DE102011008909A1

DE102011008909A1 - Verbundlaminate und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102011008909A1
Application number: DE201110008909
Authority: DE
Inventors: Choonyong Kwang; Chen-Shih Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-01-22
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2011-09-01
Also published as: CN102189733A; US20100136316A1; US8852733B2; US7981501B2; CN102189733B; US20110244744A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf ein Verbundlaminat und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Verbundlaminat umfasst eine Vielzahl von gestapelten Prepregs, die eine Grenzfläche aufweisen, die zwischen jedem Paar benachbarter Prepregs ausgebildet ist. Jedes Prepreg umfasst ein Matrixmaterial und darin dispergierte Verstärkungsfasern. Wenigstens ein Faservlies ist auf wenigstens einen Teil von wenigstens einer der Grenzflächen laminiert, wobei das wenigstens eine Faservlies Graphit-Nanoplättchen an wenigstens einer Oberfläche davon gebunden hat.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Teilfortführungsanmeldung der gleichzeitig anhängigen US-Patentanmeldung, Eingangsnummer 12/326,362, eingereicht am 2. Dezember 2008, mit dem Titel ”Laminated Composites and Methods of Making the Same”, die hier in ihrer Gesamtheit durch Referenz aufgenommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Verbundlaminate und Verfahren zur Herstellung derselben und insbesondere auf Verbundlaminate, die mit Prepregs und Faservliesstoffen, die Graphit-Nanoplättchen daran gebunden haben, hergestellt werden.
HINTERGRUND
Verbundlaminate, die mit Carbonfaser-Epoxid-Prepregs hergestellt sind, werden für viele Anwendungen eingesetzt. Verbesserte Schlageigenschaften von solchen Verbundlaminaten können für bestimmte Anwendungen bei Kraftfahrzeugen und in der Technik besonders wünschenswert sein. Anstrengungen zur Verbesserung der Schlageigenschaften von Verbundlaminaten umfassen eine Modifizierung der Matrixharz-Eigenschaften oder der Laminatstruktur. Erstgenanntes wird in erster Linie durch Verbesserung der Schlagzähigkeit des Prepreg-Harzsystems unter Verwendung geeigneter Schlagfestmacher-Materialien erreicht. Letztgenanntes wurde durch Einarbeiten verschiedener Grenzflächen zwischen Schichten unter Verwendung von Fasern mit kleinerer Abmessung erreicht.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verbundlaminat und Verfahren zur Herstellung desselben. Das Verbundlaminat umfasst eine Vielzahl von gestapelten Prepregs, die eine Grenzfläche haben, die zwischen jedem Paar benachbarter Prepregs gebildet wird. Jedes Prepreg umfasst ein Matrixmaterial und Verstärkungsfasern, die darin dispergiert sind. Wenigstens ein Faservlies(stoff) ist auf wenigstens einen Teil von wenigstens einer der Grenzflächen laminiert, wobei das wenigstens eine Faservlies Graphit-Nanoplättchen an wenigstens einer Oberfläche davon gebunden hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnungen klar werden.
1A, 1B und 3C sind eine Reihe schematischer Diagramme, die die Schritte des Dispergierens expandierter Graphit-Nanoplättchen (xGnP) (in 1A als ”Dispergieren von xGnP” bezeichnet), des Dotierens eines Vlieses mit expandierten Graphit-Nanoplättchen (in 1B als ”Dotieren von xGnP” bezeichnet) und Durchführen einer Laminatformung (in 1C als ”Laminat-Formung” bezeichnet) darstellen.
