混合片材成型化合物材料的製作方法

2023-05-03 08:25:27

本申請要求2014年10月8日提交的美國臨時申請62/061,323名稱為「用於改進複合材料的性能和產率的混合組裝物」的優先權和所有權益，其全部內容通過引用全部併入本文。

背景技術：

纖維增強複合材料是由基體材料和纖維組成的複合材料，其功能是機械增強基體材料的強度和彈性。纖維增強複合材料具有高的剛度、強度和韌性，通常與結構金屬合金相當。此外，纖維增強複合材料通常以比金屬輕得多的重量來提供這些性能，因為它們的單位重量的「特定」強度和模量接近於鋼或鋁的五倍。因此，由纖維增強複合材料形成的裝置的整體結構可以更輕。對於諸如飛機或太空飛行器部件的重量關鍵裝置，這些重量節省可能是一個顯著的優勢。

片材成型化合物(sheetmoldingcompound)(「smc」)是一種片狀形式的纖維增強熱固性化合物。由於其高強度重量比，被廣泛用作建築材料。其強度、剛度和其他性能使其適用於水平和垂直面板，例如汽車。在smc的製備工藝中，將一層聚合物膜，如聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂預混物，計量到一層包括非粘附性表面的塑料載體片材上。然後將增強纖維沉積到聚合物膜上，並將含有第二層的聚合物膜的第二非粘附性載體片材定位在第一片材上，使得第二聚合物膜與增強纖維接觸並形成夾層材料。然後將該夾層材料繼續壓實，以將聚合物樹脂基體和纖維束分布在整個所得的smc材料中，然後可以將其軋制以備後續在成型工藝中使用。

在smc化合物的製備中，理想情況是增強材料均勻分散並在聚合物基體材料內混合。這種均勻混合的一種方式被稱為潤溼，其是增強材料被基體樹脂材料包封的程度的量度。理想情況是使增強材料完全潤溼不含幹纖維。在這個初始工藝中的不完全的潤溼能夠對後續加工以及最終的複合材料的表面特性產生不利影響。例如，差的潤溼可能會導致smc的差的成型特性，導致最終成型部件中的表面缺陷和低的複合強度。smc製造工藝的生產能力，例如線速和生產率，受限於粗紗短切束能夠被完全潤溼的程度以及速度。

複合材料產品也可以使用例如長纖維-增強熱塑性(「lft」)複合材料的熱塑性樹脂形成。lft複合材料是具有長(大約4.5mm或更長)的短切纖維增強片的熱塑性材料。lft和常規短切短纖維增強化合物的區別在於纖維的長度。在lft中，纖維的長度與顆粒(pellet)的長度相同。在lft的製造中，將連續的纖維粗紗絲線從其被熱塑性樹脂塗布和浸漬的模具中拉出。然後將該連續的增強塑料棒切碎或造粒至通常為10mm至12mm的長度。

玻璃纖維和碳纖維是纖維增強材料的常見實例。玻璃纖維提供尺寸穩定性，由於其不會對於變化的環境條件而收縮或拉伸，玻璃纖維還提供與金屬類似的尺寸度量用於部分合併。此外，玻璃纖維具有高拉伸強度、耐熱性、耐腐蝕性和用於抗衝擊性以及緊固或接合的高韌性。典型地，玻璃纖維通過從套管(bushing)或其它孔口的收集而使熔融玻璃材料流衰減而形成。含有成膜聚合物、偶聯劑和潤滑劑的水性施膠組合物(aqueoussizingcomposition)通常在從套管中拉出之後被施加到纖維上，以保護纖維在後續的工藝中不被破壞，並提高纖維與待增強的基體樹脂的相容性。在施加水性施膠組合物之後，施膠纖維(sizedfiber)聚集成絲線並纏繞以生產玻璃纖維包。然後加熱玻璃纖維包以除去水分並沉積作為殘餘的漿料(size)，輕輕地塗布於玻璃纖維的表面。多個乾燥玻璃纖維包可以被固結並纏繞到被稱為多端粗紗包的捲軸上。所述粗紗包由具有多束玻璃纖維的玻璃絲線組成。

