CN106273943B - 复合夹层板和相关制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及复合夹层板和相关制造方法。本文中公开的是复合夹层板，其包括具有完全固结的共混的第一纤维和第一热塑性基质的第一面部分。复合夹层板还包括具有完全固结的共混的第二纤维和第二热塑性基质的第二面部分。额外地，复合夹层板包括具有部分固结的共混的第三纤维和第三热塑性基质的至少一个芯部分。至少一个芯部分被插入第一面部分和第二面部分之间。第一热塑性基质与第三热塑性基质融合，并且第二热塑性基质与第三热塑性基质融合。跨越复合板的厚度的纤维密度是非均匀的。

Description

复合夹层板和相关制造方法

技术领域

本公开内容一般涉及由复合材料制成的构件，更具体地涉及复合夹层板。

背景技术

复合材料诸如复合板被用于多种应用中。在一个应用中，复合板被用于交通工具诸如飞机的各种结构。期望地，复合板具有高弯曲刚度和抗剪力性。然而，传统的非夹层复合板不能提供弯曲刚度和抗剪力性两者的可接受的水平，而又不过度地增加板的重量和厚度。例如，优化弯曲刚度的常规复合板可能未充分利用复合板内所有层的能力，其导致重的板。然而，复合板的高弯曲刚度已经通过添加由不同材料或不同地配置的材料制成的高剪切能力、低密度的芯层实现，以形成具有高弯曲刚度的轻质夹层复合板。不管夹层复合板设计的优点如何，与非夹层复合板设计相比，添加另外的芯层导致成本和复杂性增加。

发明内容

本申请的主题提供复合夹层板的实施方式，及相关方法和装置，其克服了上面讨论的现有技术复合板的缺点。响应现有技术的现状，并特别地响应常规复合板——包括复合夹层板——的缺点，已经开发了本申请的主题。

根据一个实施方式，复合夹层板包括具有完全固结共混的第一纤维和第一热塑性基质的第一面部分。复合夹层板还包括具有完全固结共混的第二纤维和第二热塑性基质的第二面部分。额外地，复合夹层板包括具有部分固结共混的第三纤维和第三热塑性基质的至少一个芯部分。该至少一个芯部分被插入第一面部分和第二面部分之间。第一热塑性基质与第三热塑性基质融合，并且第二热塑性基质与第三热塑性基质融合。跨越复合板的厚度的纤维密度是不均匀的。

在复合夹层板的一些实施中，跨越复合夹层板的厚度的纤维密度的变化率是恒定的。

根据复合夹层板的一些实施，第一纤维、第二纤维和第三纤维是无规取向的。

在复合夹层板的某些实施中，第一纤维、第二纤维和第三纤维包括碳纤维，并且第一热塑性基质、第二热塑性基质和第三热塑性基质包括聚苯硫醚。

在复合夹层板的仍一些实施中，第一纤维和第二纤维由与第三纤维不同的材料制成。第一热塑性基质和第二热塑性基质可以由与第三热塑性基质不同的材料制成。

根据复合夹层板的一些实施，至少一个芯部分包括多个芯部分，各自具有相同的固结百分比。在其它实施中，至少一个芯部分包括多个芯部分，各自具有不同的固结百分比。

在另一个实施方式中，制造复合夹层板的第一方法包括将至少一个片芯(coresheet)放置在第一面板和第二面板之间以形成堆叠。第一面板包括完全固结共混的第一纤维和第一热塑性纤丝。第二面板包括完全固结共混的第二纤维和第二热塑性纤丝。至少一个片芯包括部分固结共混的第三纤维和第三热塑性纤丝。第一方法还包括压缩堆叠。额外地，第一方法包括加热堆叠，同时将堆叠按压在一起。

根据第一方法的一些实施，至少一个片芯具有第一固结百分比。可以压缩和加热堆叠直到至少一个片芯具有高于第一固结百分比的第二固结百分比。

在第一方法的某些实施中，加热堆叠包括将第一热塑性纤维、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝分别熔化为第一热塑性基质、第二热塑性基质和第三热塑性基质。加热堆叠还包括融合第一热塑性基质和第三热塑性基质，和融合第二热塑性基质和第三热塑性基质。

在第一方法的仍一些实施中，至少一个片芯包括多个片芯，各自具有固结百分比。多个片芯的固结百分比可以是相同的或不同的。

根据第一方法的某些实施，跨越第一面板、第二面板和至少一个片芯中每个的厚度的纤维密度是均匀的。

在第一方法的仍某些实施中，第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝由与第三热塑性纤丝不同的材料制成。

在第一方法的一些实施中，第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝分别具有第一熔化温度和第二熔化温度。第三热塑性纤丝具有第三熔化温度。第三熔化温度小于第一熔化温度和第二熔化温度中每个。加热堆叠包括加热第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝至至少第一熔化温度和第二熔化温度的温度。压缩堆叠包括压缩堆叠直到至少一个片芯变成完全固结的并且堆叠变成完全固结的板。在加热第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝至至少第一熔化温度和第二熔化温度的温度和压缩堆叠直到至少一个片芯变成完全固结的并且堆叠变成完全固结的板之后，第一方法进一步包括降低完全固结的板的温度至第三熔化温度以下的温度。在降低完全固结的板的温度至第三熔化温度以下的温度之后，第一方法额外地包括释放完全固结的板上的压力，同时重新加热完全固结的板至至少第三熔化温度并在第一熔化温度和第二熔化温度以下的温度。

根据另一个实施方式，制造复合夹层板的第二方法包括提供包括共混的纤维和热塑性纤丝的至少一个片。第二方法还包括加热至少一个片以熔化热塑性纤丝并形成完全固结的板。额外地，第二方法包括冷却完全固结的板。在冷却完全固结的板之后，第二方法包括从完全固结的板的第一表面重新加热完全固结的板，以引起跨越完全固结的板的厚度的第一温度梯度。第二方法进一步包括不均匀地松解(lofting)完全固结的板，以引起跨越完全固结的板的厚度的与第一温度梯度成比例的第一密度梯度，以形成密度梯度复合板。