2 ist ein Diagramm mit vergleichenden Schlaglast-Verschiebungs-Kurven, die eine Last (kN) vs. Verschiebung (mm) von einer Probe des Verbundlaminats, das hierin offenbart ist, und mehreren Vergleichsproben (d. h. ohne Vliese und mit undotierten Vliesen) aufgetragen haben, und
3 ist ein Graph vergleichender Schlaglast-Verschiebungs-Kurven, die Last (kN) vs. Verschiebung (mm) von einer Probe des hierin offenbarten Verbundlaminats und einer Vergleichsprobe, die mit Nanocarbonfaser dotierte Vliese umfasst, aufgetragen hat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Das hierin offenbarte Verbundlaminat weist im Vergleich zu anderen bekannten Verbundlaminaten überlegene Schlageigenschaften auf. Das Verbundmaterial der Beispiele, das hierin offenbart ist, umfasst kleine Mengen an Graphit-Nanoplättchen, die strategisch an den Grenzflächen zwischen mehreren Prepreg-Schichten platziert sind. Diese kleinen Mengen an Graphit-Nanoplättchen sind an dünne Faservliese gebunden, die als Träger für die Nanoplättchen verwendet werden. Als solche werden die Graphit-Nanoplättchen nicht zu allen in dem fertigen Verbundmaterial vorliegenden Fasern (z. B. den Prepreg-Fasern) gegeben, sondern werden den Faservliesen zugesetzt, die an den Grenzflächen zwischen Prepreg-Schichten positioniert sind. Die mit Graphit-Nanoplättchen dotierten Faservliese erhöhen vorteilhafterweise die Schlageigenschaften, und verstärken schwache Grenzflächen des resultierenden Verbundmaterials, ohne das Gewicht oder die Masse (z. B. Dicke) des Verbundmaterials wesentlich zu erhöhen oder die Herstellungskosten zu erhöhen.
Der Ausdruck ”Prepreg”, wie er hierin verwendet wird, ist eine Kombination aus Matrixharz und Faserverstärkung, die zur Verwendung in dem Herstellungsverfahren, das hierin offenbart ist, unter Wärme und Druck geeignet ist. In einem Beispiel wurden die Fasern des Prepregs mit einem vorkatalysierten Matrixharz imprägniert und teilweise gehärtet (B-Stufe). ”Auflegen” (”Lay-up”) bezieht sich auf das Verfahren des Auflegens des Prepregs, das mit dem Harz vorimprägniert wurde, außerhalb oder manchmal direkt auf der Form. Es ist einzusehen, dass in dem hierin offenbarten Verfahren die Arbeitsgänge des ”Lay-up” auch ein Legen des mit Graphit-Nanoplättchen dotierten Vlieses (weiter unten diskutiert) zwischen die Prepregs involviert.
Bei der Herstellung des hierin offenbarten Verbundlaminats erfolgt die Laminierung der mit Nanoplättchen dotierten Vliese auf die Prepregs während des ”Lay-up”-Prozesses. Ein Vorteil dieser Technik besteht darin, dass sie keine chemischen oder physikalischen Modifikationen der existierenden Prepregs erfordert. Eine Modifizierung kommerzieller Prepregs ist im Allgemeinen schwierig und teuer, zumindest teilweise, weil diese Materialien in ihrer Härtungsrate, in ihrem Viskositäts-Temperatur-Verhalten und in ihren Handhabungs-Charakteristika genau ausgewogen sind. Es ist einzusehen, dass das Verfahren der Herstellung des hierin offenbarten Verbundlaminats mit einem beliebigen Prepreg verwendet werden kann. Es wird angenommen, dass die Technik zur Ausführung praktikabel ist, da sie eine minimale, wenn überhaupt, Veränderung der herkömmlichen Prepregs und/oder der Auflege-Prozesse bzw. Lay-up-Prozesse erfordert.
Ein weiterer Vorteil des hierin offenbarten Verfahrens besteht darin, dass es im Vergleich zu dem herkömmlichen Verfahren der Einarbeitung von Nanofasern in die gesamte Prepreg-Harzmatrix eine deutlich geringere Menge der Graphit-Nanoplättchen verwendet. Eine frühere Studie, die in der Literatur gefunden wird (siehe 12 in Quaresimin et al., "Understanding the effect of nano-modifier addition upon the properties of fibre reinforced laminates", Composites Science and Technology, Bd. 68, Punkte 3–4, März 2008, Seiten 718–726) beschreibt eine 20%-ige Verbesserung bei der Schlagenergie durch Zusetzen von 7,5 Gew.-% Carbonnanofasern (CNF = carbon nanofibers) zu dem Prepreg selbst. Die Technik der vorliegenden Offenbarung erzeugt eine mehr als 20%-ige Verbesserung mit weniger als 3 Gew.-% expandierten Graphit-Nanoplättchen und ohne dass die expandierten Graphit-Nanoplättchen in die Prepreg-Zusammensetzung eingearbeitet werden müssen, wie es in Tabelle 1 in den Beispiel im Folgenden gezeigt ist.
