CN104736328A - 热塑性材料和工具的表面工程 - Google Patents

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Abstract

本发明描述一种制备的模制工具，其在所述模制工具(20)的模制表面(30)上具有热塑性表面层聚合物涂层(50)；或一种制备的预浸体(100)，其在热塑性纤维增强的预浸体(100)的表面上具有热塑性表面层聚合物涂层(50)，所述制备的模制工具或制备的预浸体增强热塑性纤维增强的复合预浸体(100)在用于预浸体形成或原位胶带布置的模制工具(20)上的第一夹层铺设。本发明提供所得热塑性纤维增强的复合物部件，所述复合物部件来自具有结构增强纤维与一或多种高性能聚合物的热塑性纤维增强的热塑性复合材料和热塑性表面层聚合物涂层(50)，所述热塑性表面层聚合物涂层(50)与所述热塑性纤维增强的复合材料的所述高性能聚合物形成聚合物掺合物，由此赋予改进性质；和所述热塑性纤维增强的复合物部件制备与使用方法。

Description

热塑性材料和工具的表面工程
技术领域
本发明的标的物涉及纤维增强的热塑性塑性复合材料，并且特定来说将表面层聚合物涂层施加到复合物形成模制工具上或施加到纤维增强的热塑性预浸体复合材料上以增强预浸体在用于预浸体形成或原位自动化铺设胶带布置的所述复合物形成模制工具上的第一夹层铺设。在自动化铺设期间或之前原位施加所述表面层聚合物涂层还可在纤维增强的热塑性复合材料的每一层之间提供有益的富树脂层间层。所述表面层聚合物涂层优选是热塑性颗粒，其通过等离子喷雾施加到模制工具或预浸体上以形成热塑性颗粒的实质上融合层。更具体来说，在某些实施例中，本发明涉及用于快速层压和形成工艺的纤维增强的分层热塑性预浸体，其中所述纤维增强的热塑性预浸体可用于航空和其它高性能汽车/工业应用中。
背景技术
增强的热塑性和热固性材料已广泛应用于(例如)航空、汽车、工业/化学和体育用品工业。在固化之前将热固性树脂浸渍于纤维增强材料中，而树脂性材料具有低粘度。热固性复合物具有一定缺点，包含与去除夹带空气或挥发物以产生无空隙基质有关的处理问题。通过预浸渍方法制得的热固性复合物需要漫长的固化时间与交替压力以在树脂固化时控制其流动，从而防止在基质中出现气泡。尽管传统的结构制作手动将热固性预浸体夹层布置于工具上，但当前大结构的制作利用机器人将热固性复合材料布置于工具上以增加产生速率。结构组份的总产生速率受限于高压釜工艺步骤中的漫长固化和制备用于所述工艺步骤的材料的相关操作。一些高容量工艺(例如树脂输注)避免了预浸渍步骤，但仍需要特殊设备和材料以及在固化时间长度内持续监测工艺(例如美国专利第4,132,755号和第5,721,034号)。
热塑性树脂组合物较难以浸渍到纤维增强材料中，因为其粘度相对高于热固性树脂组合物。另一方面，热塑性树脂组合物提供许多优于热固性树脂组合物的益处。举例来说，热塑性预浸体可更快速地制作成物件，并且使用纤维增强的热塑性复合材料进行制作可利用机器人自动化铺设胶带将纤维增强的热塑性复合材料布置于模制工具上以增加产生速率。此可经由多步骤机器人臂来实现，其中预热纤维增强的热塑性复合材料的先前层，然后加热纤维增强的热塑性复合材料的后续层并将其铺设于先前层的顶部。
热塑性树脂是具有高分子量的长链聚合物，其在熔化时具有高粘性且其流动行为通常是非牛顿性(non-Newtonian)。因此，尽管热固性材料的粘度在100厘泊到5,000厘泊(0.1Pa*s到5Pa*s)的范围内，但热塑性材料的熔体粘度范围为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)。尽管热固性材料与热塑性材料之间的粘度差为三个数量级，但一些工艺已应用到两种类型的基质中以用于层压纤维性材料。
可通过以下步骤来制造纤维增强的塑性材料：首先使用树脂浸渍纤维增强物以形成预浸体，然后任选地利用额外形成步骤使两个或更多个预浸体固结为压层。一些工艺将熔体直接施加到纤维上。可通过以下步骤来制备胶带：使用聚合物涂覆准直纤维的干燥网片且施加加热工艺以迫使聚合物进入纤维中并环绕纤维(例如参见美国专利第4,549,920号和第4,559,262号)。用于涂覆和浸渍准直纤维的干燥网片的另一工艺是通过牵拉网片穿过精细热塑性聚合物颗粒的水性浆液，由此将聚合物颗粒陷获于丝束内。随后，工艺中的热和压力使水蒸发且然后使聚合物熔化以迫使其进入丝束中并环绕丝束。此工艺描述于美国专利第6,372,294号、第5,725,710号、第4,883,552号和第4,792,481号中。对水性浆液浸渍工艺的修改消除使用水和表面活性剂作为聚合物颗粒的分散剂且改为使空气流化床中的颗粒带静电以将颗粒陷获于丝束中。随后的热和压力区使聚合物熔化以涂覆/浸渍丝束，如美国专利第5,094,883号中所给出。因此，对于所属领域技术人员来说，考虑到可用工艺设备和聚合物产物形式(薄片、精细粉末、膜、非织造覆面、沉淀物)和熔体粘度的适当选择，存在多种涂覆和/或浸渍纤维性衬底的方法。
热塑性和热固性复合物二者均可形成为薄柔性片材或条带，称为胶带。此允许通过将复合胶带铺设于模制工具中来形成复合组件，其中组件厚度根据所铺设复合胶带的层数而局部变化，并且还可控制胶带中一或多个层的方向以控制所形成复合组件的最终结构性质。然后将所铺设组件“固结”，所述工艺情形涉及加热复合结构以使热固性或热塑性基质软化到足够程度以形成单一的一致性基质，并且向经软化基质施加足够压力以从基质逐出任何陷获空气。
就最终结构性质来说，热塑性复合物具有优于热固性复合物的抗冲击和损害性且通常较坚韧和更耐化学腐蚀，所有性质都是航空应用内的优选性质。另外，由于热塑性复合物可重复再加热和再模制，因此其固有地可再循环，此是越来越重要的考虑因素。
然而，热固性复合胶带具有一个在当前使得其成为选择用于航空复合组件的材料的与积层工艺相关的性质。此性质在于热固性胶带固有地较粘，或称为具有粘性。此粘性使得热固性胶带粘附到航空工业内的复合组件通常所需的复杂成形模制表面，并且还在将初始层施加到模制表面后使热固性胶带的单独层彼此粘附，由此使得积层工艺相对容易且便利地进行物理管控。