在第二方法的一些实施中，密度梯度复合板包括第一密度梯度复合板。第二方法可以进一步包括形成第二密度梯度复合板。再者，第二方法可以包括将第一密度梯度复合板结合至第二密度梯度复合板，以形成组合的密度梯度复合板，其具有跨越该组合的密度梯度复合板的厚度对称的密度梯度。

根据一些实施，第二方法额外地包括在冷却完全固结的板之后，从与第一表面相对的完全固结的板的第二表面重新加热完全固结的板，以引起跨越完全固结的板的厚度的第二温度梯度。再者，第二方法包括不均匀地松解完全固结的板，以引起跨越完全固结的板的厚度的与第二温度梯度成比例的第二密度梯度。第一密度梯度可以与第二密度梯度对称。

在仍另一个实施方式中，复合夹层板包括第一面部分、第二面部分、和插入在第一面部分和第二面部分之间的芯部分。芯部分包括在热塑性基质中的增强纤维。跨越芯部分的厚度的增强纤维的密度是不均匀的。在一些实施中，芯部分还包括发泡剂。

在一个或多个实施方式和/或实施中，本公开主题的描述的特征、结构、优点、和/或特性可以以任意适合的方式组合。在下面的描述中，提供众多具体的细节以给出本公开主题的实施方式的详尽理解。相关领域内技术人员将认识到可以实践本公开主题，而不需要特定实施方式或实施的具体的特征、细节、构件、材料和/或方法中的一种或多种。在其它情况下，在某些实施方式和/或实施中可以认识额外的特征和优点，其可以不存在于所有实施方式或实施中。进一步地，在一些情况下，没有详细示出或描述熟知的结构、材料、或操作，以避免混淆本公开主题的方面。根据下面的描述和所附权利要求，本公开主题的特征和优点将变得更充分清楚，或者通过如下文中所提出主题的实践，可以了解本公开主题的特征和优点。

附图说明

为了可以更容易地理解主题的优点，通过参考在附图中图解的具体实施方式，将提供上面简要描述的主题的更具体描述。理解的是，这些附图仅描绘主题的典型实施方式，因此，它们不被理解为限制其范围。通过使用附图，将利用额外的特征和细节描述和解释主题，其中：

图1是根据一个实施方式的片堆叠的透视图，每个片具有共混的纤维和热塑性纤丝；

图2是根据一个实施方式的由图1的堆叠形成的复合板的透视图；

图3是根据另一个实施方式的片堆叠的透视图，每个片具有共混的纤维和热塑性纤丝；

图4是根据一个实施方式的由图3的堆叠形成的复合板的透视图；

图5是根据一个实施方式的复合板的透视图；

图6是根据仍另一个实施方式的复合板的透视图；

图7是根据一个实施方式的共混的纤维和热塑性纤丝的片的侧视图；

图8是根据一个实施方式的由图7的片形成的复合板的侧视图；

图9是根据一个实施方式的用于制造第一复合板的系统；

图10是根据一个实施方式的用于制造第二复合板的系统；

图11是根据一个实施方式的用于制造第三复合板的系统；

图12是根据一个实施方式的用于制造第四复合板的系统；

图13是根据一个实施方式的制造复合板的方法的示意性流程图；

图14是根据另一个实施方式的制造复合板的方法的示意性流程图；和

图15是根据另一个实施方式的制造复合板的方法的示意性流程图。

具体实施方式

贯穿该说明书，提及“一个实施方式”、“实施方式”或类似语言表示与实施方式有关描述的具体特征、结构或特性包括在本公开内容的至少一个实施方式中。贯穿该说明书，短语“在一个实施方式中”、“在实施方式中”和类似语言的出现可以但非必须全部指相同的实施方式。相似地，术语“实施”的使用表示具有与本公开内容的一个或多个实施方式有关描述的具体特征、结构或特性的实施，然而，如果没有其它指示的相关表达，实施可以与一个或多个实施方式相关联。

参考图1并且根据一个实施方式，显示了平的片的堆叠10。片包括第一面板12、第二面板14和多个片芯16。片被相对彼此堆叠，使得片芯16被分别插入第一面板12和第二面板14之间。在图解的实施方式中，堆叠10的片依次放置在另一个的顶部。第一面板12、第二面板14和片芯16中每个限定各自顶部表面20和底部表面22之间的厚度。当堆叠在一起以形成堆叠10时，片的组合的厚度限定在堆叠的顶部表面和底部表面(即，第一面板12的顶部表面20和第二面板14的顶部表面22)之间限定的堆叠的总厚度t。堆叠10的每个片可以具有跨越堆叠的整个横截面或跨越堆叠的部分横截面的相同的或不同的厚度和/或材料的量。而且，根据一些实施，堆叠10的每个片具有基本上相同的面积和外周形状，使得片的外部边界或边缘可以基本上彼此齐平。然而，在其它实施中，片的外部边界可以形状不同并且不基本上彼此齐平。例如，堆叠10可以被用于形成非平的或非平面的构件。在一些实施中，片被直接堆叠至彼此上，而没有任何片之间的中间层，诸如粘合剂。

在一些实施方式中，堆叠10通过将多个片芯16放置在第二面板14上和将第一面板12放置在多个片芯16上形成。在图解的实施方式中，第一面板12和第二面板14中每个包括单个材料层。然而，在其它实施方式中，第一面板12和第二面板14中每个可以包括多个材料层。将多个片芯16放置在第二面板14上可以通过将片芯一个接一个布置在第二面板上完成。可选地，可以进行片芯16的堆叠并且共同地放置在第二面板14上。

