observación microscópica (método de quemado).
Para la medida de la longitud, se seleccionan aleatoriamente 400 fibras cortas de carbono, se miden las longitudes de las mismas del orden de 1 pm con un microscopio óptico, y se consigue un valor de cada longitud de fibra y una relación de la longitud medida de cada fibra para cada longitud. Cuando se compara el método que comprende extraer una fibra corta de carbono directamente de una red y el método que comprende extraer una fibra corta de carbono de un preimpregnado o un material compuesto reforzado con fibras de carbono mediante un método de disolución o un método de quemado, no hay una diferencia particular en los resultados obtenidos mientras las condiciones se seleccionen de forma apropiada.
La dispersión de fibras cortas de carbono en forma de monofilamentos en una red de fibras cortas de carbono significa que el 90% de las fibras cortas de carbono seleccionadas aleatoriamente en función de un número se dispersan una a una en forma de monofilamentos, es decir, que dos o más fibras cortas de carbono no están dispuestas en la misma dirección mientras se acercan la una a la otra.
Mientras las fibras cortas de carbono se dispersan en forma de monofilamentos, la red de la red se fortalece, se alcanza la isotropía de la red, y el espesor de la red puede reducirse, de manera que puede obtenerse una red que tiene alta resistencia y una alta propiedad de vuelta a la forma original. Cuando las fibras cortas de carbono no se dispersan en forma de monofilamentos, la isotropía de la red se deteriora, se dan la desigualdad de dispersión y los defectos de las fibras cortas de carbono, y el espesor de la red es difícil de reducir, de manera que no pueden obtenerse propiedades mecánicas satisfactorias. Además, se vuelve difícil formar una red de fibras cortas de carbono, el peso muerto de fibras cortas de carbono se aumenta, la propiedad de vuelta a la forma original se reduce, los puentes de fibra se disminuyen, y el efecto de mejora de la tenacidad a la fractura interlaminar del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante se reduce.
La dispersión de las fibras cortas de carbono en forma de monofilamentos puede confirmarse observando una red o un preimpregnado con un microscopio óptico o un microscopio de barrido de electrones. Para la evaluación en un estado disperso de fibras cortas de carbono, se seleccionan de forma aleatoria 100 fibras cortas de carbono, y si se comprueba o no que 90 o más fibras de las mismas se dispersan en forma de monofilamentos, y cuando se observa un estado en que se dispersen 90 o más fibras en forma de monofilamentos, se determina que las fibras cortas de carbono se dispersan en forma de monofilamentos.
La producción de una red de fibras cortas de carbono con fibras cortas de carbono dispersas en forma de monofilamentos se realiza dispersando fibras cortas de carbono y fibras cortas de carbono con disposición bidimensional usando un método en seco o método en húmedo descrito a continuación.
Para mejorar la dispersión de fibras cortas de carbono, un método que comprende usar una barra de apertura de fibras, un método que comprende hacer vibrar barra de apertura de fibras usada, un método que comprende hacer aletear la apertura de una carta, y un método que comprende ajustar la velocidad de rotación de la carta puede usarse en combinación en el método en seco.
En un método en húmedo, un método que comprende ajustar las condiciones de agitación en el momento de dispersar fibras cortas de carbono, un método que comprende reducir la concentración de fibras cortas de carbono en una disolución, un método que comprende ajustar una viscosidad de disolución y un método que comprende suprimir un flujo de vértice en un tanque de dispersión en el momento de suministrar un medio de dispersión (líquido de dispersión) puede usarse en combinación.
Para fibras cortas de carbono dispuestas bidimensionalmente, puede usarse un método que comprende usar electricidad estática en el momento de integrar fibras cortas de carbono, un método que comprende usar aire rectificado, y un método que comprende ajustar la velocidad de absorción de una cinta transportadora en combinación en el método en seco. En el método en húmedo, un método que comprende prevenir la re-agregación de fibras cortas de carbono dispersas por ondas de ultrasonidos o similares, un método que comprende ajustar una velocidad de filtración, un método que comprende ajustar el diámetro de red de una cinta transportadora, y un método que comprende ajustar la velocidad de absorción de una cinta transportadora puede usarse en combinación.
Cuando se usa el método en húmedo, por ejemplo, puede usarse un aparato que produce una red ilustrado en la Fig. 1. Aunque las explicaciones del aparato que produce una red ilustrado en la Fig. 1 se describen más tarde, el peso de las fibras cortas de carbono por unidad de la red resultante pueden ajustarse ajustando la concentración a la que el aparato de producción se carga con fibras de carbono cortadas como una materia prima para la producción de la red.
Además, el peso de las fibras cortas de carbono por unidad de área puede ajustarse también ajustando el caudal (flujo) de un líquido de dispersión y la velocidad de una cinta transportadora de malla. Por ejemplo, aumentando el caudal del líquido de dispersión manteniéndose la velocidad de la cinta transportadora constante, puede aumentarse el peso de fibras cortas de carbono por unidad de área de la red resultante. Contrariamente, disminuyendo el caudal del líquido de dispersión manteniéndose la velocidad de la cinta transportadora de malla constante, puede disminuirse el peso de las fibras cortas de carbono por unidad de área de la red resultante.
Además, ajustando la velocidad de la cinta transportadora de malla con respecto al caudal del líquido de dispersión, puede controlarse la dirección de orientación de las fibras cortas de carbono. Por ejemplo, aumentando la velocidad de la cinta transportadora de malla con respecto al caudal del líquido de dispersión, las fibras cortas de carbono en la red resultante se orientan fácilmente en la dirección de absorción de la cinta transportadora de malla. Por consiguiente, las redes de fibras cortas de carbono con fibras cortas de carbono dispuestas en varios estados pueden producirse ajustando varias condiciones de operación en el aparato que produce la red ilustrado en la Fig. 1.
Preferiblemente la red de fibras cortas de carbono en la base de fibras de carbono se proporciona en una o ambas de las superficies de una capa de fibras de carbono continua en la base de fibras de carbono de manera que el espesor de una capa formada por una red de fibras cortas de carbono en un producto moldeado obtenido sometiendo a moldeo con calor y presión a un preimpregnado formado impregnando la base de fibras de carbono con una resina matriz es 60 |jm o menos. El espesor de la capa formada por una red de fibras cortas de carbono en el producto moldeado después del moldeo con calor y presión es más preferiblemente 50 jm o menos, más preferiblemente 40 jm o menos. Cuando el espesor de esta capa es 60 jm o menos, se inhibe que la capa intermedia se vuelva una capa frágil, de manera que puede conseguirse una excelente tenacidad a la fractura interlaminar y una excelente conductividad del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante mientras se retiene la resistencia interlaminar.
El método para medir un espesor de la capa formada por una red de fibras cortas de carbono no está particularmente limitado. Por ejemplo, el espesor puede medirse observando microscópicamente la sección transversal de un producto moldeado obtenido sometiendo a un preimpregnado a moldeo con calor y presión. Aquí, la observación microscópica puede realizarse directamente observando la sección transversal del producto moldeado, o incrustando el producto moldeado con una resina termoendurecible, y puliendo y después observando la sección transversal.
El peso por unidad de área de la red de fibras cortas de carbono es preferiblemente 1 a 10 g/m2, más preferiblemente 2 a 8 g/m2, más preferiblemente 3 a 6 g/m2. Cuando el peso por unidad de área de la red de fibras cortas de carbono está en el intervalo mencionado anteriormente, se proporcionan la formación de rutas de suficiente conductividad debido a la formación de los puentes de fibra y un efecto de refuerzo interlaminar, y puede inhibirse que la resistencia estática se reduzca aunque la capa intermedia se vuelva una capa frágil. La capacidad de funcionamiento de un proceso de producción de una red de fibras cortas de carbono y una etapa de disposición de una red de fibras cortas de carbono en una capa de fibras de carbono continua puede mantenerse de forma apropiada.
El diámetro de fibra promedio de las fibras cortas de carbono que forman la red de fibras cortas de carbono está preferiblemente en un intervalo de 1 a 20 pm, más preferiblemente en un intervalo de 3 a 15 pm. Cuando la longitud de fibra promedio de las fibras cortas de carbono está en este intervalo, la resistencia de la red de fibras cortas de carbono se retiene, la resistencia estática del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante se suprime, y se alcanza una excelente tenacidad a la fractura interlaminar.
Preferiblemente los monofilamentos de fibras cortas de carbono que forman la red de fibras cortas de carbono se unen con una resina aglutinante. Consecuentemente, las características de manejo y productividad de la red de fibras cortas de carbono se mejoran, y la estructura de red de fibras cortas de carbono en la red se forma de manera satisfactoria.
