CN106457739B - 呈现能量吸收和/或包括无缺陷表面的复合结构 - Google Patents
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Abstract
本文描述的实施例涉及一种可以具有相对高的弯曲刚度并且可以具有相对轻的重量的复合结构或夹层,以及该复合夹层的使用和制造的相关方法。例如,复合夹层可以包括夹在两个复合蒙皮之间的芯结构。
Description
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背景技术
复合结构可用于任何数量的合适应用中。通常,复合结构也可用于其中减少重量对强度比是重要的各种应用中。例如,复合结构可用于车辆底盘、通信设备的面板、交通工具或车辆(例如,自行车、摩托车、卡车等)的框架或主体部分、农业应用(例如农业设备)、能量相关的应用(例如,风力、太阳能)、卫星应用、航空航天应用、建筑材料(例如房屋材料等)和消费性产品(例如,家具、马桶座圈和电子产品等)。
因此,复合结构的制造商和使用者继续寻求对其的改进。
发明内容
本文所描述的实施例涉及复合结构(例如,复合夹层),其可以具有相对高的抗冲击性和/或振动衰减特性,以及可以具有相对轻的重量和复合结构的使用和制造的相关方法。例如,复合夹层可以包括夹在至少两个复合蒙皮(composite skin)之间的芯结构。在一些实施例中,至少两个复合蒙皮中的至少一个可以包括聚合物基体(例如,凝固的或固化的聚合物树脂)以及嵌入聚合物基体中的增强纤维。通常,固化的或凝固的聚合物树脂可以是大体上完全固化的或凝固的或部分固化的或凝固的(例如,使得聚合物树脂保持至少部分粘稠)。此外,在固化和凝固之后,聚合物树脂可以与芯形成适当牢固的结合。在至少一个实施例中,当凝固时,聚合物树脂为复合夹层提供结构刚度和/或支撑。
实施例包括多层复合蒙皮,其包括包含嵌入聚合物基体中的多个纤维的复合蒙皮,和固态的并且大体上整体式的外层。外层包括一种或多种聚合物材料。此外,外层结合到复合蒙皮并且包括大体上无缺陷的外表面。
至少一个实施例包括复合夹层。更具体地,复合夹层包括第一复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个增强纤维。复合夹层还包括第二复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个增强纤维。此外,复合部包括位于第一和第二复合蒙皮之间并与其结合的芯。根据本文所述的任何实施例,第一复合蒙皮或第二复合蒙皮中的至少一个是多层复合蒙皮。
一个或多个实施例还包括制造方法。特别地,制造方法包括将粉末设置在第一模具部分的模塑表面上,以及将树脂浸渍的纤维片材设置在该粉末上。该粉末包括多种热塑性材料或热固性材料中的一种或多种的多个颗粒。该制造方法还包括在压缩模具中将粉末和树脂浸渍的纤维片材一起压缩和加热,从而将多个颗粒结合在一起以形成具有大体上无缺陷的外表面的大体上固态并且整体式的外层。
实施例包括多芯复合夹层,其包括包含嵌入聚合物基体中的多个纤维的第一复合蒙皮和包含嵌入聚合物基体中的多个纤维的第二复合蒙皮。该多芯复合夹层还包括包含热塑性材料并且位于第一复合蒙皮和第二复合蒙皮之间并与其结合的第一芯。此外,该多芯复合夹层包括包含嵌入聚合物基体中的多个纤维的第三复合蒙皮,以及位于第二复合蒙皮和第三复合蒙皮之间并与其结合的第二芯。
来自任何所公开的实施例的特征可以在不限制的情况下彼此结合使用。另外,通过考虑下面的详细描述和附图,本公开的其它特征和优点对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解,在各个附图中,相同的元件用相同的附图标记表示。应当理解,这些附图仅描绘了典型的实施例,因此不应被认为是对其范围的限制,将通过使用附图与另外的特征和细节来描述和解释实施例,其中:
图1是根据实施例的复合夹层的局部截面图;
图2是根据另一实施例的复合夹层的局部截面图;
图3是根据又一实施例的复合夹层的局部截面图;
图4是根据再一实施例的复合夹层的局部截面图;
图5是根据一个或多个实施例的复合夹层的局部截面图;
图6是根据实施例的样品复合夹层的照片;
图7A是根据实施例的压缩模具的示意性截面图;
图7B是图7A的蒙皮组件设置在其中的压缩模具的示意性截面图;
图8A是根据实施例的具有蒙皮组件和部分堆叠组件的压缩模具的一部分的示意性截面图;
图8B是根据实施例的包括图8A的模具部分以及堆叠组件设置在其中的压缩模具的示意性横截面图;
图9是根据实施例的制造复合夹层的方法的流程图;以及
图10是根据另一实施例的制造复合夹层的方法的流程图。
具体实施方式
本文描述的实施例涉及可以具有相对高的抗冲击性和/或振动衰减特性并可以具有相对轻的重量的复合结构(例如,复合夹层)和复合结构的使用和制造的相关方法。例如,复合夹层可以包括夹在至少两个复合蒙皮之间的芯结构。在一些实施例中,至少两个复合蒙皮中的至少一个可以包括聚合物基体(例如,凝固的或固化的聚合物树脂)和嵌入聚合物基体中的增强纤维。通常,固化的或凝固的聚合物树脂可以是大体上完全固化的或凝固的或部分固化的或凝固的(例如,使得聚合物树脂保持至少部分粘稠)。此外,在固化和凝固之后,聚合物树脂可以与芯形成适当牢固的结合。在至少一个实施例中,当凝固时,聚合物树脂为复合夹层提供结构刚度和/或支撑。
在一个或多个实施例中,芯坯可以在制造期间至少部分地被压缩以形成复合夹层的芯。例如,芯坯可以位于浸渍有聚合物树脂的纤维片材之间,其可以被加热并且/或者压缩在一起以形成复合夹层。纤维片材与聚合物树脂一起可以形成结合到芯(由芯坯形成)的复合夹层的复合蒙皮。特别地,例如,加热聚合物树脂可以使聚合物树脂硬化或凝固,以形成将可以结合到芯的所得的复合蒙皮的纤维片材的纤维结合在一起的聚合物基体。在一些实施例中,芯坯可压缩到不同的高度或厚度,以形成在其不同部分处具有相应的厚度变化的芯。因此,在一些实施例中,复合夹层的不同部分可具有不同的厚度(例如,复合夹层和其复合蒙皮可具有三维构造)。此外,复合夹层通常可以形成为可具有平面和/或非平面表面的面板。
芯材料和构造可以根据每个实施例而不同并且复合夹层的一个部分与另一部分不同。通常,相对硬的芯可以有效地将满载荷从芯的一端转移到芯的另一端。例如,“硬”芯可以由包括塑料材料(例如,热塑性塑料、热固性塑料、其组合等)的芯坯形成,并且可以包括由相应的一个或多个单元壁限定的多个单元(例如,塑料材料可以限定为蜂窝状结构,其中单元可以具有任何数量的合适形状)。在一些实施例中,管状构件,诸如塑料管(例如,吸管,诸如饮料吸管,其可以包括低成本材料并且可以是相对重量轻)可以组合和/或结合在一起以共同形成芯坯(例如,每个吸管可以限定芯的相应单元,并且相邻的芯可以在其间的间隙或间隔中限定另外的单元)。另外地或可选地,高密度泡沫和其它合适的和/或可压缩的材料可以被包括在芯坯中(例如,可以是多孔材料或可以包括小或微孔或单元的材料,单元在材料内可能具有三维布置)。
在另外的或可选的实施例中,芯的一个或多个部分也可以是相对软的,并且可以包括相对软的材料或可以由相对软的材料构成,诸如纸板或硬纸板或低密度泡沫。当将负载施加到芯的端部上时,“软”芯可能不会将满载荷从芯的一端传递到芯的相对端,例如,“软”芯可以由纸板或硬纸板等形成。在一些实施例中,满载荷意味着施加的负载的至少70%。在一些实施例中,满载荷意味着施加的负载的至少80%。在一些实施例中,满载荷意味着施加的负载的至少90%。在一些实施例中,满载荷意味着施加的负载的100%。“软”芯可以比复合“硬”芯在大体上垂直于复合蒙皮的竖直方向上吸收更多的能量或冲击(例如,在冲击期间,软芯比在类似冲击硬芯期间可以吸收更多的冲击能量的方式折皱和/或其它变形或失效(fail))。
如上所述,复合蒙皮的构造和/或组成(例如,聚合物基体和/或增强纤维的组成)可以根据每个实施例而不同。通常,纤维可以是连续的(例如,纤维可以在蒙皮的边缘之间延伸)和/或不连续或短的纤维。在一些实施例中,不连续的纤维可以是来自废纤维的再循环纤维,诸如来自RTM以显着降低材料成本。另外,纤维可以包括任何数量的合适材料(例如,纤维可以是碳纤维、玻璃纤维等)。