碳纖維是具有理想機械性能的輕質纖維，這使得它們可用於與多種基體樹脂形成複合材料。一方面，碳纖維顯示出高拉伸強度和高彈性模量。另一方面，碳纖維表現出高導電性、高耐熱性和化學穩定性。這種性能的組合，以及低密度的碳纖維已然導致碳纖維作為複合材料中的增強元件的使用的增加，廣泛用於在諸如航空航天、運輸、電磁幹擾(emi)屏蔽應用、運動用品、電池應用、熱管理應用(thermalmanagementapplications)以及許多其他應用。

然而，碳纖維比玻璃纖維更難加工並且更昂貴。碳纖維易碎並且易纏結、耐磨性差，因此在加工工藝中容易產生毛刺或斷線。另外，至少部分由於其疏水性，在傳統的樹脂基質中，碳纖維不如其他增強纖維(例如玻璃纖維)容易潤溼。潤溼是指纖維具有適當的表面潤溼張力以及均勻分散在整個基體中的能力。為了使用包含碳纖維的複合材料，碳纖維和基體樹脂之間優異的潤溼性和粘附性很重要。

玻璃和碳纖維各自賦予纖維增強複合材料理想性能。因此，人們已經嘗試將玻璃和碳纖維在樹脂中共混，以利用它們各自提供給基體樹脂的韌性、強度和模量的性質。然而，在嘗試這種混合複合材料時，對於具有成本效益的複合材料的理想情況以快速固化和固結工藝處理碳絲線，人們已然遇到了相當大的困難。

技術實現要素：

根據本發明的各方面，提供了一種混合片材成型化合物材料和形成混合片材成型化合物材料的方法。所述混合片材成型化合物材料包含至少一種含有多根增強纖維絲線和與所述增強纖維共混的多根碳纖維的混合組裝粗紗。所述碳纖維用增容劑進行塗布。所述混合片材成型化合物材料進一步包含聚合物樹脂材料。

在各種示例性實施方式中，所述增強纖維由玻璃纖維組成。

在各種示例性實施方式中，所述增容劑包括聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、丙烯醯基矽烷、烷基矽烷、甲基矽烷、氨基矽烷和環氧矽烷中的至少一種。

在各種示例性實施方式中，所述聚合物樹脂基體的配方包括聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、聚苯乙烯和共聚單體中的至少一種。

在各種示例性實施方式中，所述混合片材成型化合物材料具有的彈性模量為5gpa至40gpa，層間剪切強度為50mpa至300mpa，密度為0.5g/cc至3.0g/cc。

在各種示例性實施方式中，所述碳纖維用包括環氧樹脂、乙烯基酯和聚氨酯(urethane)成膜劑中的至少一種的施膠組合物進行施膠。

根據本發明的各個方面，公開了一種含有按重量計10％至80％的短切混合纖維的混合片材成型複合材料。

附圖說明

從以下提供的和如附圖所示的一些實施例的更具體的描述中，本發明的示例性實施方式將是清楚的。

圖1示出了從前體(precursor)開始的碳纖維形成線。

圖2示出了示例性的混合組裝粗紗形成工藝。

圖3示出了在張力下拉伸碳纖維以將碳纖維鋪展成碳纖維束的初始鋪展場所。

圖4(a)和(b)示出了用於鋪展碳纖維束的開槽輥。

圖5示出了另一示例性混合組裝粗紗形成工藝。

圖6(a)-(c)示出了改變碳束和玻璃纖維的布置的示例性混合組裝粗紗結構。

圖7示出了用於切碎增強纖維的示例性的脊狀輥。

圖8示出了用於將至少兩種類型的增強纖維結合到聚合物樹脂膜上的示例性工藝。

圖9示出了混合smc複合材料中各種類型的碳和玻璃纖維分散體。

圖10用圖表示出了相對於纖維的比模量的各種類型纖維的比強度。

圖11用圖表示出了三種smc材料的應力-應變曲線，一種僅包括玻璃纖維增強物，一種僅包括碳纖維增強物，以及另一種包括具有50：50的玻璃-碳比的混合組裝粗紗增強物。

圖12用圖表示例性地示出了與玻璃和碳增強的smc材料相比，典型的混合smc材料的拉伸強度與短切纖維束寬度的函數。

具體實施方式

由於本發明的總體發明構思可以具有許多不同形式的實施方式，在附圖中示出並且將在本文中詳細描述具體實施方式，其理解是將本發明視為示例性的一般發明概念。因此，本發明總的發明構思並不旨在限於本文所示的具體實施方式。