El tipo de la resina aglutinante no está particularmente limitado. Por ejemplo, una resina termoplástica tal como poli(alcohol de vinilo), un copolímero de etileno-propileno, un copolímero de etileno-acetato de vinilo, poli(cloruro de vinilo), poli(cloruro de vinilideno), poli(acetato de vinilo), una resina de policarbonato, una resina basada en estireno, una resina basada en poliamida, una resina basada en poliéster, una resina de poli(sulfuro de fenileno), una resina de polifenilenéter modificada, una resina de poliacetal, una resina de polieterimida, una resina de polipropileno, una resina de polietileno, una fluororesina, una resina acrílica termoplástica, una resina de poliéster termoplástica, una resina de poliamidimida termoplástica, un copolímero de acrilonitrilo-butadieno, un copolímero de estireno-butadieno o un copolímero de acrilonitrilo-estireno-butadieno, o una resina termoendurecible tal como una resina de uretano, una resina de melamina, una resina de urea, una resina acrílica termoendurecible, una resina de fenol, una resina epoxi o un poliéster termoendurecible se usa preferiblemente.
Como la resina aglutinante, una resina termoplástica se usa más preferiblemente desde el punto de vista de la retención de la forma de la red de fibras cortas de carbono. Una resina termoplástica que tiene al menos un grupo funcional seleccionado de un grupo epoxi, un grupo carboxilo, un anhídrido de ácido, un grupo amino y un grupo imina se usa preferiblemente desde el punto de vista de las propiedades dinámicas del material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante. Estas resinas aglutinantes pueden usarse solas o en combinación de dos o más de las mismas.
La resina matriz a usar para la formación del preimpregnado de la presente invención o la formación del material compuesto reforzado con fibra de carbono de la presente invención no está particularmente limitada. Como la resina matriz, puede usarse o bien una resina termoendurecible o una resina termoplástica. Una resina termoendurecible, particularmente una resina epoxi se usa preferiblemente desde el punto de vista de las propiedades de impregnación de la resina en las fibras de carbono y las propiedades dinámicas del material compuesto reforzado con fibras de carbono. Además puede usarse una resina epoxi sola, un copolímero de una resina epoxi y otra resina termoendurecible, un producto modificado de los mismos, y una mezcla de estas resinas.
Ejemplos de la resina termoendurecible a copolimerizar con una resina epoxi incluyen resinas de poliéster insaturadas, resinas de viniléster, resinas de benzoxacina, resinas de fenol, resinas de urea, resinas de melamina y poliimida.
Ejemplos de la resina epoxi incluyen resinas epoxi tipo glicidiléter, resinas epoxi tipo glicidilamina, resinas epoxi tipo glicidiléster y resinas epoxi cicloalifáticas.
Ejemplos de la resina epoxi tipo glicidiléter incluyen resinas epoxi tipo bisfenol A, resinas epoxi tipo bisfenol F, resinas epoxi tipo bisfenol AD, resinas epoxi tipo bisfenol A halogenado, resinas epoxi tipo bisfenol S, resinas epoxi tipo resorcinol, resinas epoxi tipo bisfenol A hidrogenadas, resinas epoxi alifáticas, resinas epoxi tipo fenol novolak, resinas epoxi tipo cresol novolak, resinas epoxi tipo naftaleno, resinas epoxi tipo bifenilo, resinas epoxi tipo bifenilaralquilo y resinas epoxi tipo diciclopentadieno.
Ejemplos de la resina epoxi tipo glicidiléster incluyen glicidilésteres de ácido hexahidroftálico y diglicidiléteres de ácidos dímeros.
Los ejemplos de la resina epoxi tipo glicidilamina incluyen isocianurato de triglicidilo, tetraglicidil-diaminodifenilmetano, tetraglicidil-meta-xilenodiamina y resinas epoxi tipo aminofenol. El tetraglicidil-diaminodifenilmetano es excelente en resistencia al calor, y se usa especialmente por lo tanto preferiblemente como una composición de resina epoxi para una resina matriz de un material compuesto reforzado con fibra de carbono que se usa para un material estructural de avión o similares.
Ejemplos de la resina epoxi cicloalifática incluyen carboxilato de 3,4-epoxi-6-metilciclohexilmetilo y carboxilato de 3,4-epoxiciclohexilmetilo.
Estas resinas epoxi pueden usarse solas o como una mezcla de dos o más de las mismas. Una composición de resina epoxi que contiene al menos una resina epoxi difuncional y una resina epoxi tri o más funcional tiene tanto fluidez específica de la resina como resistencia al calor después del curado, y por lo tanto se usa preferiblemente. Una composición de resina epoxi que contiene al menos una de resinas epoxi que son líquidas a temperatura normal y al menos una de resinas epoxi que son sólidas a temperatura normal pueden dar propiedades de pegajosidad y cobertura apropiadas a un preimpregnado, y se usa por lo tanto preferiblemente.
La resina epoxi se usa con un agente de curado mezclado en ella. El agente de curado es un compuesto que tiene un grupo activo capaz de reaccionar con un grupo epoxi. Los ejemplos del agente de curado incluyen varias clases de isómeros de diciandiamida, diaminofenilmetano y diaminodifenilsulfona, ésteres de ácido aminobenzoico, varias clases de anhídridos, resinas de fenol novolak, resinas de cresol novolak, compuestos de polifenol, derivados de imidazol, aminas alifáticas, tetrametilguanidina, aminas de adición de tiourea, anhídridos carboxílicos tales como anhídrido metilhexahidroftálico, hidrazida de ácido carboxílico, amida de ácido carboxílico, polimercaptano, y complejos de ácido de Lewis tal como complejo de trifluoruro de boro etilamina.
Cuando se usa una diamina aromática como un agente de curado, se obtiene un producto curado de resina epoxi que tiene una resistencia al calor apropiada. De forma particular, se usan preferiblemente varias clases de isómeros de diaminodifenilsulfona porque se obtiene un producto curado de resina epoxi que tiene resistencia al calor apropiada.
Cuando se usa un agente de curado formado por una combinación de diciandiamida como un agente de curado y un compuesto de urea, por ejemplo, 3,4-diclorofenil-1,1 -dimetilurea, como un acelerador de curado, o un agente de curado formado por un imidazol, se da una reacción de curado a una temperatura relativamente baja y la resina curada tiene alta resistencia al calor y resistencia al agua. Curando una resina epoxi usando un anhídrido de ácido, puede obtenerse un producto curado que tiene una baja velocidad de absorción de agua en comparación con el curado con un compuesto amina. Además, una forma latente de estos agentes de curado, por ejemplo una forma microcapsulada es excelente en la estabilidad de almacenaje de la resina, de manera que la propiedad de pegajosidad y cobertura de la resina se cambian difícilmente incluso cuando la resina se deja estar a temperatura ambiente.
La cantidad añadida del agente de curado varía dependiendo de un tipo de la resina epoxi y el agente de curado. Por ejemplo, en el caso de un agente de curado de amina aromática, se prefiere añadir el agente de curado en una cantidad estequiométricamente equivalente, aunque empleando una relación equivalente de 0,7 a aproximadamente 0,8, una resina que tiene un alto módulo elástico se obtiene en comparación con un caso donde el agente de curado se usa en una cantidad equivalente. Estos agentes de curado pueden usarse solos, o usarse en combinación de dos o más de los mismos.
Una resina epoxi y un agente de curado, o un producto obtenido haciendo reaccionar de forma preliminar una parte de la resina epoxi y el agente de curado pueden mezclarse también en una composición de resina. Este método puede ser efectivo para el ajuste de la viscosidad y la mejora de la estabilidad de almacenaje.
Una composición de resina con una resina termoplástica mezclada con o disuelta en una resina epoxi preferiblemente se usa también. Ejemplos de la resina termoplástica preferida a usar para la composición de resina incluyen resinas termoplásticas que tienen en una cadena principal un enlace seleccionado del grupo que consiste en un enlace carbono-carbono, un enlace amida, un enlace imida, un enlace éster, un enlace éter, un enlace carbonato, un enlace uretano, un enlace tioéter, un enlace sulfona y un enlace carbonilo, o un grupo hidroxilo alcohólico. La resina termoplástica puede tener en parte una estructura reticulada. La resina termoplástica puede tener cristalinidad o puede ser amorfa.
En particular, preferiblemente al menos una resina seleccionada del grupo que consiste en una resina de polivinilacetal tal como polivinilformal o polivinilbutiral, poli(alcohol de vinilo), una resina fenoxi, poliamida, policarbonato, poliacetal, poli(óxido de fenileno), poli(sulfuro de fenileno), poliarilato, poliéster, poliamidaimida, poliimida, polieterimida, poliimida que tiene una estructura de feniltrimetilindano, polisulfona, polietersulfona, polietercetona, polieter-etercetona, poliaramida, polieternitrilo y polibenzimidazol se mezcla con o se disuelve en una resina epoxi.