与此相比，热塑性复合胶带并无粘性。因此，在积层工艺期间使热塑性复合胶带粘附到复杂模制表面较成问题。现有积层技术组合热塑性复合材料的局部固结和熔化以使得初始基础层能够仅在所述基础层牢固地保持于模制工具表面时才积累。此问题的先前提出解决方案包含将单独双侧粘着胶带作为初始层施加到模制表面上，随后粘附热塑性复合胶带的第一层。类似地，还提出将粘着剂喷雾到模具表面上。尽管所提出的两种解决方案均使热塑性复合胶带的第一层成功地施加到复杂成形模制表面上，但由于组件现在有效地结合到模制表面，因此其引入了其自身的在完成积层工艺时如何随后从模具取出所形成复合组件的问题。因此，尽管热塑性复合材料提供优良物理性质，但当前仍优选使用热固性复合材料。
制作复合物件的已知方法包含人工制作和自动化制作。人工制作必需由技师人工切割材料并将其布置于芯轴的表面。此制作方法耗时且成本密集，并且可导致积层的不均匀性。
自动化制作技术包含平面胶带层压机器(FTLM)和曲面胶带层压机器(CTLM)。通常，FTLM和CTLM二者都采用单独复合材料分配器，其在待施加复合材料的工作表面上行进。通常每次将复合材料铺设成单行(复合材料)以产生所需宽度和长度的层。然后可将其它层构建于先前层上以提供具有所需厚度的积层。FTLM通常将复合材料施加到平面转移片材上；随后从FTLM去除转移片材和积层并布置于工具、模具或芯轴上。与此相比，CTLM通常直接将复合材料施加到工具、模具或芯轴的工作表面。FLTM和CTLM机器还称为自动化胶带铺设(ATL)和自动化纤维布置(AFP)机器，并且分配器通常称为胶带头。
ATL/AFP机器的生产力取决于机器参数、复合物部件积层特征和材料特性。机器参数(例如开始/停止时间、过程过渡时间和切割/添加夹层)决定了ATL/AFP上的胶带头将材料铺设于芯轴上的总时间。复合积层特征(例如局部化夹层积累和部件尺寸)还影响ATL/AFP机器的总生产力。
产生热塑性部件的理想工艺是原位制作，其中通过在一个步骤中以机器人方式将热塑性材料布置于模制工具中并固结来产生部件。热塑性复合材料缺乏粘性，此使得手动和自动化积层操作的使用复杂化，尤其是抵靠模制工具表面的第一夹层。
对于热固性树脂基质复合物与热塑性基质复合物相比，影响ATL/AFP机器生产力的关键材料因素类似，但存在一些关键差异。对于热固性树脂基质复合物来说，关键因素是浸渍程度、表面树脂覆盖率和“粘性”。粘性是在将胶带/纱束沉积于工具或积层上之后维持胶带/纱束在工具或积层上的位置所需的粘附程度。由于热固性树脂的非反应性质，通常在室温下但在湿度受控室中实施ATL/AFP工艺，这是因为材料粘着程度具有水分敏感性。在其它影响中，粘性影响将第一材料夹层铺设于工具上的能力。热塑性材料的第一夹层铺设因为缺乏将第一层保持于工具上的粘性而较为复杂。
待布置抵靠任一工具的第一复合夹层需要一些粘着剂或其它力来定位材料并抵抗材料的重力或刚度而固持其。在使用热固性材料时，铺设头处大于Tg的聚合物将提供此力。在基质树脂是高性能热塑性材料时，此Tg温度实质上高于且实质上大于室温。加热模制工具、提供真空源、使用较低温度膜或使用溶剂化热塑性聚合物来提供约束力是所有当前所用方法。这些方法中的每一者在以下方面具有局限性：成本、工具复杂性、部件尺寸的变化或需要有害溶剂进行实践。
克服热塑性材料制造的低粘性的已知方法是提供由多孔材料制得的模制工具且向多孔材料施加负压以在模制表面处产生负压，由此在将热塑性复合材料的初始层铺设于模制表面上时借助模制表面处的负压来使热塑性复合材料保持抵靠模制表面。然后可固结热塑性材料且加热以形成热塑性复合材料(例如参见美国专利申请公开案第2011/0005666号)。
热塑性基质复合物具有与热固性基质复合物类似的关于ATL/AFP机器生产力的关键因素，但热塑性材料聚合物胶带在环境条件下缺乏粘性。热塑性材料通常具有低表面能、高玻璃转化温度(“Tg”)，此使得不可能在室温下发生粘附。另外，高性能热塑性基质在室温下处于玻璃态，此使得实际上不可能发生关于粘着的分子扩散机制。因此，通过以下方式来实现热塑性复合物的粘性：向积层和传入胶带动态施加热、超声波、光学(激光)和/或电磁(感应)形式的额外能量以使材料的温度升高超过其软化和/或熔化温度，以促使在两个表面之间发生聚合物链的分子扩散。在聚合物链扩散跨越表面后，需要去除添加到材料的额外能量到在从ATL/AFP头去除层压压力后防止层压积层发生变形的程度。能量在积层中的此快速流入和流出使得其为能量利用和铺设速度所需的，以在最低可能温度和能量下实施此工艺步骤，而不危害所得复合物部件的温度性能。
通常需要固结来去除空隙，所述空隙是由在使用树脂浸渍纤维的工艺期间树脂不能从纤维束、纱束或粗纱完全置换空气而产生。通常通过热和压力通过在高压釜中压实来固结个别浸渍的粗纱、纱束、夹层或预浸体层。固结步骤通常需要施加极高压力和在真空下的高温达相对较长时间内。另外，使用高压釜或烘箱的固结工艺步骤需要“包封”操作以在工具上提供具有密封膜的积层，从而允许施加真空以去除空气并提供所需压差以实现高压釜中的固结。此工艺步骤进一步减小了复合物部件操作的总生产力。因此，对于热塑性复合物来说，原位固结到低空隙复合物同时使用ATL/AFP机器将胶带层压到衬底将是有利的。此工艺通常称为原位ATL/AFP且在所述工艺中使用的材料称为原位级胶带。
一般来说，迄今为止，热塑性复合物因包含以下的各种因素而具有有限成功：产生优质压层所需的高处理温度(当前约为400℃)、高压力和延长的模制时间。大多数努力一直着眼于将高性能聚合物与结构纤维进行组合，此只能加剧工艺问题。因为适当固结预浸体夹层通常所需的时间长度决定了部件的生产速率，故需要在最短时间内实现最佳固结。另外，较低固结压力或温度和较短固结时间将获得较便宜生产工艺，这是因为在模制时每一件的能量消耗较低和其它制造益处。