此外,纤维(连续的和/或不连续的)可以设置在一起以限定纤维片材。在一些实施例中,纤维片材中的纤维可以一个覆盖另一个和/或编织在一起。可选地,纤维可以松散地设置在一起和/或铺在一起以限定纤维片材。在实施例中,松散设置的纤维可以附接或结合在一起以形成纤维片材。
在一些实施例中,本文所述的复合夹层可以具有相对高的抗冲击性并且/或者通过复合夹层可以具有相对良好的振动和/或吸收和/或声音衰减(例如,当复合夹层包括相对软的芯时)。例如,这种复合夹层可以用于制造或可以制造为任何数量的合适组件(例如,汽车内部和/或外部面板,诸如车身顶盖)。如上所述,由复合夹层制造的组件可以具有二维和/或三维构造。
在实施例中,复合夹层可以包括可以大体上没有表面缺陷(有时称为无缺陷表面或A级表面)的聚合物表面。例如,本文所述的低压压缩模塑工艺可以产生大体上没有针孔和/或其它缺陷的聚合物表面(例如,复合夹层的蒙皮层中的一个或多个的外表面可以无缺陷,诸如针孔)。在一些实施例中,大体上无缺陷的表面可以更容易和/或成本更低地涂刷(例如,与有缺陷的表面相比)。典型地,RTM工艺可能需要施加高压,诸如120bar(约1764psi),以减小成品复合表面上的针孔的尺寸,其可以持续甚至在高压下执行该工艺时。在一些实例中,高压RTM工艺可能比低压压缩模塑昂贵,并且/或者可以具有比低压压缩模塑工艺更低的产量。
在一些实施例中,无缺陷或A级表面可以大体上没有在目测检验期间显著的缺陷。例如,表面的小段或部分可以没有视觉上明显的或可见的波纹或粗糙图案。在实施例中,表面的相对大的段或部分可以没有视觉上明显的或可见的波纹或粗糙图案(例如,长波纹或重复图案)。例如,A级表面可以具有合适的曲率连续性,使得一个或多个区域(例如,弯曲区域)彼此连续,而在它们之间没有可见的连接或交叉。在一些实例中,涂刷包括针孔的表面可能导致涂料(pain)起泡和剥落。相反,大体上没有针孔的表面可以被涂刷,并且涂料可以保留在表面上而没有起泡或剥离。
如上所述,通常,芯可以设置在相对的复合蒙皮之间并且与其结合。在一些实施例中,芯可包括硬纸板、纸板、纸、泡沫或类似材料。在一些实施例中,包括芯的材料中的至少一些可以至少部分地渗透到复合蒙皮的聚合物树脂。例如,在制造期间,浸渍纤维片材的聚合物树脂可以接触并渗入用于形成芯的芯坯的材料中,使得由浸渍的纤维片材形成的复合蒙皮结合到由芯坯形成的芯。即,在一些实施例中,聚合物树脂可以至少部分地浸渍芯坯,并且由此可以将由芯坯形成的芯结合到由压抵芯坯的浸渍的纤维片材形成的复合蒙皮。另外地或可选地,芯可以包括一种或多种热塑性和/或热固性材料(例如,限定芯中的单元的壁可以包括聚碳酸酯、聚乙烯等),如在与本申请同时提交的标题为“具有高弯曲刚度的复合夹层(Composite Sandwich Having High Bending Stiffness)”的申请号为WO2016/028359的PCT国际申请中更详细描述的,其要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,614的美国临时申请以及于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国临时申请的优先权,前述申请中的每一个的全部公开内容通过该引用并入本文。
图1示出了根据实施例的具有至少一个无表面缺陷的外表面的复合夹层100的示意性侧视图。特别地,例如,复合夹层100可以包括第一和第二复合蒙皮102、104以及设置在它们之间并与其结合的芯106。复合夹层100还可以包括在第一复合蒙皮102和芯106之间的泡沫108(例如,聚合物泡沫)。在一些实施例中,泡沫108可以形成可以是连续的或间断的层。
第一和第二复合蒙皮102、104可以包括嵌入聚合物基体116中的随机定向的连续的和/或不连续的纤维114。如上所述,第一和第二复合蒙皮102、104可以由用聚合物树脂浸渍纤维片材并且固化聚合物树脂以形成聚合物基体116来制造,从而将纤维114嵌入其中。纤维片材包括以形成片材或面板的方式设置的连续和/或不连续的纤维。可选地,彼此相邻的松散地设置的纤维可以嵌入聚合物基体116中。此外,纤维可包括任何合适的增强纤维,诸如碳纤维、玻璃纤维、其组合等。
聚合物基体116可以由聚合物树脂形成,其包括热固性材料、第一热固性材料和第二热固性材料的混合物、热塑性材料、或热塑性材料的混合物、热塑性材料和热固性材料的混合物等,如在与本申请同时提交的标题为“多组分聚合物树脂,其应用方法以及包括其的复合层压结构(Multicomponent Polymer Resin,Methods For Applying The Same,AndComposite Laminate Structure Including The Same)”的申请号为WO2015/187867的PCT国际专利申请中更详细描述的,其要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,632的美国专利申请以及于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国专利申请的优先权,其中每一个的全部公开内容通过引用并入本文。例如,聚合物树脂可以是聚氨酯、环氧树脂或聚氨酯和环氧树脂的混合物。聚合物树脂在固化之前为液体形式。在实施例中,聚合物树脂可以结合到纤维114上。聚合物树脂可以粘附到和/或结合到芯106(例如,形成第二复合蒙皮104的聚合物基体的聚合物可以结合到芯106)。
在一些实施例中,第二复合蒙皮104的聚合物基体可以与第一复合蒙皮102的聚合物基体相同或相似。在一些实施例中,第二复合蒙皮104的聚合物基体可以与第一复合蒙皮102的聚合物基体不同。此外,第一复合蒙皮102中的一个或多个部分可以具有与第二复合蒙皮104中的一个或多个部分相同或相似的厚度。相反地,第一复合蒙皮102中的一个或多个部分可以具有与第二复合蒙皮104中的一个或多个部分不同的厚度。
如上所述,芯可以包括可以吸收聚合物树脂或可以被聚合物树脂渗透的硬纸板或其它类似材料。在一些实施例中,位于第一复合蒙皮102和芯106之间的泡沫108可以至少部分地渗透芯106和/或与其结合。在实施例中,泡沫108可以结合到第一复合蒙皮102(例如,形成第一复合蒙皮102的聚合物基体116的聚合物树脂可以结合到泡沫108)。因此,例如,泡沫108可以将第一复合蒙皮102结合到芯106。在一些实施例中,泡沫108可以改善复合夹层100的声音抑制和/或冲击吸收特性(例如,与没有泡沫的复合夹层100相比)。
通常,芯106可以具有任何数量的合适构造。在一些实施例中,芯坯和由其形成的芯106可以包括多个单元,每个单元具有定义为限定单元的腔的一个或多个壁。如上所述,例如,限定芯中的单元和单元腔的壁可以包括任何数量的合适材料或可以由任何数量的合适材料制造,诸如硬纸板、纸板、泡沫等。例如,泡沫108可以结合或粘附到硬纸板或纸芯106以及到第一复合蒙皮102,从而将第一复合蒙皮102附接到芯106。
在一个或多个实施例中,芯106可以包括限定芯106的单元和相应腔的热塑性和/或热固性聚合物(例如,结合在一起的管状构件可以限定芯106的单元)。例如,泡沫108可以位于芯106中的一个或多个单元的腔中,并且至少部分或完全地填充芯106中的一个或多个单元的腔。此外,当泡沫108进入芯坯中的腔时,泡沫108可以使限定芯坯中的单元的壁变形。例如,芯106可以具有在其中限定单元的变形的壁。可选地或另外地,泡沫108可以粘附地结合到芯106(例如,在附接到芯坯(其形成芯106)期间,泡沫108的材料可以处于未固化或部分固化状态,并且可以粘附到芯坯,粘合剂可以将泡沫108结合到芯106等)。
在一些实施例中,泡沫108可以消除或减少缺口或凹坑,其可能另外形成在第一和/或第二复合蒙皮102、104的向外的表面中。例如,如上所述,泡沫108可以至少部分地填充芯106中的单元的腔,诸如以防止或限制从第一复合蒙皮102进入芯106中的腔中的一个、一些或全部。
在至少一个实施例中,复合夹层100可包括至少一个大体上无缺陷诸如孔隙、针孔等的外表面。在所示实施例中,复合夹层100包括可以形成或限定复合夹层的外表面112的外层110(例如聚合物层)。在实施例中,外层110可以附接或结合到第一复合蒙皮102。另外地或可选地,外层110可以掩盖和/或填充第一复合蒙皮102的面向外的表面中的任何凹坑,使得外表面112在其中大体上没有凹坑或凹陷。