Como la resina termoplástica mencionada anteriormente, puede usarse un polímero disponible comercialmente, o puede usarse un oligómero, que tiene un peso molecular menor que el de un polímero disponible comercialmente. Como el oligómero, se prefiere un oligómero que tenga un grupo funcional, que pueda reaccionar con una resina epoxi, en un extremo o en una cadena de la molécula.
Una mezcla de una resina epoxi y una resina termoplástica puede tener mejores características de resina en comparación con un caso donde la resina epoxi y la resina termoplástica se usen de forma individual. La mezcla puede ser una resina con base bien equilibrada en que la tenacidad de la resina termoplástica compensa la fragilidad de la resina epoxi y la resina epoxi compensa la dificultad de moldeo de la resina termoplástica.
Preferiblemente la resina epoxi, el agente de curado y la resina termoplástica, etc., se usan como una composición de resina epoxi amasada por adelantado. Preferiblemente la composición de resina epoxi se prepara calentando uniformemente y amasando los componentes distintos de un agente de curado y un acelerador de curado a una temperatura de aproximadamente 150°C, enfriando la mezcla a una temperatura a la que una reacción de curado es difícil que continúe, añadiendo después el agente de curado y el acelerador de curado, y amasando la mezcla, aunque el método de mezcla de los componentes no está limitado a este método.
Ejemplos del método para formar un material de moldeo combinando la base de fibras de carbono de la presente invención con una resina matriz incluyen un método que comprende formar un material de moldeo mientras se impregna la base de fibras de carbono con una resina matriz durante el moldeo del material de moldeo, y un método que comprende impregnar la base de fibras de carbono con una resina matriz por adelantado, y formar un material de moldeo usando la base de fibras de carbono impregnada con la resina matriz.
Ejemplos del método para moldear un material de moldeo combinando una composición de resina epoxi como una resina matriz con la base de fibras de carbono durante el moldeado del material de moldeo incluyen un método manual, un método por pulverizado, un método de moldeo por transferencia de resina y un método por infusión de película de resina. Ejemplos del método para formar un material de moldeo impregnando la base de fibras de carbono con una composición de resina epoxi por adelantado incluyen un método que comprende realizar el moldeo usando un preimpregnado con la base de fibras de carbono impregnada con una composición de resina epoxi como la resina matriz.
El método manual es un método que comprende montar la base de fibras de carbono por adelantado en un molde de acuerdo con la forma del molde, impregnar la base de fibras de carbono montada con una resina con brocha o un rodillo, y laminar de forma secuencial la base de fibras de carbono hasta un espesor predeterminado mientras se desespuma la base de fibras de carbono, seguido curando la resina en el molde.
El método por pulverizado es un método que comprende pulverizar una resina de acuerdo con la forma de molde de un molde usando una máquina de pulverizado mientras se corta la base de fibras de carbono a una longitud apropiada, y se cura la resina en el molde después de la consecución de un espesor predeterminado.
El método de moldeo por transferencia de resina (RTM) es un método que comprende montar la base de fibras de carbono en un molde de acuerdo con la forma del molde por adelantado, sujetar el molde, después inyectar una resina en el molde cerrado para impregnar la base de fibras de carbono alojada en el molde con la resina, y curar la resina en el molde. Preferiblemente el molde y la resina se calientan por adelantado. La temperatura a la que el molde y la resina se calientan se determina a partir de una relación entre la viscosidad inicial y el aumento de la viscosidad de la resina, y está preferiblemente en un intervalo de 40 a 70°C, más preferiblemente en un intervalo de 50 a 60°C, desde el punto de vista de las propiedades de impregnación de la resina en la base de fibras de carbono.
En el método de RTM, se usan preferiblemente bases de fibra de carbono procesadas en formas tales como aquellas de una estera, una tela tejida, un tejido de punto, una trenza, y una lámina con fibras de carbono continuas alineadas en una dirección. Entre ellas, se usan preferiblemente las bases de fibra de carbono en forma de una tela tejida, de las que se obtiene fácilmente un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tiene un alto contenido de fibra de carbono y que son excelentes en las características de manejo.
En el método de RTM, por ejemplo, se proporciona un moldeo que tiene una pluralidad de entradas de resina, y una resina se inyecta en el molde a través de la pluralidad de entradas en paralelo o en sucesión en momentos diferentes, y de esta forma, se prefiere seleccionar de forma apropiada las condiciones de moldeo dependiendo de un material compuesto reforzado con fibras de carbono a obtener puesto que puede obtenerse un grado de libertad tal que puede gestionarse el moldeo de productos moldeados que tienen varias formas y tamaños. El número y forma de entradas no está limitado, pero para poderse inyectar la resina en un corto tiempo, cuanto mayor sea el número de entradas, mejor, y se prefiere disponer las entradas en posiciones que permitan que se reduzca la longitud de flujo de la resina dependiendo de una forma de un producto moldeado.
En el método de RTM, la presión de inyección de una composición de resina es normalmente 0,1 a 1,0 MPa, puede usarse también un método VaRTM (moldeo de transferencia de resina asistida por vacío) que comprende evacuar el interior de un molde e inyectar una resina en el molde, aunque en este caso, la presión de inyección es preferiblemente 0,1 a 0,6 MPa desde el punto de vista del tiempo de inyección y economía de equipo. Incluso cuando se realiza la inyección a presión, se prefiere evacuar el interior de un molde antes de inyectar una composición de resina porque se suprime la generación de huecos.
El método de infusión de película de resina es un método que comprende situar una base de fibras de carbono y una película de resina no curada en un molde cerrado, calentar todo el molde para fundir la resina, después descomprimir el interior del molde y aplicar una presión desde el exterior para impregnar la base de fibras de carbono con la resina, y calentar el molde para curar la resina.
El preimpregnado de la presente invención es uno en que una parte o toda la base de fibras de carbono de la presente invención formado disponiendo una red de fibras cortas de carbono en una o ambas superficies de una capa de fibra de carbono continua formada por fibras de carbono continuas se impregna con una resina matriz.
Un estado en que una parte o toda la base de fibras de carbono se impregna con una resina matriz se crea de la siguiente manera: una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas se impregna con una resina matriz, y una red de fibras cortas de carbono se une después a una o ambas superficies de la capa de fibra de carbono continua impregnada con la resina matriz.
Un estado en que una parte o toda la base de fibras de carbono se impregna con una resina matriz puede crearse de la siguiente manera: una capa de fibras de carbono continua formada de fibras de carbono continuas se impregna con una resina matriz, y una red de fibras cortas de carbono impregnada con una resina matriz, o una red de fibras cortas de carbono, a la que está unida una película de resina matriz, se une después a una o ambas superficies de la capa de fibras de carbono continua impregnada con la resina matriz.
Además, un estado en que una parte o toda la base de fibras de carbono se impregna con una resina matriz puede crearse de la siguiente manera: una base de fibras de carbono obtenida disponiendo una red de fibras cortas de carbono en una o ambas superficies de una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas se impregna con una resina matriz.
Ejemplos del método para la impregnación de una resina matriz incluyen un método en húmedo que comprende disolver una resina matriz en un disolvente tal como metiletilcetona o metanol para reducir la viscosidad, e impregnar la disolución, y un método de fusión en caliente (método en seco) que comprende calentar una resina matriz para reducir la viscosidad, e impregnar la resina matriz.
El método en húmedo es un método que comprende sumergir fibras de carbono en una disolución de una resina matriz, y después sacar las fibras de carbono, y evaporar el disolvente usando un horno o similar. El método de fusión en caliente es un método que comprende impregnar las fibras de carbono directamente con una resina matriz, cuya viscosidad se reduce por calentamiento, o un método que comprende preparar una película de resina formada recubriendo una lámina tal como un papel adherente con una resina matriz, y superponer la película de resina formada en ambas superficies o una superficie de una base de fibras de carbono, y aplicar calor y una presión para impregnar las fibras de carbono con la resina. El método de fusión en caliente se prefiere porque esencialmente no permanece disolvente en un preimpregnado.
La cantidad de fibras de carbono por unidad de área en el preimpregnado de la presente invención es preferiblemente 60 a 2000 g/m2 Cuando la cantidad de fibras de carbono es menor que 60 g/m2, el número de preimpregnados laminados debería aumentarse para obtener un espesor predeterminado en el momento del moldeo de un material compuesto reforzado con fibras de carbono, de manera que las operaciones de moldeo pueden ser complicadas. Cuando la cantidad de fibras de carbono es más de 2000 g/m2, la propiedad de cobertura del preimpregnado tiende a deteriorarse.