Noch ein weiterer Vorteil des hierin offenbarten Verfahrens besteht darin, dass Erhöhungen bei Dicke und Gewicht der Teile, die aus dem Verbundlaminat, das aus dem hierin offenbarten Verfahren resultiert, geformt wurden, minimal und wahrscheinlich vernachlässigbar sind. Die Dicke des geformten Verbundmaterials kann zum Beispiel um etwa 0,01 mm bis etwa 0,1 mm erhöht werden, indem die dotierten Vliese eingeschlossen werden. Daher ist das hierin offenbarte Verfahren anwendbar, ohne dass ein existierender Teileaufbau und Herstellungswerkzeug und -verfahren modifiziert werden müssen. Die Gewichtszunahme der fertigen Teile kann auch weiter minimiert werden, indem Carbonfaservliese mit geringerem Gewicht verwendet werden.
Im Allgemeinen beginnt das Verfahren, wie es in 1A gezeigt ist, mit einem Dispergieren eine geringen Menge von geeigneten expandierten Graphit-Nanoplättchen in einem gewünschten Lösungsmittel oder einer gewünschten Lösung. Expandierte Graphit-Nanoplättchen (xGnP) sind Nanopartikel, die aus Graphit bestehen. Die Größe von xGnP wird durch den durchschnittlichen Plättchendurchmesser, gemessen durch die laterale Abmessung, ausgedrückt, zum Beispiel 1, 5, 10, 15, 25 Mikrometer usw. Die Partikelgrößenverteilung ist im Allgemeinen auf eine normale Verteilung mit einer Standardabweichung von etwa ±35% angepasst. In einigen Fällen umfassen die Nanopartikel kleine Stapel aus Graphen, die 1 nm bis 15 nm dick sind und Durchmesser im Bereich von Submikrometern bis 100 Mikrometer haben. In einem nicht beschränkenden Beispiel liegt der durchschnittliche Durchmesser der Graphit-Nanoplättchen im Bereich von etwa 5 Mikrometer bis etwa 15 Mikrometer. Bei einigen Ausführungsformen kann auch ein Gemisch aus Graphit-Nanoplättchen unterschiedlicher Größe verwendet werden (z. B. ein Gewichtsverhältnis von xGnP mit 5 Mikrometer zu xGnP mit 15 Mikrometer von 1:1). Es wird angenommen, dass sich eine Mischung wenigstens teilweise wegen der Größenverteilung einfacher in dem ausgewählten Lösungsmittel dispergieren kann.
Im Allgemeinen wird die Menge an Graphit-Nanoplättchen so gewählt, dass sich die Graphit-Nanoplättchen unter Erzielung der gewünschten Lösung verteilen, und so, dass die resultierende Lösung eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung der Graphit-Nanoplättchen auf dem Faservlies erleichtert. Darüber hinaus ist einzusehen, dass die verwendete Menge an Graphit-Nanoplättchen variiert werden kann, und zwar wenigstens teilweise, in Abhängigkeit vom gewünschten erhöhten Level der Schlageigenschaften. Bei einer Ausführungsform liegt die Menge an Graphit-Nanoplättchen, die im Lösungsmittel dispergiert ist, im Allgemeinen im Bereich von etwa 0,5 Gew.-% bis etwa 2 Gew.-% des Gesamtgewichts des Lösungsmittels.
Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass die Gesamtmenge an Graphit-Nanoplättchen in dem fertigen geformten Verbundmaterial klein ist. Dadurch erfolgt keine signifikante Hinzufügung zum Gewicht und zur Masse des fertigen Produkts. In einem nicht beschränkenden Beispiel ist die Gesamtmenge an Graphit-Nanoplättchen weniger als 2 Gew.-% des fertigen geformten Verbundmaterials. Wenn zum Beispiel drei dotierte Vliese 2 Gew.-% der gesamten Graphit-Nanoplättchen in der Verbund-Hauptmatrix ausmachen, dann enthält jedes Vlies etwa 0,7 Gew.-% Graphit-Nanoplättchen.