在一个或多个实施例中,外层110可以由热塑性和/或热固性粉末或颗粒的层或底(bed)制成。例如,一层热塑性粉末或颗粒可以被设置为与浸渍的纤维片材接触并且可以压抵浸渍的纤维片材,以分别形成第一复合蒙皮102和外层110。在至少一个实施例中,在将复合蒙皮102结合到可形成芯106的芯坯之前,第一复合蒙皮102和外层110可以结合在一起。例如,泡沫108可以将复合蒙皮102与外层110一起结合到形成芯106的芯坯。另外地或可选地,在将第一复合蒙皮102结合到形成芯106的芯坯之前,至少部分地形成第一复合蒙皮102的聚合物树脂可以被部分地固化,诸如以保持粘性。
此外,复合夹层100可以包括任何数量的另外的或可选的层,其可以结合到第一和/或第二复合蒙皮102、104或与第一和/或第二复合蒙皮102、104成一体。例如,复合夹层可以包括一起结合在芯106的一侧或多侧上的多个复合蒙皮(例如,另一复合蒙皮可以结合到复合蒙皮102和/或与复合蒙皮102成一体,并且可以形成复合夹层100的外表面,如与其同时提交的标题为“多组分聚合物树脂,其应用方法以及包括其的复合层压结构(Multicomponent Polymer Resin,Methods For Applying The Same,And CompositeLaminate Structure Including The Same)”的申请号为WO2015/187867的PCT国际专利申请中详细描述的。
在一些实施例中,芯106可以包括可以具有阻尼特性并且可以在相对的第一和第二复合蒙皮102、104之间抑制振动的材料。例如,芯106可以抑制或阻碍由于声波撞击在第一或第二复合蒙皮102、104上而产生的振动。更特别地,例如,声波可将振动从周围介质传递到第一复合蒙皮102,其反过来可以振动并且传递振动至芯106。在实施例中,芯106可以减弱或减小通过其的振动的振幅。
例如,如上所述,第一和第二复合蒙皮102、104可以结合到芯106。因此,振动可以从第一复合蒙皮102传递到芯106,并传递到第二复合蒙皮104。在实施例中,芯106可以减弱通过其的振动(例如,通过减小其振幅),使得从芯106传递到第二复合蒙皮104的振动被减弱或具有低于第一复合蒙皮102的振动的振幅。
例如,芯106可以吸收从第一复合蒙皮102和/或从第二复合蒙皮104传递到其上的振动能量。应当理解,芯106可以包括任何数量的合适的振动吸收材料或可以由任何数量的合适的振动吸收材料制成,诸如多孔吸收体、单元泡沫橡胶或海绵等,其可以通过其单元结构内的运动和摩擦吸收振动。在任何情况下,芯106可以包括用于吸收振动的合适材料,诸如通过第一和/或第二复合蒙皮102、104传播的声音。
通常,如上所述,复合夹层100可形成为和/或合并到任何数量的合适组件(例如,汽车组件,诸如面板等)中。在一些实施例中,复合夹层100可以形成为旨在抑制或阻碍声音从其一侧传播到另一侧的组件。例如,复合夹层100可形成为和/或合并到车辆面板中(例如,在车辆的外部和/或内部,以减少传播到车辆内部的声音或噪声)。
如上所述,芯106可以包括相对硬的材料,诸如热塑性材料(例如,芯106可以包括由可以结合在一起的热塑性材料制成的管状构件)。在实施例中,芯106的材料可以对形成第一和/或第二复合蒙皮102、104的基体的树脂或树脂掺和物或树脂的混合物是不可渗透的。此外,在一些实施例中,形成第一和/或第二复合蒙皮102、104的树脂可以发泡(例如,在制造期间),由此形成的泡沫或微泡沫包括与第一和/或第二复合蒙皮102、104的基体相同或相似的材料,如在与本申请同时提交的标题为“具有高弯曲刚度的复合夹层(CompositeSandwich Having High Bending Stiffness)”的申请号为WO2016/028359的PCT国际申请中更详细描述的。例如,泡沫可以延伸到芯106的腔中的一个、一些或每一个。
在一些实施例中,复合夹层100的外表面可以是大体平坦的或平面的(例如,第二复合蒙皮104的外表面112可以是大体平面的)。另外地或可选地,复合夹层的外表面中的至少一个的一个或多个部分可以是非平面的(例如,可以形成大致三维形状)。图2是根据至少一个实施例的包括非平面的外表面的复合夹层100a的示意图。除了本文另外描述的,复合夹层100a及其元素和组分可以与复合夹层100(图1)及其相应的元素和组分相似或相同。
例如,复合夹层100a可以包括第一和第二复合蒙皮102a、104a以及结合在它们之间的芯106a,其可以类似于复合夹层100(图1)的第一和第二复合蒙皮102、104以及芯106。此外,复合夹层100a可以包括可以位于第二复合蒙皮和芯106a之间的泡沫108a。另外地或可选地,复合夹层可以包括可与外层110(图1)相似或相同的外层110a。
在实施例中,复合夹层100a(其可以由第一复合蒙皮102a限定)的第一外表面120a可以是大致弧形的,诸如以便限定复合夹层100a的三维形状。另外地或可选地,复合夹层100a的第二外表面121a可以是弯曲的或弧形的。例如,第二外表面121a可具有与第一外表面120a不同的弯曲或曲率。
在一些实施例中,芯106a可以具有从其一个部分到另一部分不均匀的厚度(例如,第一和第二复合蒙皮102a、104a之间的距离可以从复合夹层100a的一个部分变化到其另一部分)。如上所述,芯106a可以是相对软的并且可以包括硬纸板和/或类似材料。因此,在一个或多个实施例中,用于制造复合夹层100a的芯坯可以在树脂浸渍的纤维片材之间被压缩到的不同的高度,以形成弯曲的复合蒙皮102a、104a以及具有对应曲率的芯106a。
应当理解,在一些工艺条件下,弯曲和/或压缩相对软的芯坯(例如,由硬纸板制成的芯坯)可损坏和/或破坏芯坯中的一个或多个部分,诸如限定芯坯中的单元的一个或多个壁。也就是说,在一些位置中,将浸渍的纤维片材与芯坯料一起弯曲可使芯坯经受足够的应力以使芯坯的一个或多个部分失效。在实施例中,芯坯可以被预制为具有不同的厚度和/或与成品芯106a近似的外部形状,使得在复合夹层100a的制造期间,芯坯不以芯坯中的单元的壁失效的方式压缩。
此外,在一些实施例中,在较高应力的位置处,芯坯可以包括具有比芯坯的其它部分(例如,包括硬纸板的部分)的拉伸强度更高的拉伸强度的一种或多种材料。例如,这样的部分可以包括泡沫、热塑性材料(例如,形成一个或多个单元的壁)等。因此,在经受相对较高的载荷(例如,在一个或多个其它部分诸如硬纸板处足以使材料失效的载荷)的芯坯的部分处材料可以承受这种更高的载荷而不失效(例如,在载荷下通过弹性和/或塑性变形)。
如上所述,相对软的芯可以提供或促进复合夹层的能量吸收(例如,从冲击、噪声等吸收能量)。在一些实施例中,由相对软的芯提供的相对增加的能量吸收可导致复合夹层的相对低的刚度。在可选的或另外的实施例中,复合夹层可以具有相对增加的抗冲击性和/或声音或噪声抑制特性以及适当的厚度。在一些实施例中,复合夹层中的至少一个外表面可以由热塑性材料形成和/或可以是大体上整体式的。例如,可以形成复合夹层的外表面的大体上整体式的外层或蒙皮可以至少部分地反射声波远离其外表面(例如,通过复合夹层传播的声波可以由朝向芯的外层至少部分地反射并远离复合夹层的外表面)。
图3示出了多芯复合夹层100b,其可以呈现相对提高的冲击和/或噪声吸收(例如,与包括相对硬的芯的复合夹层相比)以及相对提高的刚度(例如,与包括相对软的芯的复合夹层相比,诸如复合夹层100、100a(图1-2))。然而,除了本文另有描述之外,多芯复合夹层100b及其元素和组分可以与复合夹层100、100a(图1-2)及其相应的元素和组分相似或相同。
在实施例中,多芯复合夹层100b可以包括通过中间复合蒙皮104b与第二芯106b'分离的第一芯106b。特别地,例如,第一芯106b可以在其第一侧上结合到中间复合蒙皮104b,并且第二芯106b'可以在其第二侧上(例如,与第一芯106b相对)结合到中间复合蒙皮104b。此外,复合夹层可以包括到各自的第一和第二芯106b、106b'的第一和第二外部复合蒙皮102b、104b'。更特别地,在实施例中,第一芯106b可以结合到第一外复合蒙皮102b和中间复合蒙皮104b并在两者之间,并且第二芯106b'可以结合到第二外复合蒙皮104b'和中间复合蒙皮104b并在两者之间。