El contenido en volumen de fibras en el preimpregnado de la presente invención es preferiblemente 45 a 85% en volumen, más preferiblemente 50 a 80% en volumen. Cuando el contenido en volumen de fibras es menor que 45% en volumen, la cantidad de resina puede ser demasiado grande para obtener una ventaja de un material compuesto reforzado con fibras de carbono excelente en resistencia específica y módulo elástico específico. Además, la velocidad de generación de calor durante el curado de una resina puede volverse excesivamente alta en el momento de moldear un material compuesto reforzado con fibras de carbono. Cuando el contenido en volumen de fibras es más de 85% en volumen, puede darse el fallo de impregnación de una resina, llevando a la generación de un gran número de huecos en el material compuesto reforzado con fibras de carbono.
Cuando el material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención se produce usando el preimpregnado de la presente invención, el material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención puede producirse dando forma al preimpregnado en una forma deseada o laminando el preimpregnado, y después sometiendo al producto o laminado conformado deseado a moldeo con calor y presión. Aquí, moldeo con calor y presión significa que una resina se calienta y se cura mientras se aplica una presión.
Cuando el material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención se moldea usando el preimpregnado, el número de preimpregnados de la presente invención laminados se determina dependiendo de las propiedades necesarias. Es decir, cuando el uso de un preimpregnado de la presente invención es suficiente, el número de preimpregnados de la presente invención puede ser uno. Cuando el material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención se moldea usando el preimpregnado, el preimpregnado de la presente invención y otro preimpregnado, pueden usarse en combinación, por ejemplo un preimpregnado que incluye una capa formada por fibras de carbono continuas impregnada con una resina matriz en que la red de fibras cortas de carbono de la presente invención no está presente.
Ejemplos del método de moldeo con calor y presión a usar para producir un material compuesto reforzado con fibras de carbono que usa un preimpregnado incluyen un método de moldeo por compresión, un método de moldeo con autoclave, un método de moldeo por intervención, método de cinta de embalaje y un método de moldeo con presión interna.
El método de la cinta de embalaje es un método que comprende enrollar un preimpregnado alrededor de una barra hueca tal como un mandril para moldear un artículo tubular formado por un material compuesto reforzado con fibras de carbono. Este método se usa para preparar artículos con forma de barra tal como varillas de palo de golf y cañas de pescar. Más específicamente, este método es un método que comprende enrollar un preimpregnado alrededor de un mandril, enrollar una cinta de embalaje formada por una película termoplástica alrededor del exterior del preimpregnado para fijar el preimpregnado y aplicar una presión al preimpregnado, y calentar y curar la resina en un horno, seguido por la eliminación del mandril para obtener un artículo tubular.
El método de moldeo por presión interna es un método que comprende enrollar un preimpregnado alrededor de un cuerpo de aplicación de presión interna tal como un tubo hecho de resina termoplástica, ajustar la preforma enrollada alrededor del cuerpo de aplicación de presión interna en un molde, y después introducir un gas de alta presión en el cuerpo de aplicación de presión interna para aplicar una presión y calentar de forma simultánea el molde para moldear un artículo tubular, etc., formado por un material compuesto reforzado con fibras de carbono. Este método se usa para moldear artículos con formas complicadas, tal como raquetas de tenis, bádminton y similares, además de artículos tubulares tales como el cuadro de la bicicleta, varillas de los palos de golf y bates.
Un material compuesto reforzado con fibras de carbono obtenido proporcionando un preimpregnado de la presente invención o un laminado que incluye una pluralidad de preimpregnados de la presente invención, seguido por el sometimiento del preimpregnado o el laminado a moldeo con calor y presión tiene una capa formada mediante una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas y una red de fibras cortas de carbono. El contenido en volumen de fibras en la capa de fibras de carbono continua es preferiblemente de 50 a 85% en volumen. El contenido en volumen de fibras en la capa formada a partir de una red de fibras cortas de carbono es preferiblemente de 5 a 30% en volumen.
Cuando el contenido en volumen de fibras en la capa de fibras de carbono continua es menos de 50% en volumen, la cantidad de resina puede ser excesivamente grande para hacer difícil el obtener un material compuesto reforzado con fibras de carbono excelente en la resistencia específica y módulo elástico específico. Además, la velocidad de generación de calor durante el curado de una resina puede volverse excesivamente alta en el momento del moldeo de un material compuesto reforzado con fibras de carbono. Cuando el contenido en volumen de fibras es más de 85% en volumen, puede darse un fallo de impregnación de una resina en fibras de carbono, de manera que el material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante puede tener un gran número de huecos.
Cuando el contenido en volumen de fibras en la capa formada por una red de fibras cortas de carbono es menos de 5% en volumen, la estructura de red de fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono no se obtiene de forma adecuada, y por lo tanto disminuye la resistencia interlaminar, llevando a la existencia de una capa frágil. Por consiguiente, la resistencia estática del material compuesto reforzado con fibras de carbono puede reducirse. Además, puede ser difícil formar puentes de fibra, llevando a una reducción en la tenacidad a la fractura interlaminar y conductividad. Cuando el contenido en volumen de fibras en la capa formada por una red de fibras cortas de carbono es más del 30% en volumen, puede darse un fallo de impregnación de resina, de manera que el material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante puede tener un gran número de huecos.
Un material compuesto reforzado con fibras de carbono moldeado usando al menos una base de fibras de carbono de la presente invención tiene excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad. Como el material compuesto reforzado con fibras de carbono es excelente en la tenacidad a la fractura interlaminar, es también excelente en resistencia al impacto para el impacto desde el exterior, y particularmente tiene alta resistencia a la compresión después del impacto (CAI). La alta resistencia a la compresión después del impacto (CAI) es una propiedad importante para el uso como un componente estructural para aviones.
Un material compuesto reforzado con fibras de carbono moldeado usando la base de fibras de carbono de la presente invención se usa de forma adecuada en aplicaciones deportivas, aplicaciones industriales generales y aplicaciones aeroespaciales. Más específicamente, en cuanto a aplicaciones deportivas, el material compuesto reforzado con fibras de carbono se usa de forma adecuada en aplicaciones de cuadros de bicicleta, bates, varillas de palo de golf, cañas de pescar, raquetas para tenis y bádminton, palos de hockey, etc., y bastón de esquí. En cuanto a aplicaciones industriales generales, el material compuesto reforzado con fibras de carbono se usa de forma adecuada para materiales estructurales de cuerpos móviles tales como automóviles, embarcaciones y vehículos ferroviarios, ejes de transmisión, ballestas, aspas de molinos de viento, vasos de presión, volantes, rodillos para fabricación de láminas, materiales de cubierta, cables, componentes de dispositivos electrónicos tales como bandejas IC y cajas (armazones) de ordenadores portátiles, y materiales de reparación y refuerzo, etc. En cuanto a aplicaciones aeroespaciales, el material compuesto reforzado con fibras de carbono se usa de forma adecuada para materiales estructurales de aviones, cohetes y satélites artificiales, etc.
Después, la presente invención se describirá más en detalle por medio de los ejemplos, aunque la presente invención no se limita a estos ejemplos. Los métodos para la medida de varias clases de propiedades físicas y métodos para la preparación de redes y preimpregnados son como se describen a continuación. Estas propiedades físicas son las medidas en un medio a una temperatura de 23°C y una humedad relativa de 50% a menos que se especifique otra cosa.
(1) Medida de longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono contenidas en la red de fibras cortas de carbono:
Una red de fibras cortas de carbono se quitó de una base de fibras de carbono, y la red de fibras cortas de carbono extraída se puso en agua y se agitó para dispersar las fibras cortas de carbono. El líquido de dispersión obtenido se separó por filtración para recoger fibras cortas de carbono en un papel de filtro. De las fibras cortas de carbono presentes en el papel de filtro, se extrajeron aleatoriamente 400 fibras cortas de carbono, las longitudes de las fibras cortas de carbono se midieron en el orden de 1 pm con un microscopio óptico, y se calculó la longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono.
(2) Evaluación de dispersibilidad de monofilamentos en la red de fibras cortas de carbono:
La red de fibras cortas de carbono dispuesta en la superficie de la base de fibras de carbono se observó con un microscopio digital, y se seleccionaron aleatoriamente 100 fibras cortas de carbono de las mismas. Cuando 90 fibras cortas de carbono o más (es decir, 90% o más) de las 100 fibras cortas de carbono seleccionadas se dispersaron en el estado de monofilamentos, se consideró que las fibras cortas de carbono se dispersaron en forma de monofilamentos. Cuando el número de fibras cortas de carbono dispersas en el estado de monofilamentos, entre las 100 fibras cortas de carbono seleccionadas, fue menos que 90 (es decir, menos del 90%), se consideró que las fibras cortas de carbono no se dispersaban en forma de monofilamentos.