虽然图1中图解的堆叠10包括一个第一面板12、一个第二面板14和五个片芯16，但是在其它实施方式中，堆叠可以包括少于或多于五个片芯。额外地，尽管在图解的实施方式中，堆叠10的第一面板12、第二面板14和片芯16中每个的厚度是基本上相同的，但是在其它实施方式中，堆叠的每个片的厚度不需要是相同的。例如，每个片芯16的厚度可以大于或小于第一面板12和第二面板14中每个的厚度。可选地，或额外地，第一面板12的厚度可以不同于第二面板14的厚度。堆叠的期望的总厚度t，和相对于第一面板12和第二面板14的片芯16的期望的相对厚度，可以通过调节片的厚度和/或片的数量实现。例如，堆叠的总厚度t可以通过改变片芯或面板的数目或通过改变片芯或面板中的一个或多个的厚度来改变。

堆叠10的每个片包括共混的纤维和热塑性纤丝。例如，如图7中所示，片芯16的横截面包括与多个热塑性纤丝82共混的多个纤维80。如本文中所限定，纤维80为增强纤维。参考图8，利用添加热和压力，多个热塑性纤丝82变得完全固结为共连续的热塑性基质86。于是，在热和压力下，共混的纤维80和热塑性纤丝82变为热塑性共连续基质中的纤维(即，增强的热塑性纤维)。纤维可以是本领域已知的各种天然或合成纤维中的任一种。例如，纤维80可以是碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维等中的一种或多种。相似地，热塑性纤丝82可以是本领域内已知的各种热塑性纤丝中的任一种，诸如，例如，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯、聚氯乙烯、高密度聚乙烯、尼龙、聚醚砜、聚醚酰亚胺、聚苯硫醚(PPS)等。在一些实施中，片芯16和面板12、14可以包括纤维80和热塑性纤丝82之间的空隙84或自由空间。根据一些实施方式，面板12、14可以由其它材料制成，诸如编织材料、非编织材料、织物、单向带等等。

制造共混的纤维80和热塑性纤丝82的片的方法的一个实施方式包括将纤维、热塑性纤丝和粘合剂充分地混合在一起，以形成分散的纤维和纤丝的混合物，以及允许混合物定型为片状形状，其可以包括干燥材料以移除粘合剂。因为纤维80和热塑性纤丝82是充分混合的，所以混合物的密度(如，纤维密度)是跨越片的厚度基本上均匀的。如本文中所限定，纤维的密度和纤维密度不是指每个单独的纤维的密度，而是指片/板中纤维的面积重量(即，纤维的每单位面积的重量)或片/板中纤维的分布。

跨越片的厚度的纤维80的密度依赖于纤维、热塑性纤丝82和纤维与热塑性纤丝之间的空隙84的数量和大小。于是，对于给定数量和大小的纤维、热塑性纤丝和粘合剂，纤维的密度取决于片中空隙或自由空间的大小和数量。可以在片的固结或片的松软性(loftiness)或紧缩率的方面表达共混的纤维和热塑性纤丝的片中空隙的特性。片的固结被限定为片中空隙相对片的总体积的体积百分比。例如，具有100％固结的片(如，100％固结)在纤维和热塑性纤丝(或如将在下面更详细描述的在热塑性纤丝被熔化以形成板之后的热塑性基质)之间没有空隙和自由空间。相反地，具有30％固结的片(如，30％固结)在纤维和热塑性纤丝之间具有的空隙占据大约70％的片的总体积。片的固结还可以被表达为片的松软(loft)。一般地，在纤维、热塑性纤丝被混合并安置在带上之后，混合物可以具有各种期望的固结中的任一种。

共混的纤维和热塑性纤丝的片的性能取决于片的固结、纤维的性质、和热塑性纤丝的性质。片的固结越高，片越强/越硬。然而，片的固结越高，每单位厚度的片越重。于是，对于给定的片，在片的强度/刚度和厚度之间存在权衡。但是，受夹层板理论影响，具有插入较稠密的(如，每单位厚度较重的)面部分之间的轻质芯部分的片或由多个片制成的板表现比只具有较重的面部分的片或板更高的弯曲刚度。换句话说，伴随总重量的最小增加，片或多个片的板的刚度可以通过向片或板添加轻质芯显著地增加。进一步，可以通过减少或消除粘合剂的使用以将芯部分和面部分结合在一起，增加在面部分之间具有轻质芯部分的夹层板的强度(如，剪切强度)和耐久性。

参考图1和2，堆叠10被转化为在相对的第一面部分32和第二面部分34之间具有芯部分36的复合夹层板30。第一面板12和第二面板14每个具有比片芯16高的固结。例如，第一面板12和第二面板14可以具有100％的固结(如，完全固结或100％固结)，并且每个片芯16可以具有小于100％的固结(如，部分固结)。在图1图解的实施方式中，每个片芯16的固结是相同的。如本文中所限定，部分固结可以是小于100％固结的任意固结。然而，在一些实施中，部分固结是小于大约95％固结的固结。根据一个实施，例如，每个片芯16是大约75％固结的。

一般地，在压力和热下，第一面板12变为第一面部分32，第二面板14变为第二面部分34，并且片芯16共同地变为复合夹层板30的芯部分36。于是，复合夹层板30的第一面部分32和第二面部分34分别具有与第一面板12和第二面板14相同的固结，并且芯部分36具有至少稍稍高于每个片芯16的固结。因此，在施加热和压力之前片的固结可以被认为是片的初始固结，并且在施加热和压力之后板的固结可以被认为是最终固结。但是，控制压力，使得第一面部分32和第二面部分34具有比芯部分36高的固结。而且，因为片芯16每个具有相同的固结，芯部分36具有跨越芯部分的厚度均匀的纤维密度或固结。在某些实施中，如果施加至堆叠10的压力足够地高，尽管跨越芯部分36的厚度纤维密度或固结是均匀的，但是芯部分的固结可以比每个片芯16的固结显著地高，仍还低于第一面部分32和第二面部分34的固结。因为跨越板的厚度复合夹层板30的纤维密度或固结改变(如，从高至低、至高)，板可以被认为具有跨越其厚度的非均匀的纤维密度或纤维密度梯度。