除非另有定義，本文使用的術語具有與圍繞總體發明構思的本領域普通技術人員通常理解的相同的含義。本文使用的術語僅用於描述總體發明構思的示例性實施方式，並不旨在限制總體發明構思。如在一般發明概念和所附權利要求的描述中所使用的，單數形式「一」、「一個」和「該」也旨在包括複數形式，除非上下文另有明確指示。

本發明涉及一種用於加工應用的混合增強材料，例如，1)增強複合材料的形成(例如，用於壓縮成型工藝的片材成型化合物(「smc」))，2)長纖維熱塑性注塑成型，3)拉擠成型工藝，4)預浸料坯的形成等。由上述加工應用形成的所述混合增強複合材料包括：(i)共混的玻璃和碳增強材料以及(ii)熱固性或熱塑性樹脂組合物。

所述增強材料可以包括適用於為所得複合材料提供優良結構性質以及其他熱力學性能的任何類型的纖維。所述增強纖維可以是任意一種有機的、無機的或天然的纖維。在一些示例性的實施方式中，所述增強纖維由玻璃、碳、聚酯、聚烯烴、尼龍、芳族聚醯胺(aramids)、聚(苯硫醚)、碳化矽(sic)和氮化硼等中的任意一種或多種製成。在一些示例性的實施方式中，所述增強纖維包括玻璃、碳和芳族聚醯胺中的一種或多種。在一些示例性的實施方式中，所述增強材料含有玻璃和碳纖維的混合物。

所述玻璃纖維可以由適用於特定應用和/或理想產品規格的任何類型的玻璃形成，包括傳統玻璃。玻璃纖維的非特例例子包括a型玻璃纖維、c型玻璃纖維、g型玻璃纖維、e型玻璃纖維、s型玻璃纖維、e-cr型玻璃纖維(例如，可商購於owenscorning的玻璃纖維)，r型玻璃纖維、羊毛玻璃纖維、生物可溶玻璃纖維，以及上述玻璃纖維的組合，其可用作增強纖維。在一些示例性的實施方式中，用於混合增強材料的所述玻璃纖維輸入物是一種在常規離線粗紗工藝下組裝的多端玻璃粗紗材料。

碳纖維通常是疏水的導電纖維，具有高剛度、高拉伸強度、耐高溫性和低熱膨脹性，並且通常重量輕，使其在形成增強複合材料方面很普及。然而，碳纖維比其他類型的增強材料如玻璃更昂貴。例如，碳纖維的成本可能高達20美元/公斤，而玻璃纖維的成本可能低至約1美元/公斤。另外，碳纖維在下遊應用中更難加工，導致產品製造降低。這至少部分是由於碳纖維的疏水性，在傳統的基質中，碳纖維不如玻璃纖維容易潤溼。潤溼是指纖維具有適當的表面潤溼張力以及均勻分散在整個基體中的能力。相比之下，通常是親水纖維的玻璃纖維更易於加工並且會在基體中均勻地潤溼。

根據所使用的前體，碳纖維可以是亂層(turbostratic)或石墨化的，或者具有同時存在亂層和石墨化部分的混合結構。在亂層碳纖維中，碳原子層隨意地摺疊、或扭曲在一起。衍生自聚丙烯腈(pan)的石墨碳纖維是亂層的，而衍生自中間相瀝青的碳纖維在超過2200℃加熱後是石墨化的。在一些示例性的實施方式中，所述碳纖維衍生自pan。圖1示出了從pan前體形成碳粗紗的示例性工藝。

增強纖維可以在纖維形成工藝中或緊隨著纖維形成工藝之後用施膠組合物塗布。在一些示例性的實施方式中，所述施膠組合物是水基組合物，例如懸浮液或乳液。所述懸浮液或乳液具有含有成膜劑、偶聯劑、潤滑劑和表面活性劑中的一種或多種的固體含量。所述成膜劑將單獨的細絲保持在一起以助於纖維的形成並保護所述細絲免受摩損造成的損壞。可接受的成膜劑包括，例如聚乙酸乙烯酯、聚氨酯、改性聚烯烴、聚酯、環氧化物及上述物質的混合物。