因此，当前可用于产生轻质、韧化复合物的纤维增强的热塑性材料和方法需要进一步改进。在自动化积层机器上具有改进的工艺速度和较低处理温度且并无高压釜或烘箱步骤的热塑性材料将会是本技术领域内的有用改进，并且会很快在尤其航空航天和高性能汽车工业中得到接受。
发明内容
本发明提供一种经制备的模制工具，在所述模制工具的模制表面上具有以可释放方式粘附的表面层聚合物涂层。模制工具是无孔金属模制工具，其具有带有纹理的模制表面和粘附到模制工具的纹理化模制表面的释放膜和粘附到释放膜的表面层聚合物涂层。表面层聚合物涂层优选为多个热塑性颗粒，其通过等离子喷雾施加到模制表面上以产生热塑性颗粒的实质上融合层。经制备的模制工具帮助纤维增强的热塑性复合材料(例如热塑性预浸体、热塑性单向胶带或网片、纤维纱束/预浸体或织物或非织造材料(例如毡或覆面))的第一夹层的布置和粘附。在传统上通过手动铺设来施加热塑性预浸体，而通过原位自动化铺设胶带布置抵靠模制工具来施加热塑性单向胶带。
本发明还涉及通过以下步骤制备用于第一夹层铺设的经制备的模制工具的方法：提供具有模制表面的固体金属无孔模制工具，向模制工具的模制表面施加纹理，向具有纹理的模制表面施加释放膜，并且最后通过将热塑性颗粒等离子喷雾到模制工具的具有纹理的模制表面上的释放膜上来施加表面层聚合物涂层。
本发明的另一个实施例提供具有纤维增强的热塑性复合材料的经制备所述的预浸体，其中表面层聚合物涂层粘附到所述复合材料的一个或两个表面。表面层聚合物涂层优选是多个热塑性颗粒，其通过等离子喷雾施加到纤维增强的热塑性复合材料的表面上以在表面上产生热塑性颗粒的实质上融合层。所制备的预浸体帮助纤维增强的热塑性复合材料的第一夹层在模制工具的模制表面上的布置，并且可进一步改进复合材料夹层之间的所得复合物部件层间性质。
本发明还涉及通过以下方式来制备经制备的预浸体的方法：提供纤维增强的热塑性复合材料(例如热塑性预浸体或热塑性单向胶带)，并且然后通过将热塑性颗等离子喷雾粒于纤维增强的热塑性复合材料的一个或两个表面上来施加表面层聚合物涂层。
在本发明中，表面层聚合物涂层提供抵靠模制工具布置的相容化学性，其维持尺寸，降低粘附所需温度，并且容许使用混合聚合物并任选地在表面层聚合物涂层中包含防雷击导电涂层。本发明的此相容化学性改进了纤维增强的热塑性复合材料的第一夹层在模制工具的模制表面上的粘附，同时维持从模制工具分离所得复合物部件的便利性。在从模制工具去除所得复合物部件时，表面层聚合物涂层将作为可赋予所得复合物部件所需特性的表面外皮转移到所得复合物部件。所述所需特性(例如防火性、防腐蚀性或防磨损性)可来自表面层聚合物涂层的多功能粘着剂。
尤其重要的是其中表面层聚合物涂层是高性能热塑性材料，例如聚(醚醚酮)(“PEEK”)或聚(醚酮酮)(“PEKK”)。
本发明企图通过以下来改进第一夹层铺设：减少因在处理期间抵靠模制工具的材料去结合所致的复合物部件故障，以及改进高性能热塑性聚合物中的化学相容性。包含快速结晶或非晶形材料以及离散金属层和研磨纤维混合物的概念是可能的。另外，此发现还减少制造大型复合物的初始资金和设施成本投资。
本发明还提供制造厚度在25微米到400微米范围内且在ATL机器和制造设备上具有改进的处理时间的所得热塑性复合物部件的方法。
因此，在一个方面中，本文所详细描述的本发明提供经制备的模制工具，其具有至少一种高性能聚合物的表面层聚合物涂层；和经制备的预浸体，其在一个或两个表面上具有表面层聚合物涂层。
在另一方面中，本发明涉及由本文所述的本发明热塑性复合物制得的制品。所述物件尤其可用于(例如)飞机/航空工业。
还提供用于自动化胶带铺设或自动化纤维布置机器上的原位级热塑性复合材料胶带。
根据结合附图和实例对本发明各种方面的下列详细说明，本发明的所述和其它特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1a是本发明的一个实施例的侧视平面图，其图解说明经制备的工具10的配置，所述制备的工具包含无孔金属模制工具20、模制工具的纹理化模制表面30、释放膜40和表面层聚合物涂层50。
图1b是图1a的实施例的透视图，其图解说明制备的工具10的配置，所述制备的工具包含无孔金属模制工具20、模制工具的纹理化模制表面30、密封件和所施加释放膜40和表面层聚合物涂层50(经显示为在通过等离子喷雾施加后的实质上融合的热塑性颗粒)。
图2a图解说明以下过程的透视图：将表面层聚合物涂层50从等离子喷雾头70原位施加到无孔金属工具20上，随后施加第一夹层热塑性纤维增强的复合材料60且通过AFP/ATL铺设辊80压实。
图2b进一步图解说明以下过程的透视图：将热塑性层间层90(例如热塑性颗粒)从等离子喷雾头70原位施加到先前施加的热塑性复合胶带材料60上，随后施加后续夹层热塑性纤维增强的复合材料60且通过ATL铺设辊80压实，从而在自动化胶带铺设期间于热塑性纤维增强的复合材料层之间提供原位施加的热塑性层间层90。
图3图解说明通过以下施加到热塑性复合预浸体的表面层聚合物涂层的侧视平面图：将热塑性聚合物涂层50从等离子喷雾头70等离子喷雾到复合材料60的一个或两个表面上以形成等离子体涂覆的热塑性复合材料100。
图4a图解说明使用轮廓仪高温模制工具和热塑性表面层聚合物涂层的轮廓曲线的局部峰的平均间隔。
图4b图解说明y轴中的峰间隔。
具体实施方式
本发明提供一种经制备的模制工具，其具有施加到模制工具的释放侧模制表面的表面层聚合物涂层以增强热塑性纤维增强的复合材料的第一夹层到模制表面的粘附。
图1a图解说明本发明的此实施例，其提供制备的工具10的配置，所述制备的工具包含具有纹理化模制表面30的无孔金属模制工具20、释放膜40和以可释放方式施加到释放膜的表面层聚合物涂层50。图1b图解说明本发明中提供制备的工具10的此实施例，其将表面层聚合物涂层50详细展示为通过等离子喷雾施加的实质上融合的热塑性颗粒。
重要的，可通过使用等离子喷雾在原位自动化胶带铺设期间将表面层聚合物涂层50施加到模制工具20的释放侧模制表面上。在自动化胶带铺设期间将表面层聚合物连续等离子喷雾到纤维增强的复合材料60的先前夹层顶部会提供热塑性层间层90，此可赋予有益性质，例如韧化所得复合物部件。