(3) Evaluación de la propiedad de vuelta a la forma original:
Una red de fibras cortas de carbono se impregnó con una resina epoxi, y después se sometió a moldeo con calor y presión mediante una máquina de compresión a una presión superficial de 0,6 MPa a una temperatura de 150°C durante 30 minutos. Un espesor de la red de fibras cortas de carbono después del moldeo con calor y presión se midió mediante un micrómetro, y un valor del espesor obtenido se definió como t3. Por otro lado, la red de fibras cortas de carbono después del moldeo con calor y presión se calentó en un horno eléctrico a una temperatura de 500°C durante 2 horas para quemar la resina epoxi contenido en las fibras cortas de carbono. Un espesor de la red de fibras cortas de carbono después de quemar la resina se midió por medidor de desplazamiento láser LC-2100 (fabricado por KEYENCE CORPORATION.), y un valor del espesor obtenido se definió como t4. Cuando la relación de t4 > 1,5 x t3 (fórmula 3) se satisfizo, la re de fibras cortas de carbono se consideró que tenía una propiedad de vuelta a la forma original. Cuando esta relación no se satisfizo, la red de fibras cortas de carbono se consideró que no tenían propiedad de vuelta a la forma original.
(4) Medida del espesor de la capa formada por red de fibras cortas de carbono en producto moldeado:
Los preimpregnados se laminaron, y después se sometieron a moldeo con calor y presión en un autoclave bajo una presión de 0,6 MPa a una temperatura de 90°C durante 30 minutos, y después 135°C durante 120 minutos para obtener un producto moldeado. El producto moldeado obtenido se cortó, y después se incrustó con una resina epoxi, y la superficie cortada obtenida cortando el producto moldeado se pulió, y se observó microscópicamente. En la superficie cortada, el espesor de una capa formada de una red de fibras cortas de carbono se midió a 30 puntos, un promedio de los valores obtenidos se calculó, y el valor calculado se definió como un espesor de la capa formada de una red de fibras cortas de carbono.
(5) Prueba de flexión de grado 0 del material compuesto reforzado con fibras de carbono:
De acuerdo con las especificaciones de JIS-K7074, se preparó un trozo de prueba de un material compuesto reforzado con fibras de carbono que tiene una anchura de 15 mm, una longitud de 100 mm y un espesor de 2 mm, el trozo de prueba preparado se sometió a una prueba de flexión de grado 0 bajo condiciones que incluyen una velocidad de cruceta de 5 mm/minuto, una extensión de 80 mm, un radio penetrador de 5 mm y un radio del punto de apoyo de 2 mm usando el probador universal “ INSTRON” (fabricado por INSTRON) para evaluar el material compuesto reforzado con fibras de carbono.
(6) Prueba de tenacidad a la fractura interlaminar en modo de apertura (Glc) del material compuesto reforzado con fibras de carbono:
De acuerdo con las especificaciones de JIS-K7086, se realizó una prueba según los siguientes procedimientos (a) a (e).
(a) Una placa plana formada por un material compuesto reforzado con fibras de carbono con una película insertada en el centro, que tenía un espesor de 3 mm, se cortó en una anchura de 20 mm y una longitud de 195 mm para proporcionar un trozo de prueba.
(b) La parte insertada en la película del trozo de prueba se abrió con una herramienta de borde afilado tal como un cuchillo para introducir una rotura preliminar de 2 mm a 5 mm.
(c) Ambas superficies laterales del trozo de prueba se recubrieron con una pintura blanca para facilitar la observación del desarrollo de la rotura.
(d) Un bloque para la carga del perno (longitud: 25 mm, hecho de aluminio) se unió al extremo de un trozo de prueba (lado de inserción de la película).
(e) Una prueba de tenacidad a la fractura interlaminar en modo de apertura (Glc) se realizó usando probador universal INSTRON (fabricado por INSTRON). La velocidad de cruceta se ajustó como sigue: 0,5 mm/min hasta que el desarrollo de la rotura alcanzó 20 mm; y 1 mm/minuto después de que el desarrollo de rotura alcanzó 20 mm. Un valor de tenacidad a la fractura interlaminar en modo de apertura (GIc) en el proceso del desarrollo de la rotura se calculó a partir de una carga, un desplazamiento y una longitud de rotura.
(7) Prueba de tenacidad a la fractura interlaminar en modo de cizalladura (GIIc) del material compuesto reforzado con fibras de carbono:
Usando un trozo de prueba según los procedimientos (6) (a) a (c), una prueba de tenacidad a la fractura interlaminar en modo de cizalladura (GIIc) se realizó usando un probador universal INSTRON (fabricado por INSTRON) de acuerdo con las especificaciones de JIS-K7086. La prueba se realizó en condiciones que incluyen una velocidad de cruceta de 0,5 mm/minuto, una extensión de 100 mm, un radio de penetrador de 5 mm y un radio de punto de apoyo de 2 mm, y el trozo de prueba se ajustó de manera que el punto de apoyo estuvo a una posición de 20 mm desde el extremo del trozo de prueba (lado de inserción de la película). Un valor de tenacidad a la fractura interlaminar en modo de cizalladura (GIIc) se calculó a partir de una carga y una longitud de rotura.
(8) Medida de conductividad en la dirección del espesor del material compuesto reforzado con fibras de carbono:
Una muestra que tiene una longitud de 20 mm y una anchura de 20 mm se cortó de una placa plana formada por un material compuesto reforzado con fibras de carbono, que tenía un espesor de 2 mm, y una pasta conductora “DOTITE (marca registrada)” D-550 (fabricada por Fujikura Kasei Co., Ltd.) se aplicó a ambas superficies de la muestra para preparar un trozo de prueba. El trozo de prueba obtenido se midió para la resistencia en una dirección del espesor, es decir una dirección perpendicular a la dirección de laminado mediante un método de dos extremos usando un Multímetro Digital R6581 (fabricado por Advantest Corporation), y una conductividad eléctrica se calculó para determinar un valor de conductividad en la dirección del espesor.
(9) Medida de resistencia a la compresión después del impacto (CAI) del material compuesto reforzado con fibras de carbono:
Un trozo de prueba rectangular que tiene una longitud de 150 mm y una anchura de 100 mm se cortó de un material compuesto reforzado con fibra laminada de 24 capas pseudo-isotrópico con la dirección longitudinal del trozo de prueba ajustado a un ángulo de orientación de la fibra de carbono de 0 grados, y un impacto por caída de peso de 20 J por 1 mm de espesor del trozo de prueba se aplicó al centro del trozo de prueba rectangular obtenido de acuerdo con las especificaciones de JIS-K7089 (1996), seguido por la medida de la resistencia a la compresión después del impacto (CAI) de acuerdo con las especificaciones de JIS-K7089 (1996). El número de muestras fue 5.
Los materiales usados en los ejemplos y ejemplos comparativos descritos a continuación son como sigue.
(1) Fibra de carbono CF1:
Fibra de carbono (“TORAYCA (marca registrada)” T700S-12K; fabricado por Toray Industries, Inc.; módulo elástico de tracción: 230 GPa; resistencia a la tracción: 4900 MPa).
(2) Fibra de carbono CF2:
Fibra de carbono (“TORAYCA (marca registrada)” T800S-24K; fabricado por Toray Industries, Inc.; módulo elástico de tracción: 294 GPa; resistencia a la tracción: 5490 MPa).
(3) Base de fibra FB1:
Las fibras de carbono CF2 se alinearon a una densidad de 1,8 fibras/cm como urdimbres, y haces de fibra de vidrio ECE225-1/0-1Z (fabricado por Nitto Boseki Co.; Ltd.; número de filamentos: 200; finura: 22,5 tex) se alinearon a una densidad de 1,8 fibras/cm como urdimbres auxiliares dispuestas en paralelo a las urdimbres y de una manera alterna, proporcionando así una lámina de fibra unidireccional con estas urdimbres dispuestas en una dirección.
Como tramas, se proporcionaron haces de fibra de poliamida. Las tramas proporcionadas se tejieron para cruzar las urdimbres auxiliares usando un telar de manera que las tramas se dispusieron en una densidad de 3 fibras/cm en una dirección ortogonal a las urdimbres de la lámina de fibra unidireccional, preparando así una tela tejida con las urdimbres: fibras de carbono CF2 como un cuerpo principal.
Esta tela tejida se denomina normalmente una tela unidireccional. En esta tela tejida unidireccional, las fibras de carbono CF2 (urdimbres) se disponen en una dirección y se disponen en esencialmente el mismo plano, y por lo tanto las fibras de carbono CF2 están esencialmente libres de rizado. Por lo tanto, esta tela tejida unidireccional se denomina normalmente una tela sin rizado unidireccional. Las relaciones de la finura de la trama y la urdimbre auxiliar a la finura de la trama en la tela tejida son cada una de 2,2%.