所述施膠組合物可以進一步包括至少一種偶聯劑，例如矽烷偶聯劑。矽烷偶聯劑的作用是增強成膜聚合物與纖維的粘合性，並在後續的加工工藝中降低產生毛刺或斷線的纖維細絲的水平。可以用於本發明中的施膠組合物的矽烷偶聯劑的實例可以通過官能團氨基、環氧基、乙烯基、甲基丙烯醯氧基、疊氮基、脲基和異氰酸酯基來表徵。所述偶聯劑可以以約0.05％至約0.20％的活性固體量存在於所述施膠組合物中，更優選以約0.08％至約0.15％的活性固體量存在。

所述施膠組合物還可以含有至少一種潤滑劑。任何常規的潤滑劑可以併入所述施膠組合物。適用於施膠組合物的潤滑劑非特例例子包括，但是不限於，部分醯胺化的長鏈聚亞烷基亞胺、乙二醇油酸酯、乙氧基化脂肪胺、甘油、乳化礦物油、有機聚矽氧烷乳液、硬脂醇乙醇醯胺(stearicethanolamide)和水溶性乙二醇硬脂酸酯如聚乙二醇單硬脂酸酯、硬脂酸丁氧基乙酯和聚乙二醇甘油酸酯。所述潤滑劑可以以約0.025％至0.010％的活性固體量存在。

此外，所述施膠組合物還可以選擇性地包括ph調節劑，例如乙酸、檸檬酸、硫酸或磷酸以調節所述組合物的ph水平。所述ph可以根據預期的應用或促進所述施膠組合物的組分相容性來加以調節。在一些實施例中，所述施膠組合物具有3.0-7.0的ph值，或者3.5-4.5的ph值。

所述施膠組合物可以根據預期的應用含有額外的添加劑。

在一些示例性的實施方式中，在混合組裝粗紗的形成中，可以共混兩種或更多類型的增強纖維。混合組裝粗紗是一種含有至少兩種類型的增強纖維多端纖維粗紗。例如，所述混合組裝粗紗可以含有玻璃纖維、碳纖維、芳族聚醯胺纖維和高模量有機纖維中的兩種或更多種。在一些示例性的實施方式中，所述混合組裝粗紗含有玻璃和碳纖維的混合物。儘管所述混合增強纖維將在本文中描述為玻璃和碳纖維的混合物，但是應當理解的是，這僅是一個示例性的實施方式，並且所述混合組裝粗紗可以包括上述增強纖維的任意組合。

混合組裝粗紗的形成可以以多種方式進行。例如，圖2示出了一種形成工藝，其中玻璃絲線12和碳絲線14分別拉伸，以及所述玻璃絲線被拉至碳加工線中，使玻璃絲線和碳絲線15在捲入共混的絲線17形成一個單獨的混合組裝粗紗包28之前共混。在一些示例性的實施方式中，所述玻璃絲線在乾燥步驟之前併入所述碳纖維加工線，在一些其他的示例性實施方式中，所述玻璃絲線在後塗布施加步驟24之前併入所述碳纖維加工線。

在粗紗加工中的玻璃纖維和碳纖維的共混中的一個困難由碳纖維的團聚趨勢造成，這引起纖維在切碎時聚集成塊。這種團聚和聚集使得碳纖維難以分散在基體樹脂材料中。玻璃纖維是直徑約為0.3mm至約為1.2mm的細的棒狀纖維束。為了使玻璃絲線和碳絲線有效共混，所述碳纖維絲線的尺寸和形狀應該與所述玻璃纖維絲線相似。因此，在一些示例性的實施方式中，在混合玻璃纖維絲線12和碳纖維絲線14之前，將碳纖維絲線14鋪展以分離單獨的碳細絲，並產生約50tex至800tex(tex＝克/1000m的絲束)的多個細束，或者從50tex至400tex，各自具有的寬度在約0.5mm至約4.0mm之間，或約0.5mm至2.0mm之間。所述細束可以具有約0.05至約0.5mm的厚度，或從約0.1mm至約0.3mm的厚度。圖3示出了其中碳纖維在2-4倍的張力下拉伸以將碳纖維鋪展成細束22的初始鋪展場所25，如圖4(a)和(b)所示。然後所述碳纖維束22可以在張力下拉伸以保持與鋪展一致，並進一步增加束之間的鋪展。例如，具有大約3/8」至大約1/2」的鋪展的多個碳纖維束22在張力下沿著各種輥16拉伸以形成大約3/4」至大約1/2」的鋪展。輥16的角度和半徑應該被設定為保持不太高的張力，這樣可以使鋪展的束拉伸回到一起。