在图13中所示的方法300的一个实施方式中，在310处形成堆叠10并通过在310处压缩堆叠和在330处加热堆叠将堆叠10制成复合夹层板30。一般地，施加至堆叠10的压力和热足以将第一面板12、第二面板14和片芯16中的热塑性纤丝分别压缩和熔化为第一面部分32、第二面部分34和芯部分36。参考图8，显示了由图7的片芯16形成的芯部分36的截面的一个实例。芯部分36的截面包括纤维80和熔化的热塑性纤丝82或热塑性基质86。纤维80实际上被悬浮在热塑性基质86中，热塑性基质86通过熔化和融合热塑性纤丝82在一起形成。芯部分36的截面还包括悬浮在热塑性基质86中的空隙84。芯部分36的截面中的空隙84的共同的体积可以与片芯16中的空隙的共同的体积相同或小于片芯16中的空隙的共同的体积。如果需要，选择施加至片芯16的压力以在芯部分36的截面中保持与片芯的固结相同或与片芯中空隙84的体积相同。相反，可以选择施加至片芯16的压力以与片芯相比增加芯部分36的截面的固结或降低芯部分的截面中空隙84的体积。

每个片的熔化的热塑性纤丝或热塑性基质与一个或两个相邻的片的熔化的热塑性纤丝或热塑性基质融合或相互混合。例如，板30的第一面部分32的热塑性基质与芯部分36的热塑性基质融合，板的第二面部分34的热塑性基质与芯部分的热塑性基质融合，并且芯部分的热塑性基质与第一面部分和第二面部分的基质两者融合。来自两个片的热塑性基质的融合将两个片结合在一起，而没有介于中间的粘合剂层。而且，在某些实施中，在相邻的片的融合的热塑性基质之间形成的结合比通过将单独的粘合剂层插入片之间形成的结合强(如，能够耐受更高的剪切应力)且轻。因为在一些实施中，诸如所示的，相邻的片的熔化的热塑性纤丝或热塑性基质熔化或相互混合在一起，所以在相邻片之间没有明显的结合线。

参考图9，显示了用于由片的堆叠制造复合夹层板的装置100的一个实施方式，片由共混的纤维和热塑性纤丝制成。装置100包括第一压板102和第二压板104。第一压板102和第二压板104是相对彼此可移动的，以施加压力至在第一压板和第二压板之间插入的堆叠10。于是，第一压板和第二压板中至少一个是相对于静止参照物可移动的。在图解的实施方式中，第二压板104是相对于静止参照物不可移动的，以作为堆叠10被支撑在其上的静止的平台，同时第一压板102是相对于静止参照物可移动的，如通过方向箭头106所指示的，以施加压力至堆叠(如，闭合压机)。在其它实施方式中，第一压板102可以相对于静止参照物被固定，并且第二压板104可以相对于静止参照物可移动。根据仍其它实施方式，第一压板102和第二压板104两者是相对于静止参照物可以移动的。随着堆叠10插入第一压板102和第二压板104之间并与其接触，通过朝向彼此相对移动施加压力至堆叠10，压缩堆叠。可以控制装置100以期望的速率施加期望的压力至堆叠10直到达到片芯16或芯部分36的期望的固结和/或达到复合夹层板30的期望的总厚度。

在一些实施方式中，第一压板102和第二压板104中一个或两者配置为通过传导加热堆叠10。如所示的，在一个实施中，第一压板102和第二压板104中每个产生和传输热108进入堆叠10以加热堆叠。施加热108至堆叠10期望的时间期间。期望的时间期间可以足够堆叠10中每个片12、14、16的温度达到相同的最终温度。可以根据需要调节热的水平，以实现堆叠10的片12、14、16的各种最终温度的任一种。在其它实施方式中，通过其它技术——诸如辐射和对流——和装置，传输热至堆叠10，以增加堆叠的温度。

片12、14、16的最终温度至少与片的热塑性纤丝82的熔化或软化温度一样高。然而，如将在下面更详细地描述，在一些实施方式中，一个或多个片的热塑性纤丝82可以具有不同的熔化或软化温度，使得制造复合夹层板包括加热片的堆叠至多个最终温度。

根据图14中所示的不同的方法400，装置100还可以被用于将堆叠10转化为复合夹层板。方法400的进行产生了类似于复合夹层板30的复合夹层板。然而，如将更加详细解释，由方法400产生的复合夹层板的面部分具有与芯部分不同的热塑性。

根据一些实施方式，堆叠10的第一面板12、第二面板14、和片芯16分别具有第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝。第一面板12和第二面板14的第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝分别可以由不同于片芯16的热塑性纤丝的材料制成。而且，第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝可以由相同的材料制成。第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝具有比第三热塑性纤丝的第三熔化温度高的第一熔化温度和第二熔化温度。

方法400包括在410处加热和压缩片的堆叠10以形成完全固结的板，诸如图9的完全固结的板130。更具体地，堆叠10被加热至至少与第一面板12和第二面板14的热塑性纤丝的第一熔化温度和第二熔化温度一样高的第一温度。于是，加热堆叠10至第一温度使第一面板12和第二面板14的第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝熔化。因为第三纤丝的第三熔化温度低于第一熔化温度和第二熔化温度，所以加热堆叠10至第一温度也使片芯16的第三热塑性纤丝熔化。堆叠10的压缩减少了片芯16中的空隙和增加了片芯16的固结，直到片芯被100％固结以匹配第一面板12和第二面板14的固结。然而，在一些实施中，压缩堆叠10以增加片芯16的固结至小于100％但大于片芯的初始固结的固结。