在实施例中,第一和第二外复合蒙皮102b、104b'的外表面可以限定或形成多芯复合夹层100b的外表面和/或外部形状。例如,多层复合夹层100b的外表面可以是大致平面的(例如,多芯复合夹层100b可以具有大致平坦的或平面的外表面,使得以形成或限定多芯复合夹层100b的大致平坦的或片状的形状)。可选地,多芯复合夹层100b的外表面中的一个或多个可以是大致非平面的(例如,弧形的、弯曲的等),诸如以形成或限定多芯复合夹层100b的三维形状。
如上所述,多芯复合夹层100b可以包括结合到第一和/或第二复合蒙皮102b、104b'的外表面的一个或多个附加层或材料,诸如以限定或形成多芯复合夹层100b的外表面(例如,多芯复合夹层100b可以包括可以与复合夹层100(图1)的外层110相似或相同的一个或多个外层,其可以具有大体上无缺陷的外表面)。另外地或可选地,多芯复合夹层100b可以包括位于第一芯106b和第一外复合蒙皮102b之间和/或第一芯106b和中间蒙皮104b之间的一个或多个层和/或材料。例如,如上所述,泡沫可以被包括在复合蒙皮中的一个或多个与第一芯106b之间(例如,泡沫可以位于第一外复合蒙皮102b和芯106b之间)。类似地,多芯复合夹层100b可以包括位于芯106b'和第二外复合蒙皮104b'之间和/或第二芯106b和中间复合蒙皮104b之间的一个或多个层或材料。
在一些实施例中,与第二芯106b'相比,第一芯106b可以具有不同的刚度、振动吸收性、抗冲击性或其组合。例如,第一芯106b可以比第二芯106b'大致上更软和/或更可压缩(例如,没有塑性变形)。在实施例中,第一芯106b的材料比第二芯106b'可以具有更好的冲击和/或振动阻尼或能量吸收特性(例如,第一芯106b可以比第二芯106b'具有更好的吸声和/或降噪特性)。另外地或可选地,第二芯106b'的材料可以比第一芯106b的材料更硬并且/或者可具有更高的屈服强度。
通常,一个或多个部分或整个第一和/或第二芯106b、106b'可以是多孔的并且/或者可以包括具有腔的单元。此外,例如,第一芯106b可以包括硬纸板、纸、其它纤维素材料、泡沫、海绵状材料等。在一个或多个实施例中,第二芯106b'可以包括热塑性和/或热固性材料,诸如聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、尼龙等。
如上所述,第一和第二芯106、106b可以包括具有由单元壁限定的相应腔的多个单元。在一些实施例中,第一芯106b中的单元的形状可以类似于第二芯106b'中的单元的形状。可选地,第一芯106b中的单元的至少一些可以不同于第二芯106b'中的单元的至少一些。在一个或多个实施例中,第一芯106b可以包括由波纹片材、重叠片材、交织片材、前述的组合等形成的单元,其可以限定为多边形形状、圆形形状等。在实施例中,第二芯106b'中的单元的至少一些可以具有第一形状(例如,圆形),而其中的其它单元可以具有第二形状(例如,菱形、大体上正方形、大体上三角形等),如在与本申请同时提交的标题为“具有高弯曲刚度的复合夹层(Composite Sandwich Having High Bending Stiffness)”的申请号为WO2016/028359的PCT国际申请中更详细地描述的。
如上所述,多芯复合夹层100b可以包括结合和/或附接到第一和/或第二外蒙皮102b、104b'的任何数量的另外的或可选的层和/或材料。此外,在一些实施例中,用于制造复合蒙皮中的一个或多个的纤维片材可以包括高性能材料,诸如非卷曲织物(NCF)、纺织织物等,其可增加复合蒙皮的阻力的拉出载荷和/或拉伸强度的阻力,如在与本申请同时提交的标题为“具有高弯曲刚度的复合夹层(Composite Sandwich Having High BendingStiffness)”的申请号为WO2016/028359的PCT国际申请中更详细地描述的。例如,NCF可以嵌入聚合物基体中并且可以结合到第一和/或第二外蒙皮102b'、104b'。
尽管在所示实施例中多芯复合夹层100b包括两个芯(第一和第二芯106b、106b'),但是应当理解,复合夹层可以包括任何合适数量的芯,其可以根据每个实施例而不同。此外,在一些实施例中,相邻的芯可以直接彼此相邻地设置和/或直接彼此结合,而没有中间复合蒙皮。应当理解,多芯复合夹层100b可以包括任何数量的相对软和/或相对硬的芯,其可以根据每个实施例而不同。另外,任何相对硬和/或相对软的芯可以具有任何数量的合适构造(例如,可以包括具有任何数量的合适形状的单元)。
此外,如上所述,多芯复合夹层100b还可以包括大体上没有针孔和/或其它缺陷(例如,A级表面)的一个或多个外表面。可选地,多芯复合夹层100b的外表面中的一个、一些或所有可以包括诸如针孔的缺陷。在一些实施例中,美观的覆盖物(例如,地毯)可以隐藏多芯复合夹层100b的包括缺陷的表面。
图4示出根据一个或多个实施例的复合夹层100c。除非本文另有描述,复合夹层100c及其元素和组分可以与复合夹层100、100a、100b(图1-3)中的任一个及其相应的元素和组分相似或相同。
例如,复合夹层100c可以包括第一和第二复合蒙皮102c、104c以及设置在其间并与其结合的芯106c。
如上所述,复合夹层100c中的一个或多个部分可以形成或限定三维形状。例如,复合夹层100c可以包括第一部分112c(例如,其可以是大体上平面的)、第二部分112c'(例如,其可以在第一部分112c上方凸起并且可以具有第一形状)、以及第三部分112c”(例如,其可以在第一部分112c上方凸起并且可以具有第二形状)。因此,在一些实施例中,在复合夹层100c的相应部分112c、112c'、112c”处,芯106c可具有不同的厚度。例如,芯106c的第一部分106c'可以具有第一厚度(限定在相对的第一和第二复合蒙皮102c、104c之间),第二部分106c”可以具有大于第一部分106c'的厚度的第二厚度。
在至少一个实施例中,用于形成芯106c的芯坯在其不同部分处可以具有不同的厚度。此外,芯坯的这种厚度可以大体上和/或成比例地对应于由其形成的芯106c的厚度(例如,在制造期间,芯坯可被压缩小量或微小的量以形成芯106c)。可选地,为了形成芯106c,芯坯可以被压缩任何合适的量,其可以根据每个实施例而不同、并且根据芯坯的每个部分而不同。例如,芯坯可以具有大致均匀的厚度,并且在制造期间,可以被压缩以形成芯106c的具有不同的厚度的第一部分106c'和第二部分106c”。
图5示出了根据实施例的包括插入部111d的复合夹层100d的示意性截面图。除非本文另有描述,否则复合夹层100d及其元素和组分可以与复合夹层100、100a、100b、100c(图1-4)中的任何一个及其相应的元素和组分相似或相同。例如,复合夹层100d可以包括以与在复合夹层100(图1)中相似的方式在第一侧上结合到芯106d的底部复合蒙皮104d和在其第二、相对的侧上与外层110d一起结合到芯106d的顶部复合蒙皮102d。
在所示实施例中,复合夹层100d包括插入部111d。通常,插入部111d可以包括任何合适的材料或由任何合适的材料形成,诸如金属、塑料、玻璃、木材以及其他合适的材料,如在与本申请同时提交的标题为“具有高弯曲刚度的复合夹层(Composite Sandwich HavingHigh Bending Stiffness)”的申请号为WO2016/028359的PCT国际申请中更详细描述的。在一些实施例中,芯106d可以是相对软的芯(例如,相似于或相同于复合夹层100(图1)的芯106)。可选地,芯106可以是相对硬的芯。
在一些实施例中,在包含插入部111d的部分处或附近比在一个或多个其它部分处形成芯106d的芯坯可以更多地压缩。在一些构造中,在制造期间,芯106d可由在一些部分大体上未压缩的芯坯形成。在至少一个实施例中,复合夹层100d的外层110d可包括NCF和/或其它类似材料。另外地或可选地,如上所述,大体上没有针孔和/或其它缺陷(例如,如本文所述,外层110d可由粉末制成)的外层110d限定或形成复合夹层100d的外表面。还应当理解,插入部111d可以包含到本文所述的任何复合夹层中。此外,多芯夹层可以包括一个或多个插入部,其可以设置在任何芯中和/或可以至少部分地被任何芯围绕(例如,插入部可以设置在相对硬的芯和/或相对软的芯中和/或由其围绕)。