在一些示例性的實施方式中，一旦碳纖維絲線已經鋪展成細的碳纖維束，所述碳纖維束22便通過後塗布處理浴24拉伸以固結成束用於切碎並改善碳纖維與理想基體材料之間的鋪展和溶解度。通過改善基體材料的相容性，所述纖維將更容易潤溼，從而加速製造時間。在一些示例性的實施方式中，不是通過後塗布處理浴拉伸，所述後處理而是通過任意已知的塗布施用方法施用，例如接觸塗布或通過一個或多個噴塗裝置38將塗層噴塗在碳束上，或使用塗布輥施用到碳束上。在一些示例性的實施方式中，不是在鋪展絲線成束之後使用後塗布組合物塗布纖維絲線，而是在鋪展纖維束之前施用後塗布組合物。在其他示例性的實施方式中，所述後塗布組合物在纖維束鋪展之前和之後均可以施用。在一些示例性的實施方式中，碳纖維輸入物含有大量預形成的細的碳纖維束22，所述後塗布組合物可以在與玻璃纖維絲線共混之前的加工期間任意一刻施用到碳束上。

在一些示例性的實施方式中，後塗布處理組合物含有至少一種成膜劑。例如，由於其高極性，後處理組合物可以含有作為成膜粘合劑和絡合劑的聚乙烯吡咯烷酮(pvp)。在一些示例性的實施方式中，後處理組合物可以含有一種或多種矽烷，例如丙烯醯基矽烷、烷基矽烷、甲基矽烷、氨基矽烷和環氧矽烷，以助於碳纖維和基體材料相容。在其他示例性的實施方式中，後處理組合物同時含有pvp和甲基矽烷。另外，粘合劑與季銨一起運行用於防靜電保護。在一些示例性的實施方式中，後處理組合物包括共成膜劑、增容劑和潤滑劑中的一種或多種。

在一些示例性的實施方式中，之後將後塗布碳束通過紅外爐26或其他固化機械裝置拉伸，用於將後塗布處理組合物在碳束上進行乾燥。

在一些示例性的實施方式中，如圖5所示，隨著碳纖維加工在線發生，玻璃纖維絲線12同時從玻璃纖維包中被平行拉伸以與上述的碳纖維束22共混。在一些示例性的實施方式中，隨著碳纖維束22從紅外爐26中拉伸，碳纖維束22與玻璃纖維12共混，形成玻璃和碳纖維的混合組裝粗紗28。為了形成內聚混合粗紗，所述玻璃纖維通過加工拉伸的寬度應該與碳纖維的寬度一致。例如，如果通過加工拉伸的玻璃纖維的寬度是2mm，那麼碳纖維束的寬度應該也是大約2mm，約1mm的方差。隨著玻璃和碳纖維被壓縮成混合組裝粗紗，壓縮的混合纖維束的寬度可能會更低，例如從約0.5mm至約2.0mm。

通常，切碎碳纖維使碳纖維成為細絲化，會增加碳纖維的表面積並增加潤溼和流動的難度。通過將碳纖維固結成混合組裝粗紗並將混合粗紗切碎成短切混合纖維30，碳纖維的流動和分散得以改善，由於玻璃充當碳的穩定劑，使其不被細絲化，從而提供一種均勻的複合材料形成物。

如圖6所示，混合組裝粗紗的架構可以通過改變其中玻璃和碳束的結構和/或玻璃纖維和碳纖維的重量比來調節。在一些示例性的實施方式中，碳纖維束22被排布在混合束的外部，玻璃纖維12被設置在束的中心，如圖6(a)所示。在其他示例性的實施方式中，玻璃纖維被排布在混合束的外部，碳纖維被設置在束的中心，如圖6(b)所示。在其他示例性的實施方式中，所述玻璃纖維和碳纖維束隨機分散在混合束內，如圖6(c)所示。在一些示例性的實施方式中，所述玻璃和碳纖維以大約10:90到大約90:10之間，例如大約60:40或大約75:25，或大約65:35的重量比分散在混合束中。在一些示例性的實施方式中，玻璃纖維和碳纖維的重量比大約為50：50。

