熱塑性材料和工具的表面工程的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的標(biāo)的物涉及纖維增強(qiáng)的熱塑性塑性復(fù)合材料，并且特定來(lái)說(shuō)將表面層聚 合物涂層施加到復(fù)合物形成模制工具上或施加到纖維增強(qiáng)的熱塑性預(yù)浸體復(fù)合材料上以 增強(qiáng)預(yù)浸體在用于預(yù)浸體形成或原位自動(dòng)化鋪設(shè)膠帶布置的所述復(fù)合物形成模制工具上 的第一夾層鋪設(shè)。在自動(dòng)化鋪設(shè)期間或之前原位施加所述表面層聚合物涂層還可在纖維增 強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的每一層之間提供有益的富樹(shù)脂層間層。所述表面層聚合物涂層優(yōu)選 是熱塑性顆粒，其通過(guò)等離子噴霧施加到模制工具或預(yù)浸體上以形成熱塑性顆粒的實(shí)質(zhì)上 融合層。更具體來(lái)說(shuō)，在某些實(shí)施例中，本發(fā)明涉及用于快速層壓和形成工藝的纖維增強(qiáng)的 分層熱塑性預(yù)浸體，其中所述纖維增強(qiáng)的熱塑性預(yù)浸體可用于航空和其它高性能汽車/工 業(yè)應(yīng)用中。
【背景技術(shù)】
[0002] 增強(qiáng)的熱塑性和熱固性材料已廣泛應(yīng)用于（例如）航空、汽車、工業(yè)/化學(xué)和體育 用品工業(yè)。在固化之前將熱固性樹(shù)脂浸漬于纖維增強(qiáng)材料中，而樹(shù)脂性材料具有低粘度。熱 固性復(fù)合物具有一定缺點(diǎn)，包含與去除夾帶空氣或揮發(fā)物以產(chǎn)生無(wú)空隙基質(zhì)有關(guān)的處理問(wèn) 題。通過(guò)預(yù)浸漬方法制得的熱固性復(fù)合物需要漫長(zhǎng)的固化時(shí)間與交替壓力以在樹(shù)脂固化時(shí) 控制其流動(dòng)，從而防止在基質(zhì)中出現(xiàn)氣泡。盡管傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)制作手動(dòng)將熱固性預(yù)浸體夾層 布置于工具上，但當(dāng)前大結(jié)構(gòu)的制作利用機(jī)器人將熱固性復(fù)合材料布置于工具上以增加產(chǎn) 生速率。結(jié)構(gòu)組份的總產(chǎn)生速率受限于高壓釜工藝步驟中的漫長(zhǎng)固化和制備用于所述工藝 步驟的材料的相關(guān)操作。一些高容量工藝（例如樹(shù)脂輸注）避免了預(yù)浸漬步驟，但仍需要 特殊設(shè)備和材料以及在固化時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)持續(xù)監(jiān)測(cè)工藝（例如美國(guó)專利第4, 132, 755號(hào)和第 5,721，034 號(hào)）。
[0003] 熱塑性樹(shù)脂組合物較難以浸漬到纖維增強(qiáng)材料中，因?yàn)槠湔扯认鄬?duì)高于熱固性樹(shù) 脂組合物。另一方面，熱塑性樹(shù)脂組合物提供許多優(yōu)于熱固性樹(shù)脂組合物的益處。舉例來(lái) 說(shuō)，熱塑性預(yù)浸體可更快速地制作成物件，并且使用纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料進(jìn)行制作 可利用機(jī)器人自動(dòng)化鋪設(shè)膠帶將纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料布置于模制工具上以增加產(chǎn) 生速率。此可經(jīng)由多步驟機(jī)器人臂來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中預(yù)熱纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的先前層， 然后加熱纖維增強(qiáng)的熱塑性復(fù)合材料的后續(xù)層并將其鋪設(shè)于先前層的頂部。