图2a图解说明将表面层聚合物涂层50(例如热塑性颗粒)从等离子喷雾头70原位施加到无孔金属模制工具20上，并且然后施加热塑性纤维增强的复合材料60并通过ATL铺设辊80压实。
图2b进一步图解说明在自动化胶带铺设期间通过等离子喷雾头70连续等离子喷雾表面层聚合物，由此提供热塑性层间层90，并且然后施加热塑性纤维增强的复合材料60的后续夹层，通过ATL铺设辊80压实。在自动化胶带铺设期间，从等离子喷雾头70将表面层聚合物涂层(例如热塑性材料)连续施加到热塑性纤维增强的复合材料60的先前夹层上且然后施加热塑性复合材料60的后续夹层并通过ATL铺设辊80压实，在热塑性纤维增强的复合材料与随后所施加热塑性纤维增强的复合材料的层间提供原位施加的层间热塑性层90。
热塑性层间层90和表面层聚合物涂层50各自是高性能热塑性聚合物，并且可为相同或不同材料，并且可含有相同或不同多功能添加剂。尤其高性能热塑性聚合物选择的此多样性允许选择用于表面层涂层50和层间层90的最优材料。
类似地，第一夹层纤维增强的复合材料60和后续夹层纤维增强的复合材料60各自是相容材料，但根据每一层的所需性质可为相同或不同组合物。
另一选择为，本发明提供制备的预浸体，其具有直接施加到热塑性纤维增强的复合预浸体材料的一或多个表面的表面层聚合物涂层，从而增强热塑性纤维增强的复合材料的第一夹层到模制工具的模制表面的粘附且进一步向所得复合物部件提供有益层间层。
图3图解说明通过将表面层聚合物涂层50施加到热塑性纤维增强的复合材料60的两个表面上制得的预浸体100，其中将热塑性颗粒从等离子喷雾头70等离子喷雾到纤维增强的复合材料60的表面上，由此形成制备的预浸体100。根据所寻求所得复合物部件的性能，在制备的预浸体100的每一侧上，表面层聚合物涂层可相同或不同。
本发明的制备的工具10纳入表面层聚合物涂层50，其以可释放方式粘附到模制工具20的模制表面上。优选地，将释放膜40插入模制工具20的模制表面与表面层聚合物涂层50之间。另外，为最优控制表面层聚合物涂层50到模制表面的粘附，模制工具20的模制表面是纹理化表面30。可利用制备的工具10通过手动或通过ATL(如果可所需)来铺设纤维增强的复合材料。在手动或ATL施加期间，制备的工具10可最优选地控制第一夹层纤维增强的复合材料的粘附。
图2a图解说明通过自动化胶带铺设布置将第一夹层纤维增强的复合材料60铺设于模制工具20的模制表面上。在使用胶带预浸体作为纤维增强的复合材料60时，等离子喷雾头70将热塑性颗粒喷雾到模制表面上，从而在模制表面上形成表面层聚合物涂层50以用于制备模制工具20的模制表面。随后，ATL铺设辊80将胶带预浸体纤维增强的复合材料60铺设且以可释放方式粘附到模制工具20的模制表面上的表面层聚合物涂层50上。图2b图解说明此工艺的连续应用，其中通过以下来施加纤维增强的复合材料60的后续层：使用等离子喷雾头70将热塑性颗粒喷雾到纤维增强的复合材料60的先前粘附层的表面上，并且然后使用ATL铺设辊80施加纤维增强的复合材料的后续夹层以产生热塑性层间层90。视需要，此热塑性层间层90可提供有益韧化或其它多功能益处。
通过以下来制备本发明的预浸体100：在原位铺设纤维增强的复合材料60之前或期间，将表面层聚合物涂层50直接施加到纤维增强的复合材料60的一个或两个表面上。使纤维增强的复合材料60流在一或多个等离子喷雾头70之间通过以将表面层聚合物涂层50施加到复合材料60的一侧或两侧，由此形成制备的预浸体100。视需要，然后可通过手动铺设或通过ATL将此制备的预浸体100直接施加到模制工具或制备的工具10上，并且以可释放方式粘附到模制工具或制备的工具10的模制表面上。制备的预浸体100可以胶带预浸体形式通过ATL铺设辊来施加，如图2a中所展示，并且无需单独等离子喷雾头70来施加具有邻近模制工具20的模制表面的表面层聚合物涂层50的纤维增强的复合材料的第一夹层。模制表面优选是纹理化模制表面30。制备的预浸体100可节约制造成本且产生更一致的制造条件，同时提供相同的潜在多功能益处。如果将表面层聚合物涂层50施加到纤维增强的复合材料60的两个表面上，那么每一表面上的涂层50可具有相同或不同组成。
可使用施加表面层聚合物涂层50的各种方法且在业内已众所周知，例如尤其通过将基于溶剂的聚合物溶液喷雾到金属模制工具的模制表面上、通过手动施加基于水的浆液、通过等离子喷雾施加或静电粉末涂覆和融合方法。
本发明的一个特别优选实施例提供以下方面：将表面层聚合物等离子喷雾施加到模制工具20的模制表面上从而形成制备的工具10，如图1a和1b中所图解说明；或直接施加到纤维增强的复合材料60上以形成制备的预浸体100，如图3中所绘示。在使用等离子喷雾枪施加表面层聚合物涂层50时，将表面层聚合物以固体颗粒、优选地D90直径(其中90％的颗粒小于所述数值，以体积计)为90μm到180μm和更优选地150μm到185μm的热塑性颗粒的形式引入等离子体枪中。使用低速高温等离子体施加颗粒。
优选高性能聚合物表面层聚合物颗粒是PEEK聚合物。
表面层聚合物涂层50实质上连续，但可沿模制表面在较低厚度水平处不连续，此尤其取决于其所施加到的纹理化表面30的粗糙度。期望在至少50％的模制表面上和更优选地至少90％的模制表面上和最优选地至少98％的模制表面上连续。在利用等离子喷雾头70施加表面层聚合物涂层50时，经加热热塑性颗粒以熔融颗粒形式冲击模制表面且粘附到上面，并且所得表面层涂层50可呈现为作为充分融合的热塑性颗粒的多个不连续珠粒，但并非所有珠粒都熔融在一起，从而形成部分不连续的膜。
高性能聚合物粒径的D90为约100μm到约400μm。优选地，对于最优等离子喷雾施加结果，聚合物粒径的D90范围为约125μm到约250μm和最优选地约150μm到约200μm。在施加时，在等离子喷雾施加器的排放口喷嘴区段处，将高性能聚合物颗粒以约350m/秒到约400m/秒的速度暴露于约1800°F到约2000°F范围内的等离子喷雾头温度。