第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝的熔化使第一面板12和第二面板14分别转化为完全固结的板130的第一部分132和第二部分134。类似地，熔化第三热塑性纤丝并压缩片芯16至完全固结使片芯转化为完全固结的板130的芯部分136，其插入第一面部分132和第二面部分134之间。尽管第一面部分132、第二面部分134和芯部分136是完全固结的，但是第一部分和第二部分的热塑性依然不同于芯部分的热塑性。

在410处通过加热和压缩堆叠10形成完全固结的板130之后，方法400包括在420处降低完全固结的板130的温度。将完全固结的板130的温度降低至第二温度，第二温度低于第三纤丝的第三熔化温度并且乃至低于第一纤丝和第二纤丝的第一熔化温度和第二熔化温度。降低完全固结的板130的温度至第三熔化温度以下至少部分地固化完全固结的板的热塑性材料。在一些实施中，完全固结的板130的温度被充分地降低和/或保持降低的温度足够的时间量以完全固化完全固结的板的热塑性材料。

在420处降低完全固结的板130的温度之后，方法400包括在430处至少部分地释放完全固结的板上的压力。如图9中所示，在430处释放完全固结的板上的压力可以包括以方向112将装置100的第一压板102移动远离第二压板104(如，打开压机)。换句话说，在430处释放完全固结的板上的压力与增加第一压板102和第二压板104之间的间隙有关。根据由完全固结的板130形成的复合夹层板的芯部分136的期望的固结或松解，选择由完全固结的板释放的压力的量(即，第一压板102和第二压板104之间间隙的厚度)。更具体地，对于芯部分136的相对较低的固结或较高的松解，可以选择释放较大的压力(即，第一压板102和第二压板104之间较大的间隙)，对于芯部分的相对较高的固结或较低的松解，可以释放较少的压力(即，第一压板和第二压板之间较小的间隙)。为了有助于在430处松解或降低完全固结的板的芯部分136的固结，可以在410处在加热和压缩片芯之前将发泡剂加入堆叠10的片芯16。一般地，发泡剂可以是能够通过起泡过程产生多孔结构的任意物质，起泡过程有利于芯部分136的松解。可以配置发泡剂以通过热膨胀或化学反应活化。

在430处从完全固结的板130释放压力之前、期间或之后，方法400包括在440处加热完全固结的板130至第三温度。第三温度小于第一温度并大于第二温度。于是，再施加热110至完全固结的板130以增加板的温度至第三温度导致完全固结的板130的芯部分136的热塑性材料被再熔化，同时软化而没有再熔化第一面部分132和第二面部分134的热塑性材料。熔化完全固结的板的芯部分136的热塑性材料连同从完全固结的板释放压力允许芯部分相对第一面部分132和第二面部分134松解，由此降低芯部分的固结，同时保持完全固结的第一面部分和第二面部分。一般地，在熔化温度下，可以减轻板内的内部应力以允许纤维变直，其导致板的松解。再者，随着芯部分136被再熔化以及第一面部分132和第二面部分134被软化，板可以被模塑为期望的形状。因为芯部分136的纤维密度或固结变得不同于第一面部分132和第二面部分134，所以得到的板——类似于板30——可以被认为具有跨越其厚度的非均匀的密度或密度梯度。

返回参考图9和图13，方法300和装置100还可以被用于将不同于堆叠10的片的堆叠转化为不同于复合夹层板30的复合夹层板。例如，参考图3，堆叠10包括第一面板42、第二面板44和在第一面板和第二面板之间插入的多个片芯46A-C。如堆叠10一样，第一面板42和第二面板44可以被完全固结，并且五个片芯46A-C可以被部分固结。然而，不同于堆叠10的片芯16，堆叠10的片芯46A-C具有不同的固结。一般地，布置片芯46A-C，使得固结或纤维密度从第一面板42和第二面板44朝向第一面板和第二面板之间的中平面降低。额外地，在某些实施中，选择片芯46A-C的数目和固结，使得密度降低相对于或关于中平面是对称的。更具体地，片芯46A每个具有第一固结，片芯46B每个具有不同于第一固结的第二固结，并且片芯46C具有不同于第一固结和第二固结的第三固结。在图解的实施方式中，例如，第一固结低于第一面板42和第二面板44的固结并大于第二固结，并且第二固结大于第三固结。

根据方法300，在通过装置100施加的压力和热下，第一面板42变为第一面部分52，第二面板44变为第二面部分54，并且片芯46A-C共同地变为复合夹层板50的芯部分。更具体地，片芯46A变为第一芯部分56A，片芯46B变为第二芯部分56B，并且片芯46C变为第三芯部分56C。一般地，复合夹层板50的部分共享与相应的片相同的固结。由于片芯46A-C的不同的固结和布置，复合夹层板50的芯部分具有跨越芯部分的厚度非均匀的纤维密度或固结。但是，因为纤维密度或固结跨越片芯46A-C中每个的厚度是均匀的，所以跨越芯部分的厚度的纤维密度或固结的非均匀性以阶梯的方式存在。跨越复合夹层板50的芯部分的厚度非均匀的纤维密度或固结相应于纤维密度或固结从第一面部分52和第二面部分54的降低，该降低朝向第一面部分和第二面部分之间的中平面并关于该中平面对称。因为复合夹层板50的纤维密度或固结跨越板的厚度并更具体地跨越板的芯部分的厚度变化，所以板可以被认为具有跨越其厚度非均匀的密度或密度梯度。

参考图5，显示了根据另一个实施方式的复合夹层板60。像复合夹层板30、50一样，复合夹层板60具有跨越其厚度的非均匀的密度或密度梯度。然而，与复合夹层板30、50不同，跨越复合夹层板60的厚度的密度梯度是连续的(如，线性的、渐进的、或非阶梯的)。复合夹层板60包括通过粘合剂68粘附在一起的第一子板62和第二子板64或两半。一般地，不考虑粘合剂68的厚度，复合夹层板60的总厚度t大约等于第一子板62的厚度t₁和第二子板64的厚度t₂的和。