[0004] 熱塑性樹(shù)脂是具有高分子量的長(zhǎng)鏈聚合物，其在熔化時(shí)具有高粘性且其流動(dòng)行為 通常是非牛頓性（non-Newtonian)。因此，盡管熱固性材料的粘度在100厘泊到5, 000厘泊 (0. lPa*s到5Pa*s)的范圍內(nèi)，但熱塑性材料的熔體粘度范圍為5, 000厘泊到20, 000, 000 厘泊（5Pa*s到20, 000Pa*s)且更通常地20, 000厘泊到1，000, 000厘泊（20Pa*s到 1000Pa*s)。盡管熱固性材料與熱塑性材料之間的粘度差為三個(gè)數(shù)量級(jí)，但一些工藝已應(yīng)用 到兩種類型的基質(zhì)中以用于層壓纖維性材料。
[0005] 可通過(guò)以下步驟來(lái)制造纖維增強(qiáng)的塑性材料：首先使用樹(shù)脂浸漬纖維增強(qiáng)物以形 成預(yù)浸體，然后任選地利用額外形成步驟使兩個(gè)或更多個(gè)預(yù)浸體固結(jié)為壓層。一些工藝將 熔體直接施加到纖維上。可通過(guò)以下步驟來(lái)制備膠帶：使用聚合物涂覆準(zhǔn)直纖維的干燥網(wǎng) 片且施加加熱工藝以迫使聚合物進(jìn)入纖維中并環(huán)繞纖維（例如參見(jiàn)美國(guó)專利第4, 549, 920 號(hào)和第4, 559, 262號(hào)）。用于涂覆和浸漬準(zhǔn)直纖維的干燥網(wǎng)片的另一工藝是通過(guò)牽拉網(wǎng)片 穿過(guò)精細(xì)熱塑性聚合物顆粒的水性漿液，由此將聚合物顆粒陷獲于絲束內(nèi)。隨后，工藝中的 熱和壓力使水蒸發(fā)且然后使聚合物熔化以迫使其進(jìn)入絲束中并環(huán)繞絲束。此工藝描述于美 國(guó)專利第6, 372, 294號(hào)、第5, 725, 710號(hào)、第4, 883, 552號(hào)和第4, 792, 481號(hào)中。對(duì)水性漿 液浸漬工藝的修改消除使用水和表面活性劑作為聚合物顆粒的分散劑且改為使空氣流化 床中的顆粒帶靜電以將顆粒陷獲于絲束中。隨后的熱和壓力區(qū)使聚合物熔化以涂覆/浸漬 絲束，如美國(guó)專利第5, 094, 883號(hào)中所給出。因此，對(duì)于所屬領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，考慮到可 用工藝設(shè)備和聚合物產(chǎn)物形式（薄片、精細(xì)粉末、膜、非織造覆面、沉淀物）和熔體粘度的適 當(dāng)選擇，存在多種涂覆和/或浸漬纖維性襯底的方法。
[0006] 熱塑性和熱固性復(fù)合物二者均可形成為薄柔性片材或條帶，稱為膠帶。此允許通 過(guò)將復(fù)合膠帶鋪設(shè)于模制工具中來(lái)形成復(fù)合組件，其中組件厚度根據(jù)所鋪設(shè)復(fù)合膠帶的層 數(shù)而局部變化，并且還可控制膠帶中一或多個(gè)層的方向以控制所形成復(fù)合組件的最終結(jié)構(gòu) 性質(zhì)。然后將所鋪設(shè)組件"固結(jié)"，所述工藝情形涉及加熱復(fù)合結(jié)構(gòu)以使熱固性或熱塑性基 質(zhì)軟化到足夠程度以形成單一的一致性基質(zhì)，并且向經(jīng)軟化基質(zhì)施加足夠壓力以從基質(zhì)逐 出任何陷獲空氣。
[0007] 就最終結(jié)構(gòu)性質(zhì)來(lái)說(shuō)，熱塑性復(fù)合物具有優(yōu)于熱固性復(fù)合物的抗沖擊和損害性且 通常較堅(jiān)韌和更耐化學(xué)腐蝕，所有性質(zhì)都是航空應(yīng)用內(nèi)的優(yōu)選性質(zhì)。另外，由于熱塑性復(fù)合 物可重復(fù)再加熱和再模制，因此其固有地可再循環(huán)，此是越來(lái)越重要的考慮因素。