(4) Resina epoxi ER1:
En un amasador se añadieron 50 partes en masa de “EPICLON (marca registrada)” 830 (resina epoxi tipo bisfenol F; equivalente epoxi: 173; fabricado por DIC Corporation), 30 partes en masa de “jER (marca registrada)” 1007 (resina epoxi tipo bisfenol A; equivalente epoxi: 1975; fabricado por Mitsubishi Chemical Corporation), 20 partes en masa de “EPLICON (marca registrada)” HP7200L (resina epoxi tipo diciclopentadieno; equivalente epoxi: 250; fabricado por DIC Corporation) y 2 partes en masa de VINYLe C K (polivinilformal; fabricado por CHISSO CORPORATION), y la mezcla se calentó a una temperatura de 160°C mientras se amasaba, y se amasó a una temperatura de 160°C durante 1 hora para obtener un líquido viscoso transparente.
El líquido viscoso se enfrió a una temperatura de 60°C mientras se amasaba, se añadieron 4 partes por masa de DICY7T (diciandiamida; fabricado por Mitsubishi Chemical Corporation) como una agente de curado y 3 partes por masa de DCMU99 (3-(3,4-diclorofenil-1,1-dimetilurea; fabricado por Ho Do GAYA CHEMICAL CO., LTD.), y la mezcla se amasó para obtener una resina epoxi ER1.
(5) Película de resina RF1 y película de resina RF2:
Usando un recubridor por rodillo invertido, la resina epoxi ER1 se aplicó en un papel adherente para preparar una película de resina RF1 que tenía un peso por unidad de área de 38 g/m2 y una película de resina RF2 que tenía un peso por unidad de área de 20 g/m2.
(6) Lámina de preimpregnado unidireccional PS1:
Las fibras de carbono CF1 se dispusieron en forma de una lámina en una dirección de manera que el peso por unidad de área fue 150 g/m2, proporcionando así una lámina de fibra de carbono. La película de resina RF1 se superpuso en cada una de una superficie y la otra superficie de la lámina de fibra de carbono proporcionada, y se calentó y presurizó para impregnar la lámina de fibra de carbono con una resina epoxi formando la película de resina RF1, preparando así una lámina de preimpregnado unidireccional PS1 que tenía un contenido en volumen de fibra de 57%. La lámina de preimpregnado unidireccional PS1 es una lámina de preimpregnado que se forma a partir de una capa de fibras de carbono continua formada de fibras de carbono continuas (fibras de carbono CF1) y la resina epoxi e R1 impregnada en ella y que no tiene una capa de red de fibras cortas de carbono.
(7) Red de fibras cortas de carbono SFW:
Las fibras de carbono CF1 se cortaron a una longitud predeterminada con un cortador de cartucho para preparar fibras de carbono cortadas (fibras cortas de carbono). Se preparó una dispersión que incluía agua y un tensioactivo (Polioxietilenlauriléter (nombre comercial), fabricado por nacalai tesque, Inc.) y que tenía una concentración de tensioactivo de 0,1% en masa. A partir de la dispersión y las fibras de carbono cortadas, se preparó una red de fibras cortas de carbono SFW usando un aparato que produce una red de fibras cortas de carbono ilustrado en la Fig. 1.
En la Fig. 1, el aparato que produce una red de fibras cortas de carbono 1 incluye un tanque de dispersión 2, un tanque de fabricación de lámina 3, una cinta transportadora de malla 4 y una cinta transportadora de distribución 5. El tanque de dispersión 2 incluye en la parte superior del mismo una abertura de suministro de fibra de carbono cortada 21 para suministrar las fibras de carbono cortadas (fibras cortas de carbono) CCF al tanque de dispersión 2. Una tubería de suministro de medio de dispersión 22 está unida en la parte superior del tanque de dispersión 2, y una tubería de descarga de dispersión 23 está unida a la parte inferior del tanque de dispersión 2. Un agitador 24 se proporciona en el tanque de dispersión 2. La tubería de descarga de dispersión 23 se proporciona con un grifo de apertura/cierre 25.
El final corriente abajo de la tubería de descarga de dispersión 23 está abierto al tanque de fabricación de lámina 3. La superficie inferior del tanque de fabricación de lámina 3 está abierta a la superficie superior de la cinta transportadora de malla 4. Una superficie de la cinta transportadora de malla 4 en un lado contrario al tanque de fabricación de lámina 3 está abierta hacia un aparato de succión 41. La cinta transportadora de distribución 5 se proporciona de manera que tiene una relación con la cinta transportadora de malla 4 de manera que recoge una red distribuida por la cinta transportadora de malla 4 y después distribuye la red.
Para producir la red de fibras cortas de carbono SFW que usa el aparato que produce la red de fibras cortas de carbono 1, se usó un recipiente cilíndrico que tiene un diámetro de 1000 mm como el tanque de dispersión 2. La tubería de descarga de dispersión 23 que conecta el tanque de dispersión 2 y el tanque de fabricación de lámina 3 se proporcionó con una porción de transporte 23a que se extiende recta mientras que se inclina a un ángulo 0 de 30° con respecto al horizonte. La cinta transportadora de malla 4 proporcionada en el fondo del tanque de fabricación de lámina 3 era una cinta transportadora de malla que tenía una superficie de fabricación de lámina que tiene una anchura de 500 mm. Para formar fibras cortas de carbono en una lámina, la concentración de fibras de carbono cortadas (fibras cortas de carbono) CCF en una dispersión se ajustó para ajustar el peso de fibras cortas de carbono por unidad de área en la red de fibras cortas de carbono SFW resultante.
A una lámina de fibras cortas de carbono 51 obtenida formando fibras cortas de carbono en una lámina, una disolución de poli(alcohol de vinilo) acuoso de concentración predeterminada (KURARAY POVAL, fabricado por KURARAY CO., LTD) como un aglutinante se añadió en gotas para depositarse en una pequeña cantidad, y la lámina de fibras cortas de carbono 51 se secó en un horno de secado a una temperatura de 140°C durante 1 hora para producir una red de fibras cortas de carbono SFW.
(8) Lámina de preimpregnado PS2:
La red de fibras cortas de carbono SFW se dispone en la lámina de preimpregnado unidireccional PS1, y la primera y la última se unieron por presión la una a la otra con la temperatura elevada a 60°C para producir una lámina de preimpregnado PS2 con la red de fibras cortas de carbono SFW dispuestas en la lámina de preimpregnado unidireccional PS1. Cuando una capa formada por la red de fibras cortas de carbono fue grande, una red de fibras cortas de carbono obtenida por unión de una o dos películas de resina RF2 a la red de fibras cortas de carbono SFW, calentando y presurizando el laminado e impregnando una resina epoxi por adelantado se usó de manera que no había presentes huecos en el material compuesto reforzado con fibras de carbono resultante.
(9) Fibra de poliamida PAF:
Las fibras de una poliamida transparente (nombre comercial “GRILAMID (marca registrada)” TR-55, fabricado por Emuzaberuke Co.) descargadas desde una boquilla provista con un orificio se cortaron para producir fibras de poliamida que tenían una forma de sección transversal circular real, un diámetro de fibra de 22 pm y una longitud de fibra de 6 mm.
(10) Resina epoxi ER2:
“SUMICURE” S (4,4'-diaminodifenilsulfona, fabricado por Sumitomo Chemical Co., Ltd.), “ARALDITE” MY721 (40% en peso), “EPICOa T” 630 (10% en peso), “EPICOAT” 825 (35% en peso) y GAN (15% en peso) se pesaron y tomaron, y se agitaron suficientemente a una temperatura de 70°C hasta homogeneidad para obtener un agente principal de una composición de resina matriz. “EPICu Re ” W (70% en peso), 3,3'-DAS (20% en peso) y “SUMICURE” S (10% en peso) se pesaron y tomaron, y se agitaron suficientemente a una temperatura de 90°C hasta homogeneidad para obtener un agente de curado de una composición de resina matriz. Después, se añadió 38% en peso del agente de curado a 100% en peso del agente principal, y la mezcla se agitó suficientemente hasta homogeneidad para obtener una composición de resina matriz que incluye una resina epoxi ER2.
Los materiales proporcionados como se describen anteriormente se usaron para preparar redes de fibras cortas de carbono, preimpregnados y materiales compuestos reforzados con fibras de carbono en los Ejemplos y Ejemplos comparativos descritos a continuación. Los resultados de evaluar las respectivas propiedades se muestran en las Tablas 1 a 4.
Ejemplo 1
Las fibras de carbono CF1 se usaron para preparar una red de fibras cortas de carbono SFW que tenían una longitud de fibra promedio de 3 mm y un peso por unidad de área de 6 g/m2 Como se muestra en la Tabla 1, las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono SFW se dispersaron en forma de monofilamentos. La red de fibras cortas de carbono SFW tenía una propiedad de vuelta a la forma original.