每个子板62具有跨越其厚度的非均匀的密度或密度梯度。然而，与复合夹层板30和50不同，跨越每个子板62、64的厚度的密度梯度不是先降低再增加。而是，取决于视角，跨越每个子板62、64的厚度的密度梯度只降低或增加。一般地，子板62、64的密度梯度实际上是彼此的镜像。更具体地，复合夹层板60的密度梯度相对于或关于粘合剂68是对称的，粘合剂68限定了复合夹层板的中间平面。

根据一些实施方式，子板62、64被单独制造并组装在一起以形成复合夹层板60。在一个实施方式中，子板62、64是基本上一致的子板，其中一个子板被翻转并用粘合剂68附接至另一个子板以形成复合夹层板60。于是，可以使用相同的制造过程或一致的制造过程制作每个子板62、64。例如，可以形成单个子板片，其具有一个子板的期望密度梯度，并将其切割为单独的子板62、64。可选地，可以单独地形成具有期望密度梯度的每个子板。

根据一个实施方式，使用图15中所示的方法500形成子板62、64。方法500包括在510处提供共混的纤维和热塑性纤丝的至少一个片。在一些实施中，共混的纤维和热塑性纤丝的至少一个片是一个完全或部分固结的片。在仍其它实施中，至少一个片包括为堆叠形式的多个完全或部分固结的片。在520处，共混的纤维和热塑性纤丝的至少一个片被加热以形成完全固结的板(如，图11的完全固结的板230)。在520处，施加至至少一个片的热使热塑性纤丝熔化。除了施加热以外，在530处，共混的纤维和热塑性纤丝的至少一个片还可以被压缩以形成完全固结的板230。例如，如果至少一个片的任一个是部分固结的片，也压缩至少一个片直到片变为完全固结的板。在一个实施中，至少一个片包括部分固结的片的堆叠，其被加热和压缩直到片形成完全固结的板。即使至少一个片只包括完全固结的片，也可以通过加热至少具有额定施加的压力的完全固结的片，形成完全固结的板。于是，无论至少一个片包括部分或完全固结的片，至少一个片都被形成为完全固结的板。在一些实施中，方法500的步骤520、530可通过装置100执行。

在形成完全固结的板230之后，方法500包括在540处冷却完全固结的板以形成冷却的完全固结的板。冷却完全固结的板230包括降低完全固结的板的温度至与固化熔化的热塑性材料相关的期望的基线温度。期望的基线温度可以是在完全固结的板的热塑性材料的熔化温度以下的各种温度的任一种。在一个实施中，期望的基线温度是大约室温(如，大约60°F和大约80°F之间)。然而，在其它实施中，期望的基线温度是室温以下或以上。

在540处冷却完全固结的板230之后，方法500包括在550处再加热冷却的完全固结的板。在550处再加热冷却的完全固结的板230包括只从冷却的完全固结的板的一侧或表面——诸如底部表面22——引入热。热从施加热的板的表面跨越板的厚度扩散入完全固结的板230。当热扩散进完全固结的板230期望的时间期间时，跨越板的厚度形成温度梯度。换句话说，在板的温度达到平衡之前，跨越板的厚度的完全固结的板230的温度是非均匀的。一般地，完全固结的板230的温度从施加热的板的表面朝向板的相对的表面——诸如顶部表面20——降低。

在一个实施方式中，冷却的完全固结的板230可以通过图11的装置200被再加热。装置200包括加热的压板202，其通过传导产生和传输热208进入完全固结的板230的底部表面22。虽然显示完全固结的板230通过传导被加热的压板202加热，但是完全固结的板230可以通过传导、对流和辐射中至少一种被其它加热设备加热。

当在完全固结的板230中形成温度梯度时，经历温度增加的板的部分开始松解。在该背景中，松解被定义为将空气或空隙引入板中。松解引起板的固结减小，以及因此板的纤维密度减小。通过增加板的温度至松解在其下出现的具体的温度，引起完全固结的板的松解。松解的强度或量可以与在该具体温度或该具体温度以上花费的时间量成比例。而且，在一些实施中，板中松解的强度可以与板的温度成比例。换句话说，温度越高，板松解越多，反之亦然。由于该原因，跨越板的厚度的温度梯度或非均匀的温度将引起跨越板的厚度的松解梯度或非均匀松解，其相应地导致跨越板的厚度的纤维密度梯度或非均匀的密度。具有跨越其厚度的密度梯度的板可以被限定为密度梯度复合板。

参考图6，显示了根据另一个实施方式的复合夹层板70。像复合夹层板60一样，复合夹层板70具有跨越其连续的厚度非均匀密度或密度梯度。而且，复合夹层板70的密度梯度相对于复合夹层板的中平面或关于复合夹层板的中平面是对称的。然而，与复合夹层板60不同，复合夹层板70不包括通过粘合剂粘合在一起的单独的子板。而是，复合夹层板70中的对称的密度梯度在单个板或子板中一起形成。

根据一个实施方式，使用图15中所示并在上面描述的方法500形成复合夹层板70。然而，在540处冷却完全固结的板230之后，从两个表面再加热完全固结的板，而不是在550处仅从一个表面再加热完全固结的板230。更具体地，在图解的实施方式中，从底部表面22以及顶部表面20再加热完全固结的板230。热从板的两个表面跨越板的厚度扩散入完全固结的板230，以形成跨越板的厚度的两个单独的温度梯度。温度梯度基本上是彼此的镜像。一般地，完全固结的板230的温度由板的一个表面至板的中平面降低并且从中平面至板的相对表面升高。

在制造复合夹层板70的一个实施方式中，可以经由图12的装置201加热冷却的完全固结的板230。装置201包括两个加热的压板202、204，其分别产生和经由传导传输热进入完全固结的板230的底部表面22和顶部表面20。虽然在图12中显示通过加热的压板202、204，经由传导在两个表面上加热完全固结的板230，但是可以通过其它加热设备，经由传导、对流和辐射中至少一种在两个表面上加热完全固结的板230。