Nicht beschränkende Beispiele für geeignete Graphit-Nanoplättchen umfassen expandierte Graphit-Nanoplättchen. Solche Nanoplättchen sind aus natürlichem Graphit hergestellt, das eine stark adhärierte Mehrschichtenstruktur hat. Die Schichten können unter Verwendung verschiedener Typen von Interkalationsmitteln, zum Beispiel Alkalimetalle, Metallhalogenide, Säure-Alkalimetalle usw., interkaliert werden. Durch schnelles Erwärmen kann der interkalierte Graphit expandiert werden, um so expandierte Schichten herzustellen, die weiter getrennt werden können. Der expandierte Graphit wird pulverisiert, um expandierte Nanoplättchen von Graphen herzustellen.
Es ist wünschenswert, dass die Graphit-Nanoplättchen in dem ausgewählten Lösungsmittel oder der ausgewählten Lösung dispergiert werden. Graphit-Nanoplättchen sind von Natur aus hydrophob und somit kann ein Additiv verwendet werden, um eine Dispersion der Plättchen in dem ausgewählten Lösungsmittel zu erleichtern. In einem nicht beschränkenden Beispiel wird Isopropylalkohol als Lösungsmittel ausgewählt und eine kolloidales Nanosilica/Isopropanol-Lösung wird als Dispergiermittel ausgewählt. Andere Lösungsmittel, die verwendet werden können, umfassen chlorierte Kohlenwasserstoffe und/oder aromatische Lösungsmittel. Andere Dispersions-Additive/-Mittel/-Hilfsmittel, die verwendet werden können, umfassen Dimethylsulfoxid, N-Methyl-2-pyrrolidon, Polyethylenglykol-mono[4-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)phenyl]ether, Polyethylenglykolmonoethylether oder dergleichen.
Die Dispersion der Graphit-Nanoplättchen in dem ausgewählten Lösungsmittel/der ausgewählten Lösung kann erreicht werden, indem die Graphit-Nanoplättchen dem Lösungsmittel/der Lösung (einschließlich des Dispergiermittels) zugesetzt werden und das Gemisch für eine vorbestimmte Zeit einer Ultraschallbehandlung ausgesetzt wird. Es ist einzusehen, dass die Ultraschallbehandlungszeit teilweise von den Graphit-Nanoplättchen und dem Lösungsmittel/der Lösung, das/die verwendet wird, und der Dispergierbarkeit der Graphit-Nanoplättchen in dem Lösungsmittel/der Lösung abhängt. Die Temperatur des Beschallungsbades ist nicht streng reguliert, allerdings wird die Lösung relativ kühl gehalten, um ein Überhitzen durch die Ultraschallbehandlung zu verhindern. Ein solches Überhitzen kann zu einer schnellen Verdampfung des Lösungsmittels und zu einer Verschlechterung der Dispersionseffizienz führen. Die Ultraschallbehandlungszeit kann von der maximalen Dauer abhängen, mit welcher der dispergierte Zustand aufrechterhalten werden kann, bevor eine Phasentrennung beginnt.
Was nun 1B angeht, so werden dünne, trockene Faservliese in die Lösung dispergierter Graphit-Nanoplättchen eingetaucht; dadurch werden die Vliese mit den Graphit-Nanoplättchen dotiert. Ein nicht beschränkendes Beispiel für ein Faservlies ist ein Glas-, Carbon- oder Polymer-Faservlies. Die Vliese werden für eine vorbestimmte Zeit in die Lösung mit dispergierten Graphit-Nanoplättchen eintauchen gelassen, so dass die Graphit-Nanoplättchen an einer oder mehreren exponierten Oberflächen des Vlieses anhaften. Dieser Dotierungsprozess wird in Abwesenheit von Leimmaterialien/Mitteln, wie zum Beispiel polymeren Bindemitteln, erreicht.
Das dotierte Vlies/die dotierten Vliese wird/werden dann getrocknet. Ein Trocknen kann durch Verdampfen des Lösungsmittels für eine vorbestimmte Zeit bei einer vorbestimmten Temperatur (für welche Raumtemperatur ein nicht beschränkendes Beispiel ist) erreicht.