La red de fibras cortas de carbono SFW obtenida se dispuso en una lámina de preimpregnado unidireccional PS1 para preparar una lámina de preimpregnado PS2.
Trece láminas de preimpregnado PS2 obtenidas se laminaron con la dirección de disposición de fibras de carbono continuo ajustadas a la dirección de grado 0, y la lámina de preimpregnado unidireccional PS1 se laminó en la superficie superior para preparar un laminado con redes de fibras cortas de carbono SFW dispuesto entre capas.
El laminado obtenido se calentó a una temperatura de 90°C durante 30 minutos y después se calentó a una temperatura de 135°C durante 120 minutos bajo una presión de 0,6 MPa en un autoclave para curar la resina para preparar una placa de moldeo que tenía un espesor de 2 mm. Esta placa de moldeo se usó como un trozo de prueba para la prueba de flexión y conductividad.
Ocho láminas de preimpregnado unidireccionales PS1 se laminaron con la dirección de disposición de fibras de carbono continuas ajustadas a una dirección de grado 0, y 5 láminas de preimpregnado PS2 se laminaron en ellas, 8 láminas de preimpregnado unidireccionales PS1 se laminaron en ellas, y una preimpregnado unidireccional PS1 se laminó en la superficie superior para preparar un laminado con redes de fibras cortas de carbono SFW dispuestas entre cinco capas medias.
Una película en un volumen equivalente a 40 mm se insertó, en paralelo al grado 0 desde el final del laminado, entre capas (las capas decimoprimera y decimosegunda) en el medio en la dirección del espesor del laminado obtenido.
El laminado obtenido se calentó a una temperatura de 90°C durante 30 minutos y después se calentó a una temperatura de 135°C durante 120 minutos bajo una presión de 0,6 MPa en un autoclave para curar la resina para preparar una placa de moldeo para pruebas GIc y GIIc que tenía un espesor de 3 mm. Como se muestra en la Tabla 1, se obtuvieron altos valores para todos de resistencia a la flexión de grado 0, GIc, GIIc y conductividad de la dirección del espesor.
Ejemplo 2
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera como en el Ejemplo 1 excepto que la longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono s Fw se cambió a 6 mm. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, se obtuvieron altos valores para todos de resistencia a la flexión de grado 0, GIc, GIIc y conductividad de dirección del espesor como se muestra en la Tabla 1.
Ejemplo 3
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera que en el Ejemplo 1 excepto que la longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono SFW se cambió a 12 mm. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, se obtuvieron altos valores para todo de resistencia a la flexión de grado 0, GIc, GIIc y conductividad de dirección del espesor como se muestra en la Tabla 1.
Ejemplo 4
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera como en el Ejemplo 2 excepto que el peso de fibras cortas de carbono por unidad de área en la red de fibras cortas de carbono s Fw se cambió a 3 g/m2 Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, se obtuvieron altos valores para todos de resistencia a la flexión de grado 0, GIc, GIIc y conductividad de dirección del espesor como se muestra en la Tabla 1.
Ejemplo 5
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon en la misma manera como en el Ejemplo 2 excepto que el peso de fibras cortas de carbono por unidad de área en la re de fibras cortas de carbono SFW se cambió a 9 g/m2, una película de resina RF2 se unió a la red de fibras cortas de carbono SFW, y una resina epoxi se impregnó por adelantado. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, se obtuvieron altos valores para todos de resistencia a la flexión de grado 0, GIc, GIIc y conductividad de dirección del espesor como se muestra en la Tabla 2.
Ejemplo 6
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera como en el Ejemplo 2 excepto que el peso de fibras cortas de carbono por unidad de área en la red de fibras cortas de carbono s Fw se cambió a 12 g/m2, dos películas de resina RF2 se unieron a la red de fibras cortas de carbono SFW, y una resina epoxi se impregnó por adelantado. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, la resistencia a la flexión de grado 0 disminuyó ligeramente porque el espesor de la capa formada por la red de fibras cortas de carbono SFW en el material compuesto reforzado con fibras de carbono aumentó, pero se obtuvieron altos valores para GIc, GIIc y conductividad de dirección del espesor como se muestra en la Tabla 2.
Ejemplo 7
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado de fibra de carbono se prepararon de la misma manera que en el Ejemplo 2 excepto que la agitación se hizo ligeramente menos vigorosa. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, la resistencia a la flexión de grado 0, GIc, GIIc y conductividad de dirección del espesor disminuyeron ligeramente, aunque aún se obtuvieron altos valores como se muestra en la Tabla 2.
Ejemplo 8
Un laminado preparado de la siguiente manera se proporcionó: con la dirección longitudinal de fibras de carbono ajustadas al grado 0, se laminaron 12 bases de fibra FB1 repitiendo [450/00/-450/900] tres veces, y 12 bases de fibra FB1 se laminaron en ellas repitiendo [900/-450/00/450] tres veces.
En este laminado, las redes de fibras cortas de carbono SFW (longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono: 6 mm; peso de fibras cortas de carbono por unidad de área: 6 g/m2) se dispusieron entre capas de base de fibra FB1. Es decir, se obtuvo una base de fibra con 23 redes de fibras cortas de carbono SFW totales dispuestas entre 24 capas totales de base de fibra FB1.
La base de fibras obtenida se dispuso en la superficie de moldeo de un molde, el molde se selló con un material de bolsa (película de poliamida) y un sellador, la cavidad del molde se evacuó, el molde se transfirió a un secador de aire caliente, la temperatura se elevó de temperatura ambiente a 80°C a una velocidad de 3°C por minuto, y el molde se calentó a 80°C durante 1 hora. A partir de ahí, el molde entero se enfrió a una temperatura de 60°C o menos en el aire mientras el estado de vacío de la cavidad se mantuvo, y a partir de ahí la cavidad se libero a la atmósfera para producir una preforma.
La preforma obtenida se dispuso en la superficie de moldeo de un molde, una tela de poliéster sometida a un tratamiento de liberación como un tejido pelable y una malla de alambre de aluminio como un medio de difusión de resina se dispusieron secuencialmente en ella, y se sellaron con un material de bolsa y un sellador para formar una cavidad. La cavidad se proporcionó con una entrada de resina y un porte de succión al vacío.
El interior de la cavidad se succionó desde el puerto de succión de vacío usando una bomba de vacío, el grado de vacío se ajustó para ser -90 kPa o menos, el molde y la preforma se calentaron entonces a una temperatura de 60°C, y una composición de resina matriz proporcionada de forma separada calentada a una temperatura de 60°C por adelantado se inyectó entonces en el molde a una presión de inyección de 0,2 MPa usando un aparato de inyección de resina, y se impregnó por consiguiente en la base de fibras. Después de la impregnación, el molde se calentó a una temperatura de 140°C a una velocidad de 1,5°C/minuto, se mantuvo durante 2 horas, y después se enfrió a una temperatura de 30°C para realizar el desmoldado. Después de desmoldar, se realizó un curado posterior de la resina en un horno bajo las siguientes condiciones para producir un material compuesto reforzado con fibra.
(1) La temperatura se elevó de 30°C a 180°C a una relación de 1,5°C/min.
(2) La temperatura se mantuvo a 180°C durante 2 horas.
(3) La temperatura se disminuyó de 180°C a 30°C a una relación de 2,5°C/min.
El material compuesto reforzado con fibras de carbono obtenido tenía una parte no impregnada en resina y tenía buena calidad. El contenido en volumen de fibra de las fibras de refuerzo fue 56%.
Después, se evaluó la resistencia a la compresión después del impacto del material compuesto reforzado con fibras obtenido. Como resultado, la resistencia a la compresión después del impacto fue suficientemente alta como que fue 222 MPa. El espesor de la capa formada de la red de fibras cortas de carbono en el material compuesto reforzado con fibras de carbono fue 36 pm. Cuando un trozo de prueba que tenía una longitud de 20 mm y una anchura de 20 mm se cortó de una placa plana del material compuesto reforzado con fibras de carbono obtenido y la conductividad del trozo de prueba en la dirección del espesor se midió, el valor de conductividad fue 1,0 S/m.
Ejemplo 9
Un material compuesto de fibras de carbono se produjo de la misma manera que en el Ejemplo 8 excepto que la longitud de fibra promedio de las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono SFW se cambió a 3 mm. La resistencia a la compresión después del impacto fue suficientemente alta como que fue 220 MPa. El espesor de la capa formada por red de fibras cortas de carbono SFW fue 30 pm. Cuando un trozo de prueba que tenía una longitud de 20 mm y una anchura de 20 mm se cortó desde una placa plana del material compuesto reforzado con fibras de carbono obtenido y la conductividad del trozo de prueba en la dirección del espesor se midió, el valor de conductividad fue 1,0 S/m.