有用的市售等离子喷雾施加器包含普莱克斯(Praxair)SG 10等离子喷雾施加器或苏尔寿美科(Sulzer Metco)等离子喷雾施加器。将高性能聚合物以固体颗粒形式引入等离子喷雾头中。然后等离子喷雾施加器将固体颗粒引导到等离子体喷射流中以将颗粒加热且加速到高速度。
出于最优性能，将模制工具20预热到约250°F(121℃)以帮助将表面层聚合物涂层50粘附到模制工具20的模制表面上。
为制备经制备的模制工具，等离子喷雾应以0.001英吋到0.010英吋厚层范围内的厚度将表面层聚合物涂层50施加到模制工具20的模制表面上。在一些实施例中，表面层聚合物涂层50的厚度更优选地约为0.002英吋。此厚度用以帮助第一夹层的粘附而不会显著增加所得复合物部件的重量。
在制备经制备的预浸体100时，等离子喷雾应以约0.0005英吋/层到约0.010英吋/层的厚度将表面层聚合物涂层50施加到纤维增强的热塑性复合材料60上。在一些实施例中，表面层聚合物的厚度可为约0.001英吋/层到约0.008英吋/层。
可将表面层聚合物涂层50可以可释放方式施加到模制工具20的模制表面上以使得从模制工具的模制表面有效释放所得复合物部件。尽管自动化胶带铺设热塑性纤维增强的复合材料的困难在于不能有效地将第一夹层粘附到模制工具的模制表面上，但热塑性表面层聚合物涂层不应坚固地粘附到模制工具的模制表面上，以便在试图去除时危害热塑性表面层聚合物涂层且损害所得热塑性复合物部件。在热塑性表面层聚合物涂层含有任一多功能试剂(例如本文所述者)以进一步增强所得热塑性复合物部件的表面性质时，此尤其重要。
出于本发明目的，在使用热塑性表面层聚合物涂层在模制工具上制得的所得热塑性复合物部件使用轻度到适度压力从模制工具释放时，热塑性表面层聚合物涂层可视为以可释放方式施加，同时在自动化原位铺设热塑性纤维增强的复合材料期间表面层聚合物涂层不会脱离。
在从模制工具去除所得热塑性复合物部件后，由于富树脂热塑性表面层聚合物涂层的质量、增强的表面纹理和可纳入其中的可选多功能添加剂，模制工具20的模制表面上的热塑性表面层聚合物50可改进所得热塑性复合物部件的表面质量和性质。
表面层聚合物涂层50可包括选自缓慢结晶的半结晶聚合物或非晶形聚合物(或其混合物)的高性能聚合物，从而热塑性表面层聚合物涂层50与纤维增强的热塑性复合材料60的高性能热塑性聚合物形成可混溶和/或相容掺合物。表面层聚合物涂层50可为本文所述高性能热塑性聚合物中的任一者，将其施加到模制工具20的模制表面上以用于改进如本文所述铺设的第一夹层的处理，或在施加到模制工具上之前直接施加到热塑性纤维增强的复合材料60的一个或两个表面。
高性能热塑性聚合物的形态可为非晶形和/或缓慢结晶(也就是低结晶度-通常小于20％结晶度)的半结晶聚合物。非晶形聚合物和半结晶聚合物的掺合物还预计可用作表面层聚合物涂层50。在某些实施例中，用于热塑性表面层聚合物涂层50的高性能热塑性聚合物是选自聚芳基醚酮(PAEK)、聚醚酰亚胺(PEI)、聚酰亚胺、PAEK与PEI和/或聚醚砜(PES)和/或聚苯硫醚(PPS)的共聚物和PAEK与PEI、PES、PPS和/或聚酰亚胺中的一或多者的掺合物。
在特定实施例中，举例来说，热塑性表面层聚合物涂层包含选自聚醚醚酮(PEEK)或聚醚酮酮(PEKK)的PAEK和与(例如但不限于)二苯基砜的掺合物。在热塑性表面层聚合物包含PEKK时，PEKK的T:I比率介于约0:100到约70:30之间以维持表面层聚合物的缓慢结晶速率。在一特定实施例中，热塑性表面层聚合物的T:I比率使用T:I比率为约0:100到约70:30的DS。可用于本发明的适宜PEKK聚合物包含但不限于那些购自氰特工业公司(Cytec Industries Inc.)，新泽西州伍德兰帕克(Woodland Park NJ)者，例如DS-E或DS-M和HT。
表面层聚合物涂层50可进一步包含一或多种多功能试剂，其经选择用于改进所得热塑性复合物部件特征，例如所得热塑性复合物部件的导电性、韧性、透氧性、结晶速率和/或抗溶剂性。所述多功能试剂可呈金属涂层和/或微米颗粒和/或纳米颗粒的形式。
可选表面层聚合物涂层50多功能试剂可包含(例如但不限于)以下材料中的一或多者：冲击改质剂、模制释放剂、润滑剂、触变剂、抗氧化剂、UV吸收剂、热稳定剂、阻燃剂、颜料、着色剂、用于冲击损害指示剂的分层着色剂、非纤维性增强剂和填充剂、增强结晶度速率和减小收缩的纳米石墨片晶、改进抗溶剂性的纳米粘土、纳米金属(例如镍原纤维)、交错用于冲击韧化的颗粒、交错用于OML雷击的CVD覆面织物、改进冲击性能的纤维或聚合物覆面、帮助在通过ATL机器施加压力时去除空气的表面饰面和加速夹层间区域中的蠕动修复的高流动性表面涂层。
模制工具20可为任一无孔高温工具(包含金属)。金属工具、优选所属领域技术人员已知的不锈钢、殷钢或低碳钢都合适。模制工具20的模制表面可为能够承受热塑性纤维增强的复合物部件制造所需的高处理温度和低CTE的不锈钢，但优选是殷钢。高温工具能够承受高达800°F(427℃)的处理温度。模制工具20可为0.120”厚304不锈钢板或0.063”殷钢36。然而，不锈钢板可能不如殷钢有效，这是因为其具有较高CTE差，此可导致在处理热塑性纤维增强的复合材料期间从模制工具的模制表面发生脱层。
模制工具20应为无孔的固体不可渗透性材料。模制工具20应不容许空气或气体流经其模制表面。
优选地在模制工具20的模制表面上产生纹理化模制表面30以改进表面层聚合物50到模制工具20的机械粘附，从而试图克服使热塑性纤维增强的复合材料60和表面层聚合物涂层50从模制工具20的模制表面脱层的CTE差。通常认为，纹理化模制表面30会在模制工具20与表面层聚合物涂层50之间提供机械式联锁，以及改进粘附以克服表面层聚合物涂层50与模制工具20之间的热膨胀系数差。太少的纹理和机械式联锁将不足以克服CTE差，从而使得在制造期间表面层聚合物涂层50容易地从模制工具20剥离。太粗糙的纹理化模制表面30会导致在试图从模制工具去除所得复合物部件时，难以在不损坏表面层聚合物涂层50的情况下释放和去除的表面层聚合物涂层50。