图6是示出根据实施例的样品复合夹层100e的侧视透视图的照片。除了本文另外的描述,复合夹层100e及其元素和组分可以与复合夹层100、100a、100b、100c、100d(图1-5)中的任何一个以及它们各自的元素和组分相似或相同。例如,样品复合夹层100e可以包括第一复合表皮102e、104e以及位于其间并与其结合的相对软的芯106e,其可以类似于复合夹层100(图1)。在至少一个实施例中,样品复合夹层100e可以包括位于第一复合蒙皮102e和芯106e之间并与其结合的泡沫108e(例如,泡沫108e可将复合蒙皮102e结合到芯106e)。
本文所述的任何复合夹层可以在压缩模具中制造。图7A是根据实施例的可以在用于制造复合夹层的压缩模制工艺的第一阶段中使用的压缩模具200的示意图。压缩模具200可以包括第一模具部分202和第二模具部分204。例如,第一模具部分202包括模塑表面203,并且第二模具部分204包括模塑表面205。在实施例中,模塑表面203可以是弯曲的(例如,可以是大致凹形的),并且/或者相对的模塑表面205可以以互补的方式弯曲(例如,可以是大致凹形的)。然而,应当理解,因为可以适合于特定应用,模塑表面203、205的尺寸、形状(例如弯曲)、表面粗糙度和/或纹理可以根据每个实施例而不同。
在一些实施例中,压缩模具200可以包括由模塑表面203、205限定和/或在模塑表面203、205之间的模具腔206。如箭头所示,在第一模具部分和第二模具部分304之间存在偏移。特别地,如下面更详细描述的,在第一和第二模具部分202、204之间放置蒙皮组件(例如,其可以包括树脂浸渍的纤维片材和热塑性和/或热固性聚合物颗粒或粉末),使得当压缩模具200闭合时,蒙皮组件可以被设置并被压缩在模具腔206内部。
图7B是根据实施例的设置在压缩模具200的模具腔206内部的蒙皮组件300的示意图。在实施例中,粉末可以放置在第一模具部分202的模塑表面203上,并且树脂浸渍的纤维片材304可以放置在粉末上(例如,粉末可以被喷涂到模塑表面203上,和/或可以均匀地设置在其上)。在一些实施例中,当压缩模具200闭合时,在压缩模具200的模具腔206内部,第一模具部分202和第二模具部分204压缩蒙皮组件300(例如,在压缩之前,蒙皮组件300的体积可以大于模具型腔206的体积)。在实施例中,空气和/或其它气体可以通过空气出口208至少部分地从模具型腔206排出和/或抽真空。例如,从模具腔206至少部分地排除气体也可以从树脂浸渍的纤维片材304抽出气体(例如,其可以在树脂浸渍的纤维片材304中作为气穴或气泡)。
通常,粉末颗粒或丸粒可以在尺寸和/或形状上变化,并且可以被合适地定尺寸和/或成型以便从树脂浸渍的纤维片材304中排除空气(例如,减小颗粒尺寸可以减少颗粒间的气流,从而阻止空气从树脂浸渍的纤维片材304中排出;相反,增加颗粒尺寸可能需要增加粉末的底的厚度并且可以增加由其形成的外层的厚度)。在一些实施例中,粉末颗粒的尺寸可以在约40μm至100μm之间的范围内。应当理解,粉末颗粒可以小于40μm或大于100μm(例如,粉末颗粒可以为约10μm)。
粉末可以包括热固性材料,诸如环氧树脂,其可以为复合夹层的一个或多个外表面提供硬度。粉末可以是热塑性材料,诸如聚丙烯、聚乙烯、尼龙、聚酯。粉末还可以是热固性材料和热塑性材料粉末的混合物或掺合物。热塑性材料或混合物粉末可以为表面提供一些韧性。热固性材料在固化之前可以是液体形式,并且在固化之后变成固体,其包括聚合物链的交联。另外地或可选地,热固性材料可以是粘合剂。在一些实施例中,热塑性材料可以是丸粒、微粒、颗粒等形式,并且可以通过熔化颗粒然后模塑而成型为最终产品。例如,热塑性材料的处理或硬化可以不涉及固化或交联。粉末可以具有相对高的玻璃化转变温度(Tg),使得由其形成的外层可以承受暴露于相对高的温度。此外,在一些实施例中,粉末可以比用于形成复合蒙皮的基体的聚合物具有更高的Tg温度,使得粉末可以以固体或软化形式保持足够的时间量以便于从堆叠组件排除空气。
在一些实施例中,热固性材料粉末可以包括被聚合物树脂壳包围的硬化剂,其在处理期间可以开始固化但是至少部分地粘稠。聚合物树脂壳可以包括可能不需要固化的环氧树脂和苯氧基系(phenoxy)。在一个或多个实施例中,粉末在加热时可能变软,随后开始固化或交联以形成固体的和/或整体式的外层(例如,外层的厚度可以取决于粉末的厚度和/或量,并且在一些实施例中,外层的厚度可以为至少约100μm)。
在实施例中,环氧树脂粉末可以用于制作没有针孔的复合表面(例如,在汽车工业中,有时称为“A-级”表面)。在一些实施例中,环氧树脂粉末可具有高的Tg,诸如约180℃的起始Tg,并且可在处理后产生有光泽和/或可涂刷的表面。此外,一些环氧树脂粉末可以在约200℃或更高的温度下开始热降解。环氧树脂粉末的高Tg可以帮助复合夹层承受高的操作温度和/或高的加工温度(例如,复合夹层中的一个或多个表面的电涂覆,其可以在约180℃下执行,底漆应用工艺,其他工艺涂刷过程等)。
在至少一个实施例中,第一模具部分202(例如,在模塑表面203处)可以被静电充电(charge),这可以促进静电吸引和/或将带相反电荷的粉末微粒或颗粒保留在第一模具部分202的模制表面203上。例如,对第一模具部分202充电可以有助于减少浪费的粉末和/或保持工作空间清洁。
在一些实施例中,第一和/或第二模具部分202、204可以被加热,这可以促进和/或加速浸渍树脂浸渍的纤维片材304的树脂的固化。此外,加热压缩模具200和其中的蒙皮组件300还可以加热粉末,从而将粉末熔化并且/或者将其结合到树脂浸渍的纤维片材304。树脂可以固化以形成聚合物基体,并且纤维片材的纤维可以嵌入聚合物基体。在至少一个实施例中,粉末可以固化以形成大体上固体的和/或整体的层(例如,诸如复合夹层100的外层110(图1))。在任何情况下,将粉末与树脂浸渍的纤维片材304(如本文所述)一起处理可以产生多层复合蒙皮,该多层复合蒙皮包括由粉末形成的外层(例如,由结合在一起成为整体的层的粉末颗粒形成)、以及结合到外层的复合蒙皮(例如,复合蒙皮可以包括由固化的聚合物树脂以及嵌入聚合物基体中的纤维形成的聚合物基体)。在实施例中,可以加入用于粉末和聚合物树脂的硬化剂为粉末和聚合物树脂提供相同的固化温度。在实施例中,可以加入用于粉末和聚合物树脂的硬化剂为粉末和聚合物树脂提供不同的固化温度。
图8A示意性地示出根据实施例的将部分堆叠组件130设置到多层复合蒙皮140上。例如,多层复合蒙皮140可以设置在模塑表面上,诸如在第一模具部分402的模塑表面上。在一些实施例中,多层复合蒙皮140可以从压缩模具200(图7A-7B)中移除,并且可以放置在可以包括第一模具部分402的压缩模具400(图8B)中。部分堆叠组件130可以设置在多层复合蒙皮140上,同时多层复合蒙皮保持在第一模具部分402的模塑表面上。在实施例中,部分堆叠组件130的一部分也可以位于第一模具部分402的模塑表面上。可选地,多层复合蒙皮140可以保持在用于形成多层复合蒙皮140的第一模具部分中(例如,在第一模具部分202(图7B)中),并且部分堆叠组件130可以设置在多层复合蒙皮140上或与其相邻,同时多层复合蒙皮保持在第一模具部分202(图7B)的模塑表面上。
在一些实施例中,模具腔406可由上模具部分404的内表面、下模具部分402的内表面限制。在实施例中,在上模具部分404和下模具部分402之间的模具腔的高度可以小于包括堆叠组件130的厚度的总厚度,使得当模具400闭合时,可以产生压力以压缩堆叠组件130。
在实施例中,模具200的第一模具部分202可以与第二模具400的第一模具部分402大致相同和/或可互换。在并行操作中,第一模具200可以执行形成大致无表面缺陷或针孔的外表面的复合层压的第一模塑操作。同时,第二模具400可以执行形成复合夹层的第二模塑操作。该并行过程可以减少生产周期(例如,与顺序过程相比)。
如上所述,复合夹层可以根据每个实施例而不同。类似地,部分堆叠组件130可以根据每个实施例而不同。在一些实施例中,部分堆叠组件130可以包括芯坯131、在其第一侧上邻近和/或结合或粘附到芯坯131的泡沫132以及位于芯坯131附近或其上的浸渍的纤维片材133(例如,用聚合物树脂浸渍的)。在一些实施例中,浸渍的纤维片材133可以至少部分地围绕芯坯131缠绕。