Das getrocknete dotierte Vlies/die getrockneten dotierten Vliese wird/werden an einer Grenzfläche zwischen benachbarten Prepregs laminiert, wobei Standard-Lay-up-Verfahren verwendet werden. Wie vorher erwähnt wurde, kann ein beliebiges gewünschtes Prepreg verwendet werden. In einem nicht beschränkenden Beispiel sind die Prepregs unidirektionale Carbonfaser/Epoxid-Prepregs, die höchstens 35 Gew.-% Epoxidharz und wenigstens 65 Gew.-% Carbonfasern enthalten. Bezüglich der Faserstruktur können Prepregs verwendet werden, die aus gewebten Geweben (zum Beispiel glattem Gewebe, Satingewebe, Twill, usw.) oder multiaxialen Geweben (zum Beispiel Kräuselgewebe) hergestellt sind. Nicht beschränkende Beispiele für geeignete Prepreg-Materialien umfassen Kohlenstoff, Glas, Bor und Polymere. Die Carbonfasern in den Prepregs können zum Beispiel 12K-Carbonfasern oder 24K-Carbonfasern sein. Nicht-limitierende Beispiele für geeignete Prepreg-Matrixharze umfassen Epoxidharze, Phenolharze, Polyesterharze, Vinylesterharze, Polyimidharze, thermoplastische Harze, usw.
Nach dem Laminieren werden die Prepregs, die das dotierte Vlies zwischen den Grenzflächen haben, zu einem Verbundmaterialteil geformt, wobei zum Beispiel Pressformungstechniken verwendet werden (siehe zum Beispiel 1C). Andere nicht beschränkende Beispiele für geeignete Formungstechniken umfassen das Vakuumbeutelverfahren und das Autoklavenverfahren.
Zur Erinnerung, 1A bis 1C stellen schematische Zeichnungen von a) Graphit-Nanoplättchen (xGnP) dar, die durch Ultraschallbehandlung in Alkohol dispergiert wurden; b) einem Faservlies, das in die xGnP-Dispersion eingetaucht und dann getrocknet wird, und c) xGnP-dotierten Vliesen, die an den Grenzflächen zwischen verschiedenen unidirektionalen (UD)-Schicht-Prepregs angeordnet sind, und der UD-Prepreg/Vlies-Struktur, die anschließend unter Wärme gepresst wird.
In den hierin offenbarten Beispielen ist der durchschnittliche Durchmesser der Fasern, die die Faservliese bilden (nicht zu verwechseln mit den gebundenen Graphit-Nanoplättchen), gleich oder ähnlich dem durchschnittlichen Durchmesser der Fasern, die die Prepregs bilden. In einem anderen Beispiel liegt der durchschnittliche Durchmesser der Fasern in den Vliesen und den Prepregs in dem Bereich von etwa 7000 nm bis etwa 9000 nm. Solche Fasern sind im Allgemeinen im Handel erhältlich und können in einigen Fällen erwünschter sein. Es ist einzusehen, dass die Faservliese mit kleineren Fasern hergestellt sein können, dass aber in einigen Fällen solche Vliese schwieriger herzustellen und teuerer sind.
Um das hierin offenbarte Beispiel/die hierin offenbarten Beispiele genauer zu veranschaulichen, werden die folgenden Beispiele angeführt. Dabei wird klar sein, dass diese Beispiele nur zur Erläuterungszwecken angeführt werden, und keineswegs als den Rahmen der hierin offenbarten Beispiele beschränkend aufgebaut sein sollen.
BEISPIELE
Geformte Plattenproben wurden nach dem hierin offenbarten Verfahren hergestellt (einige mit expandierten Graphit-Nanoplättchen mit 5 Mikrometer (Proben 1a, 1b und 1c), einige mit expandierten Graphit-Nanoplättchen mit 15 Mikrometer (Proben 2a, 2b und 2c) und einige mit Graphit-Nanoplättchen sowohl mit 5 als auch mit 15 Mikrometer im Gewichtsverhältnis 1:1 (Proben 3a und 3b)), und es wurden drei geformte Vergleichs-Plattenproben hergestellt, von denen eine keine Vliese umfasste (Vergleichsbeispiel 1), von denen eine undotierte Vliese (Vergleichsbeispiel 2) umfasste und noch eine andere mit Nanocarbonfaser dotierte Vliese umfasste (Vergleichsbeispiel 3).