可通过许多方式来添加纹理化模制表面30，例如喷砂、碾磨、布兰卡德氏研磨(Blanchard grinding)、喷玻璃珠、滚花或纹理化模制表面以接受释放膜40的其它方式。可通过诸如以下方法来产生纹理化模制表面30：以约20粒度到约180粒度和更优选地40粒度到120粒度的粒度大小进行喷砂。特定来说，约120粒度氧化铝或约40-60粒度玻璃珠粒在表面上提供均匀纹理且优选地，其中40-60粒度玻璃珠粒最优。施加适当纹理的优选方法是使用120粒度氧化铝或40-60粒度玻璃珠粒进行喷砂。
模制工具20的模制表面和表面层聚合物涂层50的特定组合的适当纹理可由所属领域技术人员进行最优化，从而鉴别用于特定表面层聚合物涂层50和模制工具20的最适当纹理程度。所属领域技术人员能够鉴别针对模制工具材料和表面层聚合物涂层材料的类型的最适当纹理程度，从而克服支持足够粘附同时维持所得复合物部件的可释放性所涉及的CTE差。
量化适当纹理程度的一种方法是提供测量纹理化模制表面30的轮廓要素。轮廓要素的较大平均间隔和轮廓要素的较大深度都是区分优选纹理程度的适当方法。适当纹理需要适当的两种轮廓要素。
使用时代集团公司(Time Group Inc.)TR200金刚石触针尖端表面轮廓仪(感应型表面粗糙测试仪)测试高温模制工具和热塑性表面层聚合物涂层(0.063”殷钢36片材与PEKK表面层聚合物涂层)。表面轮廓仪使用以受控速度在试样表面上移动的金刚石触针来检测材料特性。在平面试样上通过将装置置于试样顶部来测量所述参数。此测试是在标准室温和湿度下实施且所测试的模制工具应在室温下。将轮廓仪沿x方向(定义为平行于测试台的边缘)设定于试样上且使用播放箭头键开始测试并记录X方向的所有参数。然后垂直于先前测试方向再定位轮廓仪且重复测试以记录Y方向的所有参数。
此Rsm计算图解说明于公式1中，并且RY图解说明于公式2中。如下表1中所看到，发现最大峰到峰测量轮廓高度的组合是最优纹理的最优选特性。可获得和使用大于在表1中展示的那些值的值。然而，较大值可不利地增加机械粘附，影响所得复合物部件尺寸及变形公差。
表1-
在将纹理化模制表面30施加到模制工具上之后，可将模制释放膜40施加到模制工具20的模制表面上以均匀且一致地覆盖模制工具20的模制表面。模制释放膜40进一步提供表面层聚合物涂层50到模制工具20的模制表面的适当可释放粘附。模制释放膜40可仅部分地覆盖模制工具20的纹理化模制表面30，只要其覆盖模制释放剂制造商所推荐的区域即可。
模制释放膜40用作模制工具20的纹理化模制表面30与表面层聚合物涂层50之间的界面。模制释放膜40还提供化学结合以将表面层聚合物涂层50约束在模制表面上，由此在施加热塑性纤维增强的复合材料期间维持表面层聚合物涂层与模制表面的最优选粘附和后续可释放性。模制释放膜40还足够稳固以承受来自铺设工艺的强烈热和条件，从而其提供释放层以在所得复合物部件已固化后使表面层聚合物涂层50与模制工具20分离。
模制释放膜材料市面有售且宣传称能够在处理之后从模制工具释放产物。适宜商业模制释放膜包含Hysol Frekote 800、AXEL 21RM、AXEL 21LS和AXEL W-4005。释放剂优选是根据制造商说明书施加且加以适用的高温AXEL W-4005。
如由供应商所推荐，然后可将模制工具20与模制释放膜40一起加热以“适用”。
如由模制工具制造商所推荐，可任选地在施加模制释放膜40之前将密封件施加到模制工具20的模制表面上以进一步增加表面层聚合物涂层50的可释放粘附且容许从模制表面释放所得复合物部件。
纤维增强的复合材料60是经适当高性能热塑性聚合物基质树脂预浸渍的结构增强纤维材料。所述材料通常分类为胶带、织造布、非织造布、纸张和其混合物。
用于纤维增强的适宜结构增强纤维包含市售结构纤维中的任一者，例如碳纤维、纤维、玻璃纤维、聚芳酰胺纤维和其混合物。在优选实施例中，纤维性结构增强纤维是基于聚丙烯腈(PAN)的碳纤维。
纤维性结构增强可布置为单向胶带(单胶带)网片、非织造毡或覆面、纤维纱束或织物材料。胶带预浸体通常是指沿条带材料的单一轴延伸的单向结构增强纤维。胶带预浸体通常用于ATL铺设应用。术语“布”通常是指沿条带材料内的至少两个不同轴铺设的结构增强纤维。布是以双轴、三轴和四轴形式购得，此指示纤维分别在两个、三个或四个不同轴中延伸。纤维可任选地彼此为织造物，或可制成非织造布。布预浸体材料通常用于手动铺设应用。
纤维增强的复合材料60含有本文所述经由所属领域技术人员已知的任一制造/浸渍方法经至少一种高性能热塑性聚合物浸渍的任一纤维性结构增强纤维。适宜浸渍方法为所属领域技术人员所习知且包含(例如且不限于)热熔化浸渍、水性浆液浸渍、粉末涂覆、挤出膜层压和其组合。
用于表面层涂层50的高性能热塑性聚合物和用于纤维增强的热塑性复合材料60的高性能热塑性聚合物基质树脂可为相同或不同材料或其组合。
术语“高性能聚合物”用以指熔化温度(Tm)大于或等于280℃且工艺温度(T工艺)大于或等于310℃的任一热塑性聚合物。在某些实施例中，较高性能聚合物是选自聚芳基醚酮(PAEK)、PAEK掺合物、聚酰亚胺和聚苯硫醚(PPS)。
在某些实施例中，PAEK是选自聚醚醚酮(PEEK)、聚醚醚酮酮(PEEKK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)和聚醚酮酮醚酮(PEKKEK)。在其它实施例中，高性能聚合物是具有聚醚酰亚胺、聚苯硫醚和/或聚醚砜与一或多种聚芳基醚酮混合的PAEK掺合物。
聚芳基醚酮已为那些熟习复合物技术者所熟知且包含但不限于PEEK、-FC和/或-HT(其都购自氰特工业公司，新泽西州伍德兰帕克)。
纤维增强的复合材料60中的高性能热塑性聚合物树脂的树脂含量以总重计介于约26％到约90％之间，由此提供树脂模量为500ksi或更大且层间断裂韧度为600J/m2或更大(如通过G1c所测量)的复合材料60。调节高性能聚合物的粘度，从而获得良好丝浸湿性。最后，纤维增强的复合材料的高性能聚合物用作聚合物基质的一部分，并且与接触所述材料的表面层聚合物涂层50形成聚合物掺合物。如本文所用，术语“聚合物掺合物”包含可混溶和相容聚合物掺合物，如那些术语由那些本发明所属技术者所已知和理解。