在实施例中,部分堆叠组件130可以压靠和/或结合到多层复合蒙皮140(或与多层复合蒙皮140一起)。在一些实施例中,在将多层复合蒙皮140结合到部分堆叠组件130之前和/或期间,多层复合蒙皮140中的至少一部分可以是至少部分地粘稠的或未固化的(例如,多层复合蒙皮140的浸渍的纤维片材的树脂可以是至少部分地未固化)。可选地,多层复合蒙皮140可以是完全固化的或凝固的。
在实施例中,部分堆叠组件130和多层复合蒙皮140可以被压制在一起并且/或者被加热以形成复合夹层(例如,复合夹层100a(图2))。例如,如图8B中所示,在将多层复合蒙皮140和部分堆叠组件130一起设置或堆叠之后,压缩模具400的第二模具部分404可以放置在完整的堆叠组件150上方(由部分堆叠组件130和多层复合蒙皮140形成)。更具体地,第一和第二模具部分402、404可以闭合在一起以形成或限定模具腔406,堆叠组件150可以在该模具腔406内被压缩和/或加热以形成复合夹层。
如上所述,复合夹层可具有平面的和/或非平面的表面。模具腔406的模塑表面可以是平面的和/或非平面的,因为其可适于形成相应的形状和/或构造的复合夹层。在所示的实施例中,模具腔406的模塑表面可以是弯曲的,诸如以形成具有相应弯曲的外表面的复合夹层(例如,在压缩模具400中形成的复合夹层可以相似于或相同于复合夹层100a(图2))。
在任何情况下,通过将组合的复合组件150的组件的各种元素和组分压制在一起和/或加热,可以由此形成复合夹层。特别地,例如,这种复合夹层可以具有大体上没有针孔和/或其它缺陷的外表面(例如,由粉末制造的外层110c形成的外表面)。在一些实施例中,芯坯(以及相应的芯)可以由相对软的材料(例如,硬纸板、泡沫等)形成。例如,形成或制造包括相对软的芯和由粉末形成的外层110c的复合夹层可以包括如上所述的两阶段工艺。
可选地,在一个或多个实施例中,复合夹层可以在单个阶段工艺中制造。例如,芯坯可以包括具有合适的屈服强度的材料,使得粉末可以与可以设置在上述堆叠组件中的芯坯一起被压缩(例如,堆叠组件可以包括粉末、浸渍的纤维片材、芯坯和顺序排列的第二浸渍的纤维片材)。这样,在一些实施例中,单个压缩模具可以用于制造包括由粉末形成的外表面的成品复合夹层(例如,还包括相对硬的芯的复合夹层)。
图9是根据实施例的制造复合夹层的方法的流程图。例如,该方法可以包括将蒙皮组件设置在模具或模具腔的处理空间内的动作500。在一些实施例中,堆叠组件可以被组装在处理空间内部。如上所述,蒙皮组件可以包括任何数量的元素和组分,当在模具中处理时,可以形成一个或多个复合蒙皮和与其结合的外层。例如,蒙皮组件可以包括一个或多个浸渍有聚合物树脂的纤维片材以及彼此相邻设置的热塑性材料和/或热固性材料粉末(例如,一定量的粉末)。
根据至少一个实施例,在模具闭合以限定模具腔之前,可将聚合物树脂喷涂到纤维片材上。为了喷涂树脂,商业喷头可用于大型部件的大批量生产。对于低压压缩模制过程,热压锅可以代替商业喷头用于小部件或原型的小批量生产,这可以降低制造成本。低压热锅能够喷涂树脂。
聚合物树脂可以是聚氨酯、环氧树脂、另一种合适的聚合物树脂或任何上述物质的混合物。低粘度混合物可以更容易地喷涂。对于聚合物树脂,可以通过在热压锅中加热树脂来降低粘度并且延迟开始硬化直到处于压缩模塑中。可以选择包括混合物的聚合物树脂的硬化剂,使得环氧树脂和聚氨酯具有大约相同或相似的固化时间。促进相同或相似的固化时间可以允许两个热固性材料(例如,环氧树脂和聚氨酯)完全固化在一起,而不会由于聚合物树脂中的热固性材料中的一个而延长固化过程。另外地或可选地,树脂或混合物可以铺展或浇注到纤维片材上。在至少一个实施例中,纤维片材可以浸渍在树脂和/或混合物(例如,聚氨酯和环氧树脂混合物)中或可以穿过树脂流和/或混合物流。
在一些实施例中,该方法还可以包括从模具的模具腔的处理空间以及从纤维片材中去除气体中的至少一些的动作510。例如,如上所述,真空泵可以从膜具腔抽出气体,从而在其中产生减压或至少部分真空。另外地或可选地,通过闭合模具并压缩蒙皮组件,可以从模具腔和从浸渍的纤维片材中去除或吸出气体的至少一些(例如,模具腔可以具有一个或多个开口或通风孔,其允许气体从模具腔和从压缩的浸渍纤维片材离开模具腔)。再一次,从模具腔中去除气体,其可以从蒙皮组件移除气体(例如,可以从浸渍的纤维片材去除气泡或囊袋)和/或可以形成具有很小空隙或大体上没有空隙的复合蒙皮。
该方法还可包括在模具腔中压缩和加热蒙皮组件的动作520。特别地,例如,当蒙皮组件被加热和压缩时,聚合物树脂可以固化和/或可以将浸渍的纤维片结合到芯坯。此外,粉末丸粒可以结合在一起并且粘合到浸渍的纤维片材上,以形成结合到由浸渍的纤维片材形成的复合蒙皮的固体和/或大体上整体的外层。
在一些实施例中,施加到蒙皮组件的操作压力可以在5bar到10bar(例如,约6bar(约88psi))的范围内,这可以显著低于典型地用于常规RTM的约120bar(约1764psi)的压力。然而,应当理解,操作压力可以大于10bar或低于5bar。还应当理解,本文所描述的动作或步骤可以按照任何合适的顺序来执行,其可以根据每个实施例而不同。
在实施例中,第二模具部分可以被加热到高于第一模具部分(例如,其可以接触粉末)的温度,使得树脂从朝向第一模具部分的第二模具部分开始胶化。这种加热和凝胶工艺可以将困在不连续纤维中的气体驱向可以位于纤维和第一模具部分之间的粉末。气体可以通过穿过粉末颗粒之间的间隙被进一步去除(例如,通过使用真空泵)。第一模具部分和第二模具部分之间的温度差可以帮助形成没有针孔或没有孔隙的表面。
在实施例中,聚合物树脂和粉末的固化温度可以相似,接近约130℃。例如,第一和/或第二模具部分可以被加热到125℃。另外地或可选地,第一和第二模具部分可以被加热到不同的温度,诸如上部分可以被加热到125℃,并且第一模具部分可以被加热到135℃,反之亦然。在实施例中,第一模具部分可以处于80℃,并且第二模具部分可以处于130℃,反之亦然。
在一些实施例中,模具还可包括在上模具部分上方的第一绝缘层(未示出)以及在下模具部分下方的第二绝缘层(未示出)。通过去除绝缘层中的一个,上模具部分和下模具部分可以具有温度梯度,这可以进一步有助于产生大体上没有表面缺陷的表面,诸如针孔或多孔性。当仅有一个加热器可用于产生温度梯度时,可以去除绝缘层中的一个。例如,第一绝缘层可以使上模具部分保持更高的温度,而第二绝缘层可以被去除以将下模具部分保持在更低的温度。在其它实施例中,下模具部分可以由第一加热器加热到第一温度,并且上模具部分可以由第二加热器加热到第二温度。
在一些实施例中,浸渍纤维片材的聚合物树脂可以是具有低于粉末的玻璃化转变温度的聚氨酯和环氧树脂的混合物。例如,粉末可以具有约180℃的玻璃化转变温度,并且聚合物树脂中的环氧树脂可以具有约168℃的玻璃化转变温度。当第一模具部分处于相对低的温度时,粉末可以被加热而不硬化。例如,在粉末温度达到约130℃之前,粉末可以具有约90秒的凝胶时间,这可以允许困在浸渍的纤维片材中的气体或空气被抽真空并且获得更好的表面光洁度(例如,空气可在未固化和/或未结合的粉末丸粒之间流动)。
如上所述,模具可以包括第一和第二模具部分。在一些实施例中,第一和第二模具部分可具有不同的温度。例如,第一和第二模具部分之间的温度差可以为至多50℃。当温差增加到约50℃时,由于在不同模具温度下的不同热膨胀的尺寸差异可能太大,诸如以致于当模具闭合时在蒙皮组件上引起高的局部压力;这种高的局部压力可能显著导致模具磨损。
在一些实施例中,第一和/或第二模具部分可以摇动或振动(例如,在蒙皮组件的处理期间),这可以促进空气在模具腔中的流动或循环。例如,摇动或振动第一和/或第二模具部分可以在模具腔中大规模的产生较均匀的热和/或温度分布(与未摇动或振动的模具腔相比)。
在一些实施例中,环氧树脂(例如,浸渍纤维片材的环氧树脂)固化约98%可能耗费约6-7分钟。在固化期间,复合蒙皮(由树脂浸渍的纤维片材形成)可以收缩约2.5%至3%(与树脂浸渍的纤维片材的体积相比)。在实施例中,环氧树脂(例如,在浸渍的纤维片材中和/或粉末中)的完全固化可以通过在烤箱中后处理或后固化来促进(例如,在压缩模具中处理蒙皮组件之后)。例如,烤箱可以以2℃梯度从室温加热到高温。例如,复合材料可以被加热到约180℃,并且可以在约180℃下停留一段时间,诸如一小时或更长时间,这可以确保粉末和/或树脂的完全固化。在实施例中,部分地处理的多层复合蒙皮(例如,如本文所述的,其可以由在压缩模具中处理的蒙皮组件形成),可以在后固化期间不呈现进一步收缩(在初始处理之后),诸如在烤箱中加热期间,但是在后处理过程中可以不表现出进一步收缩,如电涂覆。在一些加工条件下,后固化期间树脂的缓慢加热可以减少热冲击的发生。应当理解,任何数量的复合部件可以放置在烤箱中并且可以同时经受后固化处理。