一旦形成，混合組裝粗紗可以被纏繞或以其他的方式放置在包裝中並儲存用於下遊利用，例如用於長纖維熱塑性壓縮成型工藝中與熱塑性組合物的複合。為了達到本發明的目的，術語長纖維熱塑性材料是包括長於4.5mm的初始玻璃纖維輸入物的材料。有許多用於長纖維熱塑性材料的形成方法，最常見的是擠出「裝料」或顆粒，線塗布和直接複合。本發明的一些方面涉及形成用於壓縮或注塑成型工藝的擠出混合組裝粗紗裝料。在這個工藝中，隨著熱塑性聚合物引入擠出機，混合組裝粗紗可以進料到擠出機的噴嘴(或側填料)中，其中粗紗用熱塑性材料浸漬。然後將熱塑性浸漬混合粗紗擠出成用於壓縮成型或注塑成型工藝的混合裝料。

所述混合組裝粗紗可選地被切碎以用於增強複合材料的形成。在一些示例性的實施方式中，混合組裝粗紗可以使用切割輥18切碎，例如壓在聚氨酯或硬橡膠驅動輥31上的刀片式鋼絲刀，如圖7所示。短切混合纖維30可以具有約10mm至約100mm的平均長度，或者約11mm至50mm的平均長度。在一些示例性的實施方式中，短切混合纖維具有約為25mm的長度。

短切混合纖維可以具有不同的長度和直徑。在一些示例性的實施方式中，混合組裝粗紗包括短切的玻璃和碳纖維的混合物。短切纖維的特定長度是基於在下遊使用的模製製件模具的複雜性，與理想的複合材料的製件性能平衡。

如上所述，短切複合纖維30之後可以用於增強材料的形成，例如增強複合材料、預浸料、織物、無紡布等。在一些示例性的實施方式中，短切複合纖維30可以用於smc工藝，以形成smc材料。如圖8所示，短切纖維30可以放置於聚合物樹脂膜32的層上，聚合物樹脂膜32位於具有非粘合表面的載體片上。含有第二層聚合物樹脂膜的第二非粘合性的載體片可以定位在所述短切複合纖維30上，該定位以使得第二聚合物樹脂膜32接觸短切的混合纖維30並形成聚合物樹脂-短切混合纖維-聚合物樹脂膜32的夾層材料為方向。然後可以用諸如壓實輥的輥將該夾層材料捏合，以將聚合物樹脂基體和混合纖維束基本上均勻分散在所得到的smc材料中。如本文所用，術語「基本上均勻分散」是指均勻分散或大於50％的均勻分散。在一些示例性的實施方式中，「基本上均勻分散」是指大約90％的均勻分散。之後可以將所述smc材料儲藏2-5天以使樹脂變稠和熟化。在熟化期間，所述smc材料的粘度在約1500萬釐泊至約4000萬釐泊的範圍內增加。隨著粘度的增加，第一和第二聚合物樹脂膜32和短切混合纖維30形成整體的複合材料層。

所述聚合物樹脂膜材料可以含有任意合適的熱塑性或熱固性材料，例如聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、酚醛樹脂、環氧樹脂、聚醯胺、聚醯亞胺、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚氯乙烯和/或苯乙烯，以及任何理想的添加劑例如填料、顏料、uv穩定劑、催化劑、引發劑、抑制劑、脫模劑、增稠劑等。在一些示例性的實施方式中，熱固性材料含有苯乙烯樹脂、不飽和聚酯樹脂或乙烯基酯樹脂。在結構smc的施用中，聚合物樹脂膜32可以含有液體，而在a類smc的施用中，聚合物樹脂膜可以含有糊狀物。