通过本发明形成的所得热塑性复合物部件可为使用快速层压和形成工艺形成的各种物件，包含(但不限于)用于僵硬机翼和机身蒙皮的原位热塑性胶带/纱束布置、用于加强件制作的连续压缩模制(CCM)和辊形成工艺、用于制备固结平板和飞机底板的双带压机、原位丝缠绕圆柱结构和复合总成的融合结合和焊接。
提供下列实例以帮助所属领域技术人员进一步理解本发明的某些实施例。所述实例打算用于说明目的且不应解释为限制本发明的各种实施例的范围。
实例1-施加到工具的基于溶剂的PEI聚合物喷雾溶液
使用HVLP施加器将PEI聚合物、GE Ultem 1000P(10％)和二氧戊环(90％)的调配物等离子喷雾到具有释放膜的钢模制工具的模制表面上。
为测试PEI/二氧戊环第一夹层铺设纤维增强的热塑性复合物的转移，使用APCPEKK/AS-4单胶带材料产生8夹层准各向同性面板。使用隔板在720°F(382℃)的高压釜温度和100psi N2下处理面板。面板在涂覆面上展示一些表面异常。
实例2-手动施加到工具的基于水的浆液
使用包含表面活性剂、水、hydrosize(胶料)和热塑性材料的混合物如下所述来尝试直接手动施加技术：1)90％胶料/10％PEKK。2)80％去离子水/10％表面活性剂/10％PEI-Diox.预混合溶液。3)80％去离子水/10％表面活性剂/10％PEKK。4)80％胶料/10％PEI粉末/10％表面活性剂。所得基于水的浆液热塑性表面层聚合物涂层在模制工具的模制表面上快速收缩且并未实现到金属模制工具上的充分结合。表面层聚合物涂层极易剥落且具有最小磨损。
实例3-等离子喷雾到模制工具上的PEK聚合物
为将涂层直接赋予施加有密封件和释放膜的模制工具的模制表面上，使用普莱克斯SG 100等离子体枪实施等离子喷雾涂覆且将PEK聚合物引入喷射流中以将材料加热并加速到高速。最初，在将工具冷却到室温时，难以维持密封/释放工具与PEK聚合物之间的粘附，此很可能是由模制工具与模制工具的平滑模制表面上的热塑性表面层聚合物涂层的CTE(热膨胀系数)差导致。显示外皮涂层从工具释放(GP密封剂和释放剂800)。
实例4-等离子喷雾到模制工具的纹理化模制表面上的PEK聚合物
为改进等离子体PEK聚合物喷雾的粘附，使用120粒度氧化铝对后续面板实施喷砂且使用800释放涂覆。实现极佳涂层施加。
为测试PEK等离子喷雾涂层如何转移到压层上，使用APC PEKK/AS-4单胶带材料产生两个8夹层准各向同性面板。使用隔板在720°F(382℃)的高压釜温度和100psi N2下处理面板。
所得面板展示一些不均匀表面纹理和表面层聚合物涂层厚度。可从所得热塑性纤维增强的复合物部件刮除一些表面涂层区。在高压釜循环之后，模制工具的模制表面较为清洁，从而指示模制释放剂较为有效。
实例5-预浸体上的等离子体PEK聚合物喷雾涂层
还对APC-单胶带试样实施等离子喷雾以提供将材料添加到热塑性材料外侧的路径。沉积两个涂层重量以测试工艺控制。仅涂覆胶带的一侧。观察到胶带发生横向树脂收缩和起皱。
此工艺的独特能力提供有益用途，例如难以通过其它方式产生的包含陶瓷、金属和聚合物掺合物的材料组合。金属合金涂层可提供改进防雷击导电性且减少边缘发光。
实例6
在高温下处理热塑性复合物部件且需要稳定工具材料。用于PEKK-FC单胶带面板的处理循环超过730°F(388℃)，此需要钢合金工具。对于此系列实验来说，工具为0.120”厚304不锈钢板。
在此实验期间尝试多种表面饰面。默认平滑面板是已经120粒度砂纸喷砂且进行溶剂清洗的0.125”厚不锈钢板。所用纹理化表面处理包含喷射120粒度氧化铝和40-60c粒度玻璃珠粒。所述表面增加了第一夹层涂层到释放涂覆材料的机械锁闭。据信，表面还通过产生减小树脂收缩对工具粘附的效应的厚区和薄区来破裂树脂膜。推荐将喷玻璃珠工具用于等离子喷雾，但尚未进行尝试。纹理的益处在于帮助在处理期间保留涂层。
首先使用Zyvax GP密封件来密封不锈钢板。发现此可与800相互作用以产生格外容易释放的表面。此导致涂层在工具上过早滑动。在发现此情形之后，以机械方式从所有表面去除密封件且停止实验。
所评估的第一模制释放剂是800。此基于溶剂的系统已知提供在高于400℃的处理温度下的释放。将释放剂擦拭于不锈钢表面上并进行风干，并且然后使用热塑性材料对工具实施等离子喷雾。初始涂层使用PEI/二氧戊环喷雾且展示在最小磨损下从工具剥离的趋势。然后尝试Kant-Stik Cure-Fast模制释放剂且还发现具有易释放表面。已证实，此释放剂难以在高于750°F(399℃)下处理。
然后使用AXEL 21RM模制释放剂而不使用密封件，并且似乎其表面较任一先前释放剂“更紧密”。其是基于溶剂的系统。Axel 21RM是用于此应用的优选可用释放剂。其在无密封件下发挥作用以提供良好表面粘附而不会太光滑。还尝试基于水的形式W4005以与AXEL 21RM进行比较，但发现易于产生磨损且在工具的一些手指磨损之后产生显著的释放剂小“刻痕”。
按照释放剂制造商的推荐，将工具加热到使用温度(735°F，391℃)以使释放剂适用于工具。适应工具使得释放剂在投与使用之前在工具上固化。包含此步骤以防止溶剂在使用PEI/二氧戊环溶液的第一夹层铺设中抬起模制释放膜。
实例7
为将涂层直接赋予释放涂覆的工具上，使用等离子体枪实施等离子喷雾涂覆且将PEK聚合物引入喷射流中以将材料加热并加速到高速。使用流化床供给系统将PEK聚合物供给到等离子体枪中。
此次将工具预热到250°F(121℃)以帮助将聚合物粘附到工具的表面。使用普莱克斯SG 100等离子体枪将大约2密耳PEK聚合物沉积于工具上。此将粉末暂时沉积于工具上。然后在750°F(399℃)下于电炉中处理具有粉末涂层的不锈钢工具以熔化聚合物且产生熔化的聚合物层。