在一些实施例中,当粉末材料具有与浸渍纤维片材的聚合物树脂的固化温度相同或相似的固化温度时,可将模具加热至高温。具体地,模具可以被加热至聚合物树脂和/或粉末的固化温度。可选地,如果粉末材料具有高于浸渍纤维片材的聚合物树脂的固化温度,模具可以被加热至第一高温以固化聚合物树脂,然后可进一步加热至第二高温以固化粉末。在至少一个实施例中,浸渍纤维片材的聚合物树脂可具有高于粉末材料的固化温度,模具可以被加热至第一高温以固化粉末,然后可进一步加热至第二高温以固化聚合物树脂。
在一些实施例中,聚合物树脂可包括具有高粘度的第一热固性材料和具有低粘度的第二热固性材料的掺合物或混合物。聚合物树脂还可以包括热固性材料和热塑性材料的混合物。例如,热塑性材料可以是混合纤维。通常,在固化之前,热固性材料可以是液体形式。例如,在固化之前,聚合物树脂可以是液体形式,并且可以具有低粘度(例如,与未混合或未掺合的聚合物树脂相比),使得聚合物树脂可以用低压喷涂,诸如小于90psi,如在与本申请同时提交的标题为“多组分聚合物树脂,其施加方法以及包括其的复合层压结构(Multicomponent Polymer Resin,Methods For Applying The Same,And CompositeLaminate Structure Including The Same)”的申请号为WO2015/187867的PCT国际申请中更详细描述的。
在一些实施例中,可以将脱模剂诸如蜡、硅树脂等施加到一个或多个模塑表面,以便于从压缩模具中移除多层复合蒙皮。在至少一个实施例中,硅树脂脱模剂可能是不理想的,特别是在硅树脂脱模剂将接触在加工后打算被涂刷的多层复合蒙皮的表面的情况下。
在一些实施例中,处理蒙皮组件可以产生具有大体上没有针孔或多孔性的外表面的外层。另外地或可选地,外层的外表面可以包括具有高玻璃化转变温度的聚合物,使得该表面可以承受用于后处理的高温。在一些实施例中,外层可以经受至少约180℃的温度。
图10是根据一个或多个实施例的用于制造复合夹层的方法的流程图(例如,其可以用于制造本文所述的复合夹层)。在一些实施例中,该方法可以包括静电充电第一模具部分的动作600。例如,第一模具部分可以被充电以助于将带电的热塑性材料和/或热固性材料粉末保持在其中。静电充电还可以有助于减少粉末的浪费和/或可以保持围绕模具的工作空间大致上没有粉末。
在实施例中,该方法可包括将一种或多种粉末(例如,如上所述的热塑性和/或热固性粉末)放置或设置在第一模具部分上和/或其中的方法610。例如,粉末喷枪可以将粉末喷涂到第一模具部分上和/或其中。此外,在一些实施例中,粉末可以大致均匀地铺展在第一模具部分中的一个或多个表面上和/或其上方。通过将粉末施加到模具表面,困在纤维中的空气可以通过纤维层和工具表面之间的间隙以及通过个别的颗粒或粉末颗粒之间的间隙或间隔被抽出。粉末还可以有助于形成大体上没有针孔的复合夹层的外表面。在一些实施例中,由压缩和/或熔化或固化的粉末形成的外表面也可以是大体上不透水的或防水的。
通常,粉末的颗粒或微粒可以在尺寸和/或形状上变化。在一些实施例中,颗粒或微粒可以被定尺寸和/或塑形以允许困在不连续纤维中的空气通过抽真空或通过允许空气吸出或排出模具腔(例如,通过进入颗粒之间的空间)被有效地去除。在一些构造中,连续的纤维可能比不连续的纤维更不可能困住空气。在至少一个实施例中,空气可以有效地从循环自RTM的废纤维中去除。所使用的粉末的量可以根据每个实施例而不同,除了其他方面,其可以取决于粉末颗粒的尺寸和/或形状。
该方法还可以包括将至少一部分堆叠组件设置在第一模具部分上和/或其中的动作620。如上所述,例如,可以以两个阶段制造复合夹层。在一些实施例中,在制造的第一阶段中,可由处理的热塑性和/或热固性粉末以及树脂浸渍的纤维片材来形成多层复合蒙皮。特别地,热塑性和/或热固性粉末以及树脂浸渍的纤维片材可以压缩在一起和/或加热以形成多层复合蒙皮,其可以包括复合蒙皮(由浸渍的树脂片材形成)并且可以具有大体上没有针孔和/或其它缺陷(在制造期间其由可以结合在一起的粉末形成)的外表面的外层。例如,当堆叠组件包括相对软或低屈服强度的芯坯(例如,使得粉末与芯坯一起压缩时可能损坏芯坯)时,可以在制造的第一阶段中将粉末与浸渍的纤维片材一起与芯坯分开处理,以产生具有大致上没有针孔或表面缺陷(例如A级表面光洁度)的表面的复合层压材料。因此,在一些实施例中,在形成多层复合蒙皮之后,在第二制造阶段中,多层复合蒙皮可以附接或结合到部分堆叠组件,其包括芯坯以及设置成与芯坯(如上所述)接触的另一浸渍的纤维片材。可选地,在芯坯的顶部上,部分堆叠组件还可以包括泡沫。
可选地,完整的堆叠组件可直接设置在粉末上和/或与粉末接触,使得芯坯可与粉末一起压缩。例如,如上所述,芯坯(以及由其形成的芯)可以是相对硬的(例如,由聚碳酸酯形成的芯坯,诸如由聚碳酸酯管形成的芯坯)。在一些加工条件下,相对硬的芯坯可以具有足够的或合适的屈服强度以承受适于在加工期间压缩粉末的压力(例如,以形成固体和/或大体上整体的外层)。因此,在实施例中,堆叠组件可以包括浸渍有聚合物树脂的第一纤维片材(例如,可以将具有聚合物树脂的第一纤维片材放置于粉末上)、芯坯以及浸渍有位于芯坯上的聚合物树脂的第二纤维片材,使得芯坯设置在第一和第二浸渍纤维片材之间,其可以在单个制造阶段中与粉末一起加工。
该方法可以包括在由闭合模具的第一部分和第二部分形成的模具的处理空间中使粉末和堆叠组件靠近(close)的动作630。此外,模具的第一和第二部分可以将选定的压力施加到粉末和堆叠组件上。在一些实施例中,该方法可以包括对模具的处理空间抽真空的动作640。另外地或可选地,如上所述,在模具闭合期间和/或堆叠组合件与粉末一起压缩时,通过使气体通过腔中的一个或多个开口或通风孔逸出,气体可从模具的模具腔或处理空间中去除。
在实施例中,该方法可以包括通过加热第一和第二模具部分来加热粉末和/或堆叠组件的动作650。第二模具部分可以被加热到高于第一模具部分的温度,使得聚合物树脂开始从朝向第一模具部分的第二模具部分凝胶,或反之亦然。这种凝胶过程可以将困在不连续纤维中的空气推向粉末的颗粒或丸粒之间的间隙,使得空气可以通过抽真空去除。在一些实施例中,第一和第二模具部分之间的温度差可以为至少5℃。例如,第一和第二模具部分之间的温度差可以为至少10℃、至少15℃等。
在实施例中,用于堆叠组件中的聚合物树脂的固化温度可以为约120℃。例如,第一模具部分可以处于115℃,并且第二模具部分可以处于125℃。可选地,例如,固化温度可以为约125℃,并且第一模具部分可以处于120℃,而第二模具部分可以处于130℃。通常,固化时间可以根据每个实施例而不同。在至少一个实施方案中,环氧树脂的固化可能耗费6-7分钟来固化约98%。当固化时,聚合物树脂可以收缩约2.5%至3%(例如,与未固化的聚合物树脂的全部体积相比)。
在一些实施例中,为了完全固化,可对复合夹层进行后固化处理(例如,在烤箱或高压釜中加热)。例如,烤箱可以以2℃梯度从室温加热到高温,这可在后加工诸如电涂覆期间遇到。在实施例中,复合夹层可以被加热至约180℃,并且可以在该温度下保持一段时间(例如,1小时),这可以助于或确保完全固化,并且可以减少或消除进一步的收缩。在后固化期间,缓慢加热可以降低热冲击的可能性和/或效果。为了提高烤箱的利用效率,可以将多个复合部件放置在烤箱中以经历后固化过程。通常,固化温度和固化时间可以根据每个实施例而不同,除了其它方面,其可以取决于环氧树脂的类型、环氧树脂的厚度等。例如,当固化温度增加时,固化时间可以更短。
应当理解,在一些实施例中,相对软的芯,诸如包括硬纸板、纸等的芯,可能比可以包括热塑性和/或热固性材料(例如,聚碳酸酯管)的相对硬的芯不太容易屈曲。例如,在可比较的载荷下,软芯可以比硬芯变形更多,从而比硬芯吸收更多的能量。此外,在实施例中,包括随机定向的不连续纤维的复合蒙皮可以比包括连续纤维的复合蒙皮更易弯曲和/或可拉伸。