施用於碳纖維的後塗布處理組合物使碳纖維與聚合物樹脂膜相容，並使碳纖維適當流動和潤溼，在聚合物樹脂膜32內形成玻璃和碳纖維的基本均勻的分散體。後塗布處理還賦予增加的內聚力，這使得纖維可以良好的切碎，並改善固結工藝的潤溼性。碳纖維的更快潤溼導致更高的在線生產率和每小時生產更大量smc材料的能力。此外，玻璃纖維的更快潤溼導致smc材料含有更少的幹玻璃纖維。smc材料中更少的幹玻璃纖維又導致複合材料部件的模製期間可能發生的缺陷數量的減少，並且相對於僅由玻璃纖維形成的複合材料部件的生產而言，製造成本的降低。

一旦smc材料達到目標粘度，就可以將smc材料切割並放入具有最終產品的理想形狀的模具中。將模具加熱至升高的溫度並關閉以增加壓力。這種高溫和高壓的結合使得smc材料流動並填充模具。然後基體樹脂經歷熟化期，其中所述材料以化學增稠或凝膠的形式繼續增大粘度。使用混合組裝粗紗形成的示例性的模製複合材料部件可以包括外部汽車車身部件和結構化汽車車身部件。

模製複合材料部件可以含有接近10％至約80％重量的混合組裝粗紗材料，短切或以其他方式併入。當形成a級複合材料時，一些示例性的實施方式將包括約15％至約40％重量的混合組裝粗紗材料。當形成結構化複合材料時，一些示例性的實施方式將包括約35％至約75％重量的混合組裝粗紗材料。

在複合材料中包括玻璃和碳纖維混合物使得可以生產較其他相同的僅包括玻璃纖維增強材料的複合材料在重量上減輕約15％至約50％以及增強約20％至約200％的材料。如圖9所示，隨著複合材料在絲線水平和層間的分散性的增加，這種改善增強。通過在整個複合材料中精細分布碳纖維，應力碳纖維的潛在斷裂路徑將通過附近的玻璃纖維的存在而降低。玻璃纖維的韌性有助於應力碳纖維負荷的重新分布。這將通過減少裂縫裂紋發生位點和減緩破裂發展來延緩裂縫發展。

此外，玻璃和碳混合物增強複合材料利用碳的電導率來進行額外的產品改進，例如用於噴塗工藝的接地裝置、汽車部件中的電氣短路以及電磁幹擾「emi」屏蔽。均勻分散的碳纖維在整個複合材料部件中通過創建具有有利於滲透的方向的自增強網絡創建一個有效的法拉第籠。

在一些示例性的實施方式中，使用本文公開的混合增強材料形成的混合smc材料具有的彈性模量在約5gpa和約40gpa之間，或從約10gpa至約30gpa，或從約15gpa至約20gpa。在其他示例性的實施方式中，混合smc材料具有的彈性模量為約12gpa至約17gpa，或約15gpa。

在一些示例性的實施方式中，使用本文公開的混合增強材料形成的混合smc材料具有的幹的層間的剪切強度在約50mpa和約300mpa之間，或從約70mpa至約80mpa。在其他示例性的實施方式中，所得到的混合smc材料具有的幹的層間的剪切強度為約72mpa和約78mpa，或約75mpa。

在一些示例性的實施方式中，使用本文公開的混合增強材料形成的混合smc材料具有的密度在約0.5g/cc和約3.0g/cc之間，或從約0.75g/cc至約2.5g/cc。在其他示例性的實施方式中，所得到的混合smc材料具有的密度為約1.0g/cc至約1.5g/cc，或約1.08g/cc。

在一些示例性的實施方式中，使用本文公開的混合增強材料形成的混合lft材料具有的拉伸強度大於150mpa。在一些示例性的實施方式中，混合lft材料具有的拉伸強度在約160mpa和約300mpa之間。在一些示例性的實施方式中，使用本文公開的混合增強材料形成的混合lft材料具有的拉伸模量在大於15gpa。在一些示例性的實施方式中，混合lft材料具有的拉伸模量在約19gpa和約28gpa之間，或在約21gpa和約25gpa之間。

此外，在lft材料中使用混合增強纖維有助於克服碳纖維對lft工藝造成的挑戰。特別地，由於碳纖維比玻璃纖維具有更好的熱導性，碳纖維在注入模具之後傾向於過快冷卻。通過將玻璃纖維和碳纖維共混，玻璃纖維的作用是使碳纖維絕緣，使其能夠更好地流動以均勻地填充模具部件來增加產量。