Die Proben-Verbundmaterialien gemäß der Erfindung, die hierin offenbart werden, wurden wie folgt hergestellt. Die expandierten Graphit-Nanoplättchen hatten unterschiedliche Qualität, jeweils mit einer nominalen Größe von 5 Mikrometer bzw. 15 Mikrometer, und wurden von XG Sciences geliefert. Um die expandierte Graphie-Nanoplättchen (xGnP) enthaltenden Vliese herzustellen, wurden bis zu 2 g der verschiedenen Typen von xGnP (xGnP mit 5 Mikrometer, xGnP mit 15 Mikrometer oder eine Mischung beider) in 125 ml bis 175 ml Isopropylalkohol durch Ultraschallbehandlung für 1 Stunde in einem Eis-Wasser-Kühlbad dispergiert. 0,2 g bis 1 g IPA-ST-kolloidales Nanosilica/Isopropanol-Lösung von Nissan Chemical (30 Gew.-% Silica) wurden zu dem Isopropylalkohol vor Ultraschallbehandlung gegeben, um eine Dispersion des xGnP zu erleichtern.
Die dispergierte Lösungen wurden in entsprechende quadratische Becken transferiert und Faservliese (Optimat 20103A (Glasfaser, 17 g/m²), geliefert von TFP) wurden eingetaucht und dann aus den entsprechenden Becken genommen. Die nassen Vliese wurden durch Verdampfung des Alkohols für etwa 30 Minuten bei Raumtemperatur getrocknet. Die trockenen xGnP enthaltenden Vliese wurden dann gewogen.
Die unidirektionalen Carbonfaser-Epoxid-Prepregs, die in diesen Beispielen verwendet wurden, bestanden aus 35 Gew.-% Harz und 65 Gew.-% 24K-T700-Carbonfasern, geliefert von Patz Materials and Technologies. Das Flächengewicht der Prepregs war 300 g/m².
Es wurden Standard-Lay-up-Verfahren angewendet und die Lay-up-Anordnungen waren 0/90/0/0/90/0 für Vergleichsbeispiel 1 und 0/V/90/0/V/0/90/V/0 für Proben, die Vliese enthielten (V = Vlies), (Proben 1a bis 3b und Vergleichsbeispiele 2 und 3). Jede der Lay-up-Verbundproben wurde in einem Bilderrahmen 254 mm × 254 mm und mit zwei flachen Platten mit 1,4 MPa und 157°C für 10 Minuten pressgeformt. Die nominale Dicke der geformten Platten-Verbundmaterialien mit Vliesen (d. h. Proben 1a bis 3b und Vergleichsbeispiele 2 und 3) war etwa 1,85 mm und die nominale Dicke der geformten Platten-Verbundmaterialien ohne Vliese (d. h. Vergleichsbeispiel 1) war 1,80 mm. Die Gewichtszunahmen, bedingt durch das Hinzufügen von Vliesen und xGnP, waren kleiner als 2,2 Gew.-% der Verbundplatten.
Dann wurden quadratische Proben (100 m × 100 mm) aus den Platten des Verbundlaminats zum Testen auf Schlagzähigkeit ausgeschnitten. Die Schlagtests wurden unter Verwendung eines Instron-Geräts mit hoher Rate, ausgestattet mit einem halbkugeligen Schlagpendel (20 mm in Durchmesser), durchgeführt. Die Schlaggeschwindigkeit von 0,5 m/s wurde gewählt, um ausreichend Energie bereitzustellen, um Proben nach vorangehenden Tests zu penetrieren. Aus der Last-Verschiebungskurve wurde die maximale Last gefunden und die entsprechende Energie wurde durch numerische Integration unter der Kurve für jede Probe errechnet. Die Energie zur Penetration wurde durch Integration zu dem Penetrationspunkt, bei dem die Oszillation der Last noch vorhanden ist, aber als Darstellung von Scharniereffekten, erhalten. Der Schlagversuch wurde an der Rückseite der Probe auf Video aufgenommen, wobei eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera verwendet wurde, um die Interpretation der Last-Verschiebungskurve zu bestätigen.