Ejemplo comparativo 1
No se usó una red de fibras cortas de carbono SFW, y solo la lámina de preimpregnado unidireccional PS1 se usó para preparar un material compuesto reforzado con fibras de carbono. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, se obtuvo un alto valor para la resistencia a la flexión de grado 0, pero los valores de Glc y GIIc fueron bajos como se muestra en la Tabla 3.
Ejemplo comparativo 2
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera que en el Ejemplo 1 excepto que la longitud de fibra promedio de fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono SFW se cambió a 0,5 mm. Como resultado de la evaluación de propiedades físicas, la capa formada por la red de fibras cortas de carbono SFW se volvió una capa frágil, y la resistencia a la flexión de grado 0 disminuyó como se muestra en la Tabla 3. No se obtuvieron suficientes puentes de fibras, de manera que el efecto de mejora de Glc y GIIc fue bajo.
Ejemplo comparativo 3
Una red, un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera que en el Ejemplo 1 excepto que la longitud de fibra promedio de las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono SFW se cambió a 18 mm, una película de resina RF2 se unió a la red de fibras cortas de carbono SFW, y una resina epoxi se impregnó por adelantado. Como resultado de la evaluación de las propiedades físicas, el espesor de la capa formada de la red de fibras cortas de carbono SFW aumentó, y la resistencia a la flexión de grado 0 disminuyó ligeramente como se muestra en la Tabla 3. Como el material compuesto reforzado con fibras de carbono no tenía propiedad de vuelta a la forma original, no se obtuvieron suficientes puentes de fibra, y no se mejoró Glc.
Ejemplo comparativo 4
En la producción de la red de fibras cortas de carbono SFW, la agitación se hizo menos vigorosa para preparar una red de fibras cortas de carbono en que las fibras cortas de carbono no se dispersaron en forma de monofilamentos. Un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono se prepararon de la misma manera que en el Ejemplo 2 excepto que se usó la red de fibras cortas de carbono descritas anteriormente. Como resultado de la evaluación de las propiedades físicas, la estructura de red de las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono no fue suficiente, y por lo tanto el efecto de mejora de Glc, GIIc y conductividad fue bajo como se muestra en la Tabla 3.
Ejemplo comparativo 5
En la producción de la red de fibras cortas de carbono SFW, no se usó tensioactivo, y la agitación se hizo menos vigorosa para preparar una red de fibras cortas de carbono en que permanecieron los haces de fibras cortas de carbono y no se dispersaron las fibras cortas de carbono en la forma de monofilamentos. Se prepararon un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono de la misma manera que en el Ejemplo 2 excepto que se usó la red de fibras cortas de carbono descrita anteriormente, y una película de resina RF1 se unió a la red de fibras cortas de carbono y una resina epoxi se impregnó por adelantado. Como resultado de la evaluación de las propiedades físicas, la capa formada de la red de fibras cortas de carbono se volvió una capa frágil, y la resistencia a la flexión de grado 0 disminuyó como se muestra en la Tabla 4. La estructura de red de las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono no fue suficiente, y no se obtuvo el efecto de mejora de GIc, GIIc y la conductividad.
Ejemplo comparativo 6
Se prepararon un preimpregnado y un material compuesto reforzado con fibras de carbono de la misma manera que en el Ejemplo 2 excepto que en lugar de las fibras de carbono CF1, se usaron fibras de poliamida PAF como fibras de resina termoplástica para preparar una red de manera que el peso de las fibras de poliamida PAF por unidad de área en la red fue 12 g/m2, dos películas de resina RF2 se unieron a esta red, y una resina epoxi se impregnó por adelantado. Como resultado de la evaluación de las propiedades físicas, se mejoraron GIc y GIIc, pero la capa de fibras de poliamida se volvió una capa frágil, y la resistencia a la flexión de grado 0 disminuyó como se muestra en la Tabla 4. La capa de fibra de poliamida se volvió una capa aislante, de manera que la conductividad de dirección del espesor se redujo.
Ejemplo comparativo 7
Se preparó un material compuesto reforzado con fibras de carbono usando, en lugar de la red de fibras cortas de carbono SFW en la lámina de preimpregnado PS2, una lámina de preimpregnado obtenida extendiendo partículas de nailon 12 (SP-10; diámetro de partícula: 10 pm; fabricado por Toray Industries, Inc.) como partículas de resina termoplástica sobre una superficie de la lámina de preimpregnado unidireccional PS1 en la lámina de preimpregnado PS2 de manera que el peso por unidad de área era 6 g/m2. Como resultado de la evaluación de las propiedades físicas, la capa formada de partículas de nailon 12 se volvió una capa aislante, de manera que la conductividad de dirección del espesor se redujo como se muestra en la Tabla 4.
Ejemplo comparativo 8
Se preparó un material compuesto reforzado con fibras de carbono usando, en lugar de la red de fibras cortas de carbono SFW en la lámina de preimpregnado PS2, una lámina de preimpregnado obtenida pulverizando carbono cristalino (BELLPEARL C-2000; diámetro de partícula promedio: 15 pm; fabricado por Kanebo, Ltd.) como partículas de carbono sobre una superficie de la lámina de preimpregnado unidireccional PS1 en la lámina de preimpregnado PS2 de manera que el peso por unidad de área era 6 g/m2. Como resultado de la evaluación de las propiedades físicas, la conductividad de la dirección del espesor se mejoró, pero GIc y GIIc no se mejoraron como se muestra en la Tabla 4.
Ejemplo comparativo 9
Se preparó un material compuesto de fibra de carbono de la misma manera que en el Ejemplo 8 excepto que la red de fibras cortas de carbono SFW no estaba dispuesta entre capas. La resistencia a la compresión después del impacto fue insuficiente ya que fue 160 MPa. El espesor de la capa formada de la base de fibra FB1 fue 30 pm. Cuando un trozo de prueba que tenía una longitud de 20 mm y una anchura de 20 mm se cortó de una placa plana del material compuesto reforzado con fibras de carbono obtenido y la conductividad del trozo de prueba en la dirección del espesor se midió, el valor de la conductividad fue 0,8 S/m.
Tabla 1
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Tabla 2
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Tabla 3
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Tabla 4
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Aplicabilidad industrial
Una base de fibras de carbono de la presente invención o un material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención formado a partir de la base de fibras de carbono de la presente invención tiene todos de excelente tenacidad a la fractura interlaminar, excelente resistencia estática y excelente conductividad. Por consiguiente, el material compuesto reforzado con fibras de carbono de la presente invención se usa preferiblemente en partes estructurales de aviones, aplicaciones deportivas e industria general, etc.
Descripción de los signos de referencia
1: Aparato que produce red de fibras cortas de carbono
2: Tanque de dispersión
3: Tanque de fabricación de lámina
4: Cinta transportadora de malla
5: Cinta transportadora de distribución
21: Abertura de suministro de la fibra de carbono cortada
22: Tubería de suministro del medio de dispersión
23: Tubería de descarga de dispersión
23a: Parte de transporte de la tubería de descarga de dispersión
24: Agitador
25: Grifo de apertura/cierre
41: Aparato de succión
51: Lámina de fibras cortas de carbono (red de fibras cortas de carbono) CCF: Fibra de carbono cortada (fibra corta de carbono)

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Una base de fibras de carbono que comprende una capa de fibras de carbono continua formada por fibras de carbono continuas, y una red de fibras cortas de carbono en que las fibras cortas de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 2 a 12 mm se dispersan en forma de monofilamentos, la red de fibras cortas de carbono proporcionadas en una o ambas superficies de la capa de fibras de carbono continua.
2. La base de fibras de carbono según la reivindicación 1, en donde la red de fibras cortas de carbono tiene un peso por unidad de área de 1 a 10 g/m2
3. La base de fibras de carbono según la reivindicación 1, en donde las fibras cortas de carbono en la red de fibras cortas de carbono tienen un diámetro de fibra promedio de 1 a 20 pm.
4. Un preimpregnado formado impregnando una parte o toda la base de fibras de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 con una resina matriz.
5. El preimpregnado según la reivindicación 4, en donde la red de fibras cortas de carbono en un producto moldeado obtenido sometiendo el preimpregnado a moldeo con calor y presión tiene un espesor de 60 pm o menos.
6. El preimpregnado según la reivindicación 4, en donde la resina matriz es una resina epoxi.
7. Un laminado de base de fibras de carbono formado laminando la base de fibras de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en dos o más capas en una dirección del espesor.
8. Un laminado de preimpregnado formado laminando el preimpregnado según la reivindicación 4 en dos o más capas en una dirección del espesor.
9. Un material compuesto reforzado con fibras de carbono formado integrando la base de fibras de carbono según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 con una resina matriz.
10. Un material compuesto reforzado con fibras de carbono formado integrando el laminado de base de fibras de carbono según la reivindicación 7 con una resina matriz.
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