通常描述總體發明構思的各個方面，可以通過參考以下所示的某些具體實施例來獲得進一步的理解，這些具體實施例僅為了說明的目的而提供，除非另有說明，否則不旨在是全部包含性或限制性的。

實施例

圖10示出了各種類型增強纖維的比強度相對於纖維的比模量。如圖所示，傳統的增強材料，特別是玻璃纖維，顯示出約0.9×105m至1.5×105m的比強度和小於5×106m的比模量。另一方面，碳纖維分別在約2.4×105m和14.0×106m處顯示出更高的比強度和比模量。相比之下，50/50的混合玻璃和碳纖維與40/60的混合玻璃和碳纖維均顯示出比單獨的玻璃纖維改善的性能。所述比強度增加至1.5-1.7×105m之間，所述比模量增加至約7.5-9.0×106m之間。因此，混合纖維增強物提供了相對於玻璃纖維增強物的改進，而沒有與製造碳纖維增強物相關的所有成本和工藝問題。

圖11示出了三種smc材料的應力-應變曲線，一種僅包括玻璃纖維增強物，一種僅包括碳纖維增強物，另一種包括具有50：50的玻璃-碳比的混合組裝粗紗增強物。如圖11所示，當接觸相同壓力負荷時，玻璃纖維增強smc顯示出了最大的應變(伸長率)百分比，同時仍能夠恢復至其原始形式。相反地，碳纖維展示了在相同的壓力下的低應變伸長率。使用混合組裝粗紗增強物形成的複合材料顯示了應變百分比落入單獨使用碳纖維或玻璃纖維的應變百分比之間。

圖12顯示出了與玻璃和碳增強的smc材料相比，示例性混合smc材料的拉伸強度與短切絲線寬度的函數。如圖12所示，當絲線的寬度增加時，smc材料的拉伸強度下降。對於結構化smc材料，混合組裝粗紗的寬度應該低於約1mm，例如約0.5mm或更低。對於a級smc材料，混合組裝粗紗的寬度可以小於約2mm。

表1示出了在長纖維熱塑性複合材料中使用本發明構思的混合增強材料獲得的性質。實施例1和2使用已經浸漬pa-6,6基體樹脂的混合組裝玻璃和碳共混長纖維絲束。對比例1是使用多端玻璃纖維粗紗的僅含玻璃的複合材料。對比例2是常規的多端玻璃和碳纖維的混合物，在不共混纖維的情況下通過並排運行碳和玻璃纖維包而形成。常規的混合lft複合材料包括平行的玻璃和碳纖維，但是玻璃和碳纖維並未共混在單一的粗紗中，而是以單獨的纖維維持。實施例1和2通過使用根據本發明構思的混合增強材料製備。在實施例1中的用於形成lft複合材料的碳纖維塗布有3.5重量％的pvp後塗布組合物，在實施例2中的用於形成lft複合材料的碳纖維塗布有3.5重量％的包含pvp和含有50％的a-1100和50％的a-174的混合物的後塗布組合物。

表1

如上所述，使用本文公開的混合增強材料形成的lft複合材料顯示出了比玻璃lft複合材料和常規的、非共混的混合lft複合材料都更高的性能性質。具體地，實施例1和2比對比例1和2更輕(如lft複合材料的重量％所顯示)並且具有更低的比重。另外，實施例1和2具有更高的拉伸和抗彎強度(大於160mpa)以及拉伸和抗彎模量大於在玻璃lft複合材料或常規的、非共混的混合lft複合材料中所觀察到的(大於21gpa)。表1中列出的未切口衝擊強度和切口衝擊強度顯示了塑料複合材料的衝擊強度的對比值。切口衝擊強度通過將複合材料切割出2mm的深度並將錘子落在複合材料上以使其破裂來確定。錘子在衝擊時的能量和斷裂後的能量差表明複合材料吸收的衝擊能量。如上所述，實施例1和2示出了明顯高於對比例1或2的未切口衝擊強度。

雖然本文已經描述了本發明的實施方式，但是應當理解的是，在不脫離總體發明構思的精神和範圍的情況下，可以進行多種修改。所有這些修改旨在被包括在本發明的範圍內，本發明將僅由所附權利要求限定。