[0008] 然而，熱固性復(fù)合膠帶具有一個(gè)在當(dāng)前使得其成為選擇用于航空復(fù)合組件的材料 的與積層工藝相關(guān)的性質(zhì)。此性質(zhì)在于熱固性膠帶固有地較粘，或稱為具有粘性。此粘性 使得熱固性膠帶粘附到航空工業(yè)內(nèi)的復(fù)合組件通常所需的復(fù)雜成形模制表面，并且還在將 初始層施加到模制表面后使熱固性膠帶的單獨(dú)層彼此粘附，由此使得積層工藝相對(duì)容易且 便利地進(jìn)行物理管控。
[0009] 與此相比，熱塑性復(fù)合膠帶并無(wú)粘性。因此，在積層工藝期間使熱塑性復(fù)合膠帶粘 附到復(fù)雜模制表面較成問(wèn)題?，F(xiàn)有積層技術(shù)組合熱塑性復(fù)合材料的局部固結(jié)和熔化以使得 初始基礎(chǔ)層能夠僅在所述基礎(chǔ)層牢固地保持于模制工具表面時(shí)才積累。此問(wèn)題的先前提出 解決方案包含將單獨(dú)雙側(cè)粘著膠帶作為初始層施加到模制表面上，隨后粘附熱塑性復(fù)合膠 帶的第一層。類似地，還提出將粘著劑噴霧到模具表面上。盡管所提出的兩種解決方案均 使熱塑性復(fù)合膠帶的第一層成功地施加到復(fù)雜成形模制表面上，但由于組件現(xiàn)在有效地結(jié) 合到模制表面，因此其引入了其自身的在完成積層工藝時(shí)如何隨后從模具取出所形成復(fù)合 組件的問(wèn)題。因此，盡管熱塑性復(fù)合材料提供優(yōu)良物理性質(zhì)，但當(dāng)前仍優(yōu)選使用熱固性復(fù)合 材料。
[0010] 制作復(fù)合物件的已知方法包含人工制作和自動(dòng)化制作。人工制作必需由技師人工 切割材料并將其布置于芯軸的表面。此制作方法耗時(shí)且成本密集，并且可導(dǎo)致積層的不均 勻性。
[0011] 自動(dòng)化制作技術(shù)包含平面膠帶層壓機(jī)器（FTLM)和曲面膠帶層壓機(jī)器（CTLM)。通 常，F(xiàn)TLM和CTLM二者都采用單獨(dú)復(fù)合材料分配器，其在待施加復(fù)合材料的工作表面上行 進(jìn)。通常每次將復(fù)合材料鋪設(shè)成單行（復(fù)合材料）以產(chǎn)生所需寬度和長(zhǎng)度的層。然后可將 其它層構(gòu)建于先前層上以提供具有所需厚度的積層。FTLM通常將復(fù)合材料施加到平面轉(zhuǎn)移 片材上；隨后從FTLM去除轉(zhuǎn)移片材和積層并布置于工具、模具或芯軸上。與此相比，CTLM 通常直接將復(fù)合材料施加到工具、模具或芯軸的工作表面。FLTM和CTLM機(jī)器還稱為自動(dòng)化 膠帶鋪設(shè)（ATL)和自動(dòng)化纖維布置（AFP)機(jī)器，并且分配器通常稱為膠帶頭。
[0012] ATL/AFP機(jī)器的生產(chǎn)力取決于機(jī)器參數(shù)、復(fù)合物部件積層特征和材料特性。機(jī)器參 數(shù)（例如開(kāi)始/停止時(shí)間、過(guò)程過(guò)渡時(shí)間和切割/添加夾層）決定了 ATL/AFP上的膠帶頭 將材料鋪設(shè)于芯軸上的總時(shí)間。復(fù)合積層特征（例如局部化夾層積累和部件尺寸）還影響 ATL/AFP機(jī)器的總生產(chǎn)力。
[0013] 產(chǎn)生熱塑性部件的理想工藝是原位制作，其中通過(guò)在一個(gè)步驟中以機(jī)器人方式將 熱塑性材料布置于模制工具中并固結(jié)來(lái)產(chǎn)生部件。熱塑性復(fù)合材料缺乏粘性，此使得手動(dòng) 和自動(dòng)化積層操作的使用復(fù)雜化，尤其是抵靠模制工具表面的第一夾層。
[0014] 對(duì)于熱固性樹(shù)脂基質(zhì)復(fù)合物與熱塑性基質(zhì)復(fù)合物相比，影響ATL/AFP機(jī)器生產(chǎn)力 的關(guān)鍵材料因素類似，但存在一些關(guān)鍵差異。對(duì)于熱固性樹(shù)脂基質(zhì)復(fù)合物來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵因素 是浸漬程度、表面樹(shù)脂覆蓋率和"粘性