如上面所描述，跨越板的厚度的温度梯度或非均匀的温度将引起跨越板的厚度的松解梯度或非均匀松解，其相应地导致跨越板的厚度的纤维密度梯度或非均匀的密度。于是，跨越板的厚度的两个温度梯度将引起跨越板的厚度的两个松解梯度，其相应地导致跨越板的厚度的两个纤维密度梯度。

在上面的描述中，可以使用某些术语诸如“向上”、“向下”、“上部”、“下部”、“水平”、“垂直”、“左”、“右”、“之上”、“以下”等。当可适用时，使用这些术语以提供当处理相对关系时一些清楚的描述。但是，这些术语非旨在暗示绝对的关系、位置和/或取向。例如，关于物体，“上部”表面可以简单地通过翻转物体变为“下部”表面。尽管如此，其依然是相同的物体。进一步，术语“包括”、“包含”、“具有”和其变体表示“包括但不限于”，除非另有具体说明。列举的项目列表不暗示项目中的任意或全部是互相排斥和/或互相包容的，除非另有具体说明。术语“一(a)”、“一(an)”和“该”也指“一个或多个”，除非另有具体说明。进一步，术语“多个”可以被限定为“至少两个”。

额外地，在该说明书中，一个元件被“连接”至另一个元件的例子可以包括直接和间接连接。直接连接可以被限定为一个元件被连接至另一个元件并与其有一些接触。间接连接可以被限定为两个元件之间连接，没有彼此直接接触，而在连接的元件之间具有一个或多个额外的元件。进一步，如本文中所使用，将一个元件固定至另一个元件可以包括直接固定和间接固定。额外地，如本文中所使用，“相邻”不必然代表接触。例如，一个元件可以相邻另一个元件，而没有接触那个元件。

如本文中所使用，短语“……中至少一个”，当用于项目列表时，表示可以使用所列的项目中一个或多个的组合，和可以需要列表中项目中的仅一个。项目可以是具体的物体、事物、或种类。换句话说，“……中至少一个”表示可以使用来自列表的项目的任意组合或项目的数目，但列表中不是所有的项目都可以需要。例如，“项目A、项目B和项目C中至少一个”可以表示项目A；项目A和项目B；项目B；项目A、项目B和项目C；或项目B和项目C。在一些情况中，“项目A、项目B和项目C中至少一个”可以表示，例如而没有限制地，两个项目A、一个项目B、和十个项目C；四个项目B和七个项目C；或一些其它适合的组合。

除非另有指示，本文中使用术语“第一”、“第二”等仅作为标记，并非旨在对这些术语所指的项目加上顺序、位置或层次要求。而且，提及例如“第二”项目不要求或排除如“第一”或较低编号的项目和/或如“第三”或更高编号的项目的存在。

本文中包括的示意性流程图是一般作为逻辑流程图提出。如此，描绘的顺序和标记的步骤指示提出的方法的一个实施方式。其它步骤和方法可以被想到，其在功能、逻辑或作用上等效于图解的方法的一个或多个步骤或其部分。额外地，提供采用的格式和符号以解释方法的逻辑步骤，并且不理解为限制方法的范围。虽然可以在流程图中采用各种箭头类型和线类型，但是它们理解为不限制相应方法的范围。实际上，一些箭头或其它连接头可以被用于仅指示方法的逻辑流程。比如，箭头可以指示在描述方法的列举步骤之间未指定的持续时间的等待或监视期间。额外地，其中出现具体方法的顺序可以或可以不严格遵守所示的相应步骤的顺序。

进一步，公开内容包括根据下面条款的实施方式：

条款1.一种复合夹层板，其包括：

第一面部分，其包括完全固结的共混的第一纤维和第一热塑性基质；

第二面部分，其包括完全固结的共混的第二纤维和第二热塑性基质；和

至少一个芯部分，其包括部分固结的共混的第三纤维和第三热塑性基质，至少一个芯部分被插入第一面部分和第二面部分之间；

其中第一热塑性基质与第三热塑性基质融合和第二热塑性基质与第三热塑性基质融合；和

其中跨越复合板厚度的纤维密度是非均匀的。

条款2.根据条款1的复合夹层板，其中跨越复合夹层板厚度的纤维密度的变化率是恒定的。

条款3.根据条款1的复合夹层板，其中第一纤维、第二纤维和第三纤维是无规取向的。

条款4.根据条款1的复合夹层板，其中第一纤维、第二纤维和第三纤维包括碳纤维，并且第一热塑性基质、第二热塑性基质和第三热塑性基质包括聚苯硫醚。

条款5.根据条款1的复合夹层板，其中第一纤维和第二纤维由不同于第三纤维的材料制成。

条款6.根据条款1的复合夹层板，其中第一热塑性基质和第二热塑性基质由不同于第三热塑性基质的材料制成。

条款7.根据条款1的复合夹层板，其中至少一个芯部分包括多个芯部分，每个具有相同的固结百分比。

条款8.根据条款1的复合夹层板，其中至少一个芯部分包括多个芯部分，每个具有不同的固结百分比。

条款9.一种制造复合夹层板的方法，方法包括：

在第一面板和第二面板之间放置至少一个片芯以形成堆叠，第一面板包括完全固结的共混的第一纤维和第一热塑性纤丝，第二面板包括完全固结的共混的第二纤维和第二热塑性纤丝，并且至少一个片芯包括部分固结的共混的第三纤维和第三热塑性纤丝；

压缩堆叠；和

在将堆叠按压在一起的同时加热堆叠。

条款10.根据条款9的方法，其中：

至少一个片芯具有第一固结百分比；并且

压缩和加热堆叠，直到至少一个片芯具有高于第一固结百分比的第二固结百分比。

条款11.根据条款9的方法，其中加热堆叠包括：

分别将第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝熔化为第一热塑性基质、第二热塑性基质和第三热塑性基质；