为改进等离子喷雾的粘附，使用120粒度氧化铝对后续面板实施喷砂且使用 800释放涂覆。将胶带的图片框布置于工具上以产生粗糙中心面板和平滑周边。此图片框用以显示表面粗糙度转变对于第一夹层铺设材料的效应。此还提供用于屏蔽工具过度喷雾的平滑区。
为测试PEK等离子喷雾涂层如何转移到压层上，使用APC PEKK/AS-4单胶带材料产生8夹层准各向同性面板。使用隔板在720°F(382℃)的高压釜温度和100psi N2下处理面板。所得面板显示一定的不均匀纹理和涂层厚度。经涂覆工具表面在高压釜循环之后是干净的，从而指示模制释放剂是有效的。
使用双层或三层原位热塑性胶带的膜层压：将较小压机加热到290℃与410℃之间。用释放剂涂覆卡普顿(Kapton)膜且使压机处于所需温度下；将双层或三层配置夹于经释放剂涂覆的卡普顿膜的两片之间，由此形成积层。将积层与热电偶一起布置于压机的两个3”×3”不锈钢隔板之间。将堆叠插入压机中且施加1,000磅压力并保持10秒到30秒的时段。然后释放压力和顶部板且去除堆叠以在冷压机下冷却(1000lb.，1分钟)。
鉴于上述说明和实例，所属领域技术人员将能够不进行过多实验即实践所主张的本揭示内容。
尽管前述说明已显示、描述并指出本发明教示内容的基本新颖特征，但应理解，所属领域技术人员可对所说明设备以及其用途以详细形式作出各种省略、取代和改变，此并不背离本发明教示内容的范围。因此，本发明教示内容的范围不应限于前述论述，而应由所附权利要求书界定。

Claims (19)

1.一种用于原位热塑性纤维增强的复合材料的自动化胶带铺设的工具，其包括：
无孔固体金属模制工具，其具有模制表面；和
热塑性表面层聚合物；和
释放膜，其以可释放方式插入所述模制工具的所述模制表面与所述热塑性表面层聚合物之间。
2.根据权利要求1所述的工具，其中所述模制工具的所述模制表面具有纹理。
3.根据权利要求2所述的工具，其中所述模制工具的所述模制表面的所述纹理是通过使用40粒度到120粒度的玻璃珠粒实施喷砂来产生。
4.根据权利要求2所述的工具，其中所述模制工具的所述模制表面的所述纹理具有0.07μm或更大的轮廓要素的平均间隔和5.0或更大的最大轮廓高度。
5.根据权利要求1所述的工具，其中所述热塑性表面层聚合物是选自PEK、PEKK、PEEK或其掺合物。
6.根据权利要求1所述的工具，其中所述热塑性表面层聚合物进一步包括一或多种多功能试剂。
7.根据权利要求1所述的工具，其中所述热塑性表面层聚合物是以可释放方式粘附到所述释放膜的多个充分融合的不连续热塑性颗粒。
8.根据权利要求1所述的工具，其中通过等离子喷雾施加所述热塑性表面层聚合物。
9.根据权利要求1所述的工具，其中所述具有模制表面的无孔金属模制工具进一步具有纹理；其中所述释放膜粘附到所述模制工具的所述模制表面上；且其中所述热塑性表面层聚合物涂层包括通过等离子喷雾施加的多个热塑性表面层聚合物颗粒；
其中所述热塑性表面层聚合物涂层是多个不连续珠粒，所述珠粒是以可释放方式粘附到所述释放膜的充分融合的热塑性颗粒。
10.根据权利要求9所述的工具，其中所述模制工具的所述模制表面的所述纹理具有0.07μm或更大的轮廓要素的平均间隔和约5.0或更大的最大轮廓高度。
11.根据权利要求9所述的工具，其中所述热塑性表面层聚合物颗粒在等离子喷雾之前具有90μm到180μm的直径D90大小。
12.一种用于原位热塑性纤维增强的复合材料的自动化胶带铺设的预浸体，其包括：
热塑性纤维增强的复合材料，其具有第一表面和第二表面；和
热塑性表面层聚合物，其至少位于所述第一表面上。
13.根据权利要求12所述的预浸体，其中所述预浸体在所述第一表面和所述第二表面上包括热塑性表面层聚合物。
14.一种制备模制工具的方法，所述模制工具能够接受热塑性纤维增强的复合材料的第一夹层铺设以用于原位热塑性复合材料的自动化胶带铺设，所述方法包括：
提供具有模制表面的无孔金属模制工具；
将纹理施加到所述模制工具的所述模制表面上；
将释放膜施加到所述模制工具的所述模制表面上的所述纹理上；
将多个热塑性表面层聚合物颗粒引入等离子喷雾枪中；和
在热塑性纤维增强的复合材料的原位胶带铺设期间，将所述热塑性表面层聚合物颗粒等离子喷雾到所述模制工具上的所述释放膜上。
15.根据权利要求14所述的制备模制工具的方法，其中经引入所述等离子喷雾枪中的所述热塑性表面层聚合物颗粒是在等离子喷雾之前直径D90大小为90μm到180μm的PEKK颗粒。
16.根据权利要求14所述的制备模制工具的方法，其进一步包括在施加所述热塑性表面层聚合物之后向所述模制工具施加热以使所述热塑性表面层聚合物退火或结晶。
17.一种原位热塑性纤维增强的复合材料的自动化胶带铺设方法，其包括：
提供具有模制表面的无孔模制工具；
将释放膜施加到所述模制工具的所述模制表面上；
将多个热塑性表面层聚合物颗粒引入等离子喷雾枪中；
在第一层热塑性纤维增强的复合材料的原位胶带铺设期间，将所述热塑性表面层聚合物颗粒等离子喷雾到所述释放膜上以在所述模制工具上形成热塑性表面层聚合物涂层，所述第一层热塑性纤维增强的复合材料具有与所述热塑性表面层聚合物涂层接触的第一表面和第二表面；
在具有第一表面和第二表面的后续热塑性纤维增强的复合材料层的所述原位胶带铺设期间，将所述热塑性表面层聚合物颗粒等离子喷雾到所述第一层热塑性纤维增强的复合材料的所述第二表面上，从而在所述第一层热塑性纤维增强的复合材料的所述第二表面与所述后续热塑性纤维增强的复合材料层的所述第一表面之间形成热塑性聚合物层间层；和
在所述原位胶带铺设期间，将热塑性表面层聚合物颗粒连续等离子喷雾到所述后续热塑性纤维增强的复合材料层上，直到施加所需层数的热塑性纤维增强的复合材料为止，从而在每一层热塑性纤维增强的复合材料之间形成热塑性聚合物层间层。
18.一种使用根据权利要求1所述的模制工具产生的热塑性纤维增强的复合物部件，其中所述所得热塑性纤维增强的复合物部件具有增强的表面性质。
19.根据权利要求18所述的热塑性纤维增强的复合物部件，其中所述增强的表面性质是导电性。
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