Drei typische Last-Verschiebungs-Kurven, die aus den Schlagversuchen erhalten wurden, sind in 2 gezeigt. Der Graph zeigt Last (in Kilo-Newton) vs. Verschiebung (in Millimetern) für Proben ohne Vliese (Vergleichsbeispiel 1), Proben mit Vliesen allein (Vergleichsbeispiel 2) und Proben mit Vliesen, die xGnP mit 5 Mikrometer haben (1,2 Gew.-% Probe 1a). Die Anzahl, die für die Proben und Vergleichsbeispiele verwendet wurden, sind von 2 bis 3 derselben oder ähnlichen Proben gemittelt, wobei wenigstens zwei Tests für jede Probe durchgeführt wurden. Die Schlagkurve für die Probenplatte ohne Faservliese (Vergleichsbeispiel 1) wurde etwas höher eingestellt, um die Zunahme der Dicke (0,05 mm oder 3%), die durch die Anfügung von Vliesen in den anderen Beispielen verursacht wurde, zu berücksichtigen. Es wurde festgestellt, dass die Hinzufügung von xGnP an den Vliesen keine messbare Dickenänderung im Vergleich zu Vergleichsbeispiel 2 (nicht dotiertes Vlies) verursachte. Die Daten zeigen, dass das gesamte Schlagverhalten der Probe durch Zusatz von Vliesen (entweder mit oder ohne xGnP) nicht verändert wurde. Allerdings waren die maximale Last und die Schlagenergie für Vergleichsbeispiel 2, das die undotierten Faservliese allein enthielt, erhöht und waren für Proben, die Faservliese, dotiert mit xGnP, enthielten (zum Beispiel Probe 1a), weiter erhöht.

Die Verbesserung bei den Schlageigenschaften der Verbundlaminate, die verschiedene Mengen von xGnP enthalten, ist in Tabelle 1 (unten) als prozentuale Erhöhung bei der maximalen Last, der Energie zur maximalen Last und der Energie zur Penetration zusammengefasst. Die Konzentration von xGnP wurde als Gewichtsprozent der gesamten Harzmatrix in den Verbundmaterial-Proben errechnet. Die Resultate zeigen, dass das hierin offenbarte Verfahren erfolgreich eine signifikante Verbesserung bei den Schlageigenschaften von Verbundlaminaten erreichten, wobei jede(r) der verschiedenen Typen und Mischungen von xGnP verwendet wurde. Tabelle 1: Schlageigenschaften von Verbundlaminaten (12K, T700-Carbonfaser-Prepreg): Vergleichsbeispiel 1 ohne Vliese, Vergleichsbeispiel 2 mit undotierten Vliesen, Probe 1 (einschließlich a, b und c) mit Vliesen, die xGnP mit 5 Mikrometer haben, Probe 2 (einschließlich a, b und c) mit Vliesen, die xGnP mit 15 Mikrometer haben, und Probe 3 (einschließlich a und b) mit Vliesen, die ein 1:1-Gewichtsverhältnis von xGnP mit 5 Mikrometer zu xGnP mit 15 Mikrometer haben.

	xGnP in Harz	maximale Last		Energie zu maximaler Last		Energie zu Penetration
	Gew.-%	kN	% Erhöhung	J	% Erhöhung	J	% Erhöhung
Vergl.Bsp. 1	0,0	2,9	0	8,1	0	15,2	0
Vergl.Bsp. 2	0,0	3,8	33	11,5	42	20,0	31
Probe 1a	1,2	4,1	44	12,5	55	26,3	73
Probe 1b	2,2	4,4	54	11,6	44	21,0	38
Probe 1c	3,2	3,8	32	9,9	23	21,7	42
Probe 2a	1,2	4,0	39	14,1	75	25,2	65
Probe 2b	2,3	4,2	44	11,2	39	22,7	49
Probe 2c	3,4	4,4	53	12,7	58	23,2	53
Probe 3a	1,2	4,4	51	13,3	65	25,9	70
Probe 3b	2,3	4,2	44	11,2	39	22,7	49

Die Wirksamkeit der Zugabe von xGnP bei der Verbesserung der Schlageigenschaften wird mit Verbundlaminaten verglichen, die Carbonfaserdotierte Vliese zwischen den Prepregs haben. Dieser Vergleich ist in 3 gezeigt. Die Verbesserung bei den Schlageigenschaften von Probe 1a und Vergleichsbeispiel 3 ist ähnlich, außer dass Graphit-Nanoplättchen im Allgemeinen weniger teuer sind als Nanocarbonfasern.