融合第一热塑性基质和第三热塑性基质；和

融合第二热塑性基质和第三热塑性基质。

条款12.根据条款9的方法，其中至少一个片芯包括多个片芯，每个具有固结百分比。

条款13.根据条款12的方法，其中多个片芯的固结百分比是相同的。

条款14.根据条款12的方法，其中多个片芯的固结百分比是不同的。

条款15.根据条款9的方法，其中跨越第一面板、第二面板和至少一个片芯中每个的厚度的纤维的密度是均匀的。

条款16.根据条款9的方法，其中第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝由不同于第三热塑性纤丝的材料制成。

条款17.根据条款的方法16，其中：

第一热塑性纤丝和第二热塑性纤丝分别具有第一熔化温度和第二熔化温度；

第三热塑性纤丝具有第三熔化温度；

第三熔化温度小于第一熔化温度和第二熔化温度中每个；

加热堆叠包括加热第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝至至少第一熔化温度和第二熔化温度的温度；

压缩堆叠包括压缩堆叠直到至少一个片芯变为完全固结的和堆叠变为完全固结的板；

在加热第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝至至少第一熔化温度和第二熔化温度的温度和压缩堆叠直到至少一个片芯变为完全固结的和堆叠变为完全固结的板之后，方法包括降低完全固结的板的温度至第三熔化温度以下的温度；和

在降低完全固结的板的温度至第三熔化温度以下的温度之后，方法进一步包括释放完全固结的板上的压力，同时再加热完全固结的板至至少第三熔化温度并低于第一熔化温度和第二熔化温度的温度。

条款18.一种制造复合夹层板的方法，方法包括：

提供包括共混的纤维和热塑性纤丝的至少一个片；

加热至少一个片以使热塑性纤丝熔化并形成完全固结的板；

冷却完全固结的板；

在冷却完全固结的板之后，从完全固结的板的第一表面再加热完全固结的板以引起跨越完全固结的板的厚度的第一温度梯度；和

非均匀地松解完全固结的板以引起与第一温度梯度成比例的跨越完全固结的板的厚度的第一密度梯度，以形成密度梯度复合板。

条款19.根据条款18的方法，其中密度梯度复合板包括第一密度梯度复合板，方法进一步包括：

形成第二密度梯度复合板；和

将第一密度梯度复合板结合至第二密度梯度复合板以形成组合的密度梯度复合板，其具有跨越组合的密度梯度复合板的厚度的对称的密度梯度。

条款20.根据条款18的方法，进一步包括：

在冷却完全固结的板之后，从与第一表面相对的完全固结的板的第二表面再加热完全固结的板以引起跨越完全固结的板的厚度的第二温度梯度；和

非均匀地松解完全固结的板以引起与第二温度梯度成比例的跨越完全固结的板的厚度的第二密度梯度；

其中第一密度梯度与第二密度梯度是对称的。

条款21.一种复合夹层板，其包括：

第一面部分；

第二面部分；和

插入第一面部分和第二面部分之间的芯部分，芯部分包括热塑性基质中的增强纤维，其中跨越芯部分的厚度的增强纤维的密度是非均匀的。

条款22.根据条款21的复合夹层板，其中芯部分进一步包括发泡剂。

本主题可以以其它具体形式实施，而不背离其精神或必要特性。在全部方面中，描述的实施方式应仅被看作是示例性的而非限制性的。在权利要求的等价形式的含义和范围内的所有变化将被包含在它们的范围内。

Claims (3)

1.一种制造复合夹层板(30)的方法，所述方法包括：

在第一面板(32)和第二面板(34)之间放置(310)至少一个片芯(36)以形成堆叠(10)，所述第一面板包括完全固结的共混的第一纤维(80)和第一热塑性纤丝(82)，所述第二面板包括完全固结的共混的第二纤维和第二热塑性纤丝，并且所述至少一个片芯包括部分固结的共混的第三纤维和第三热塑性纤丝；

压缩(320)所述堆叠(10)；和

在将所述堆叠按压在一起的同时加热(330)所述堆叠，

所述第一热塑性纤丝(82)和第二热塑性纤丝分别具有第一熔化温度和第二熔化温度；

所述第三热塑性纤丝具有第三熔化温度；

所述第三熔化温度小于所述第一熔化温度和第二熔化温度中每个；

加热(330)所述堆叠(10)包括加热所述第一热塑性纤丝、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝至至少所述第一熔化温度和第二熔化温度的温度；

压缩(320)所述堆叠包括压缩所述堆叠直到所述至少一个片芯(36)变为完全固结的和所述堆叠变为完全固结的板；

在加热(330)所述第一热塑性纤丝(82)、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝至至少所述第一熔化温度和第二熔化温度的温度和压缩(320)所述堆叠(10)直到所述至少一个片芯(36)变为完全固结的和所述堆叠变为完全固结的板之后，所述方法包括降低所述完全固结的板的温度至所述第三熔化温度以下的温度；和

在降低(420)所述完全固结的板的温度至所述第三熔化温度以下的温度之后，所述方法进一步包括释放(430)所述完全固结的板上的压力，同时再加热(440)所述完全固结的板至至少所述第三熔化温度并低于所述第一熔化温度和第二熔化温度的温度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中：

所述至少一个片芯(36)具有第一固结百分比；并且

压缩(320)和加热(330)所述堆叠(10)，直到所述至少一个片芯具有高于所述第一固结百分比的第二固结百分比。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中加热(330)所述堆叠(10)包括：

分别将所述第一热塑性纤丝(82)、第二热塑性纤丝和第三热塑性纤丝熔化为第一热塑性基质(86)、第二热塑性基质和第三热塑性基质；

融合所述第一热塑性基质和第三热塑性基质；和

融合所述第二热塑性基质和第三热塑性基质。

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