在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下,本发明可以以其他具体形式实施。所描述的实施例在所有方面都被认为仅是说明性的而不是限制性的。因此,本发明的范围由所附权利要求而不是由前面的描述来表示。在权利要求书的等同物的含义和范围内的所有变化将被包括在其范围内。
Claims (31)
1.一种复合夹层,其包括:
第一复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;
第二复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;
芯,其位于所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮之间并结合到所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮,所述芯限定多个腔;
固体的和大体上整体的外层,其包括一种或多种聚合物材料,所述外层结合到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮中的一个,大体上固体的和整体的外层具有通过在压缩模具中将一种或多种聚合物材料的粉末和树脂浸渍的纤维片材一起压缩和加热,从而将粉末的多个颗粒熔化并结合在一起而形成的大体上无缺陷的外表面;以及
泡沫,位于所述第一复合蒙皮和所述芯之间,所述泡沫至少部分地填充所述多个腔中的至少一些;
其中,所述外层具有大体上无缺陷的外表面;并且
其中,当泡沫至少部分地填充到芯的腔时,所述泡沫使限定所述芯的腔的壁变形,并且在粘附到芯期间,泡沫的材料处于未固化或部分固化状态。
2.根据权利要求1所述的复合夹层,其中所述芯包括多个单元,每个单元具有包括热塑性材料或热固性材料中的一种或多种的一个或多个壁。
3.根据权利要求2所述的复合夹层,其中所述芯包括结合在一起的多个管状构件。
4.根据权利要求1所述的复合夹层,其中所述芯包括多个单元,每个单元具有包括硬纸板、纸或泡沫中的一种或多种的一个或多个壁。
5.根据权利要求1所述的复合夹层,其中所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮中的一个或多个具有三维构造。
6.根据权利要求1所述的复合夹层,其中所述外层包括平面部分和非平面部分中的一个或多个。
7.根据权利要求1所述的复合夹层,其进一步包括第三复合蒙皮,所述第三复合蒙皮包括嵌入聚合物基体中的多个增强纤维以及位于所述第三复合蒙皮和所述第二复合蒙皮之间并结合到所述第三复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的另一芯。
8.根据权利要求7所述的复合夹层,其中所述另一芯具有比所述芯更高的屈服强度。
9.根据权利要求7所述的复合夹层,其中所述另一芯包括在其中限定多个单元的聚合物材料。
10.根据权利要求7所述的复合夹层,其中所述另一芯包括结合在一起的多个管状构件。
11.根据权利要求7所述的复合夹层,其中所述芯被配置为比所述另一芯吸收更多的能量。
12.根据权利要求1所述的复合夹层,其中所述泡沫包括来自所述第一复合蒙皮的聚合物基体材料。
13.一种用于制造复合夹层的固体的和大体上整体的外层的方法,其包括:
提供包括第一模具部分和第二模具部分的压缩模具;
将粉末设置在第一模具部分的模塑表面上,所述粉末包括热塑性材料或热固性材料中的一种或多种的多个颗粒;
将树脂浸渍的纤维片材设置在所述粉末上;以及
在压缩模具中将所述粉末与所述树脂浸渍的纤维片材一起压缩和加热,从而将多个颗粒结合在一起以形成具有大体上无缺陷的外表面的大体上固体的和整体的外层,
其中,所述复合夹层包括:第一复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;第二复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;芯,其位于所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮之间并结合到所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮;以及固体的和大体上整体的外层,所述外层结合到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮中的至少一个。
14.根据权利要求13所述的方法,其中所述第一模具部分和第二模具部分限定模具腔,所述粉末和所述树脂浸渍的纤维片材被设置在所述模具腔中,并且所述方法进一步包括从所述树脂浸渍的纤维片材中去除气体。
15.根据权利要求14所述的方法,其中从所述树脂浸渍的纤维片材中去除气体包括从所述模具腔中去除气体。
16.根据权利要求15所述的方法,其中从所述模具腔中去除气体包括对所述模具腔抽真空。
17.根据权利要求13所述的方法,其进一步包括以所述模塑表面静电吸引所述粉末颗粒中的至少一些的方式对所述模塑表面充电。
18.根据权利要求13所述的方法,其中所述粉末具有比所述树脂浸渍的纤维片材中的所述树脂更高的玻璃化转变温度。
19.根据权利要求13所述的方法,其进一步包括:
将部分堆叠组件设置在所述外层上,所述部分堆叠组件包括芯坯和与所述芯坯接触的浸渍有树脂的另一纤维片材,并且所述芯坯设置在多层复合蒙皮上;以及
将所述部分堆叠组件与所述外层一起压缩和加热以形成复合夹层。
20.根据权利要求19所述的方法,其中所述复合夹层的所述外层形成其大体上无缺陷的外表面。
21.根据权利要求19所述的方法,其中所述芯坯包括结合在一起的多个管状构件。
22.根据权利要求19所述的方法,其中所述芯坯包括多个单元,每个单元具有包括硬纸板、纸或泡沫中的一种或多种的一个或多个壁。
23.根据权利要求13所述的方法,其中压缩包括对所述第一模具部分和第二模具部分施加从5bar至10bar的压力。
24.根据权利要求13所述的方法,其中所述粉末的尺寸范围在10μm至100μm。
25.一种多芯复合夹层,其包括:
第一复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;
第二复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;
第一芯,其包括热塑性材料并且被设置在所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮之间并且结合到所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮;
第三复合蒙皮,其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维;
第二芯,其设置在所述第二复合蒙皮和所述第三复合蒙皮之间并结合到所述第二复合蒙皮和所述第三复合蒙皮,所述第二芯具有与所述第一芯不同的刚度、振动吸收性、抗冲击性或其组合;以及
固体的和大体上整体的外层,其包括一种或多种聚合物材料,所述外层结合到所述第一复合蒙皮或所述第三复合蒙皮中的一个,大体上固体的和整体的外层具有通过在压缩模具中将一种或多种聚合物材料的粉末和树脂浸渍的纤维片材一起压缩和加热,从而将粉末的多个颗粒熔化并结合在一起而形成的大体上无缺陷的外表面
其中,所述第一芯和所述第二芯是多孔的和/或包括多个腔,所述第二芯被设置在所述第一芯上方或下方。
26.根据权利要求25所述的多芯复合夹层,其中所述第二芯包括硬纸板、纸或泡沫中的一种或多种。
27.根据权利要求25所述的多芯复合夹层,其中所述第一芯包括多个管状构件。
28.根据权利要求27所述的多芯复合夹层,其中所述管状构件结合在一起。
29.根据权利要求25所述的多芯复合夹层,其中所述第一芯具有比所述第二芯高的屈服强度。
30.根据权利要求25所述的多芯复合夹层,其中所述第二芯被配置为比所述第一芯吸收更多的能量。
31.根据权利要求25所述的多芯复合夹层,其进一步包括包含嵌入聚合物基体中的NCF织物的一个或多个外层,所述一个或多个外层结合到第一复合蒙皮或第三复合蒙皮中的一个或多个。
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