Obgleich mehrere Beispiele im Detail beschrieben wurden, wird es für den Fachmann klar sein, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher ist die vorangehende Beschreibung beispielhaft, nicht aber beschränkend anzusehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Quaresimin et al., ”Understanding the effect of nano-modifier addition upon the properties of fibre reinforced laminates”, Composites Science and Technology, Bd. 68, Punkte 3–4, März 2008, Seiten 718–726 [0012]

Claims

Verbundlaminat, umfassend: eine Vielzahl von gestapelten Prepregs, die eine Grenzfläche aufweisen, die zwischen jedem Paar benachbarter Prepregs ausgebildet ist, wobei jedes Prepreg ein Matrixmaterial und darin dispergierte Verstärkungsfasern umfasst, und wenigstens ein Faservlies, das auf wenigstens einen Teil von wenigstens einer der Grenzflächen laminiert ist, wobei das wenigstens eine Faservlies Graphit-Nanoplättchen aufweist, welche an wenigstens einer Oberfläche davon gebunden sind.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Faservlies, das die Graphit-Nanoplättchen daran gebunden hat, eine vorbestimmte Dicke an den Verbundstoff anfügt und wobei die vorbestimmte Dicke im Bereich von etwa 0,01 mm bis etwa 0,1 mm liegt.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei die Graphit-Nanoplättchen expandierte Graphit-Nanoplättchen sind.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei die Verstärkungsfasern Carbonfasern sind und das Matrixmaterial ein Harz ist, wobei jedes der Prepregs höchstens 35 Gew.-% des Harzes und wenigstens 65 Gew.-% der Carbonfasern umfasst und wobei die Carbonfasern aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus 12K-Carbonfasern, 24K-Carbonfasern und Kombinationen davon besteht.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei das wenigstens eine Faservlies ein Glasfaservlies ist.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei die Menge der Graphit-Nanoplättchen in dem Verbundlaminat weniger als 2,5 Gew.-% der Gesamt-Gewichtsprozente des Verbundlaminats beträgt.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei jedes von i) der Vielzahl von Prepregs und ii) dem wenigstens einen Faservlies Fasern umfasst, wobei solche Fasern einen durchschnittlichen Durchmesserbereich von etwa 7000 nm bis etwa 9000 nm aufweisen.
Verbundlaminat gemäß Anspruch 1, wobei jedes der Vielzahl von Prepregs umfasst i) Fasern, welche aus Carbonfasern, Glasfasern, Borfasern und Polymerfasern ausgewählt sind, ii) eine Struktur, welche aus einer unidirektionalen Struktur, gewebten Geweben und multiaxialen Geweben ausgewählt ist, und iii) ein Harz, welches aus Epoxidharzen, Phenolharzen, Polyesterharzen, Vinylesterharzen, Polyimidharzen und thermoplastischen Harzen ausgewählt ist.
Verfahren zur Herstellung eines schlagfesten Verbundlaminats, wobei das Verfahren umfasst: Dotieren einer Oberfläche wenigstens eines Faservlieses mit Graphit-Nanoplättchen; Laminieren des wenigstens einen Faservlieses auf wenigstens einen Teil einer Grenzfläche zwischen einer Vielzahl von Prepregs, wobei jedes Prepreg Verstärkungsfasern in einem Matrixmaterial umfasst, und Formen der laminierten Vielzahl von Prepregs und wenigstens eines Faservlieses zu einem Verbundmaterial.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Dotieren der Oberfläche wenigstens eines Faservlieses mit den Graphit-Nanoplättchen erreicht wird durch: Eintauchen des wenigstens einen Faservlieses in eine Lösung, die die Graphit-Nanoplättchen darin dispergiert enthält, wobei die Lösung Isopropanol, ein Dispergiermittel und ein Gemisch aus kolloidalem Nano-Silica und Isopropanol umfasst, und Trocknen des wenigstens einen Faservlieses, das die Graphit-Nanoplättchen daran gebunden hat.