CN107618194A - 碳纤维预浸料坯及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了由具有增强的流动性和可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料(预浸料坯)生产的部件以及方法。间断切口区被引入到预浸料坯中。预浸料坯的薄片可以与具有多个非连续交错切割器的图案化表面接触，从而该接触在预浸料坯中创建出间断切口。多个交错间断切口区形成在多个连续碳纤维中，多个连续碳纤维限定出具有第一长度的第一多个碳纤维以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维。图案化表面可以设置在切割器装置上，切割器装置是其上形成或者设置有非连续交错切割器的辊子或者板。形成在预浸料坯中的间断切口区在形成碳纤维聚合物复合材料时减小刚度并且提高可塑性/流动性，同时保持高强度水平。

Description

碳纤维预浸料坯及其制造方法
技术领域
本公开涉及用于处理连续碳纤维的方法，连续碳纤维用在具有改进的可塑性和模制零件中的减小的翘曲的高强度聚合物复合材料预浸料坯中。
背景技术
本节内容提供与本公开有关的却不一定是现有技术的背景信息。
碳纤维用作轻质增强相来制作高强度轻质聚合物复合材料。碳纤维可以是长度可能为数千微米(μm)或者毫米(mm)的连续长丝。通常将一组连续碳纤维归类为一束连续碳纤维长丝。碳纤维“丝束”通常被指定为数千计的长丝数量(由相应丝束数量后面的K表示)。可替代地，碳纤维束可以被斩断或者碾断，并且因此形成通常具有在50μm(约0.002英寸)与50mm(约1.97英寸)之间的平均纤维长度的短碳纤维段(长丝或者束)。尽管包含碳纤维的复合材料全都是轻质的和高强度的，但与包含被斩断或者碾断的碳纤维的复合材料相比，包含连续碳纤维长丝的复合材料具有尤其高的强度。作为非限制性示例，代表性单向连续碳纤维长丝在被并入到复合材料中时具有约1500MPa至2000MPa的超高极限抗张强度，而被斩断的碳纤维具有约200MPa至350MPa的极限抗张强度。
可以通过使用增强材料的薄片或者条(诸如，具有连续碳纤维的碳纤维基材料)来形成复合制品或者部件。聚合物前体(诸如，树脂)可以被预浸渍在碳纤维基基底材料系统中，这称为预浸渍(被称为“预浸”)，这涉及在第一步中使树脂在碳纤维基基底材料中润湿，然后可选地卷起碳纤维基基底材料，并且将其储存起来以供随后使用。
尽管在某些应用中与碳纤维复合材料相关联的超高强度是令人高度期望的，但使用连续碳纤维复合材料预浸料坯的一个挑战在于：由于包含连续碳纤维的复合材料预浸料坯可能非常僵硬并具有高度抗流性，所以缺乏流动性和可成形性。这种不灵活性和刚性可能导致较差的可塑性，从而使得难以从具有连续碳纤维的复合材料形成三维形状。进一步地，预浸材料中流动性的缺乏可以导致最终复合材料产品中的翘曲以及具有不合意表面外观的问题。令人期望的是形成具有较高流动性以及因此较大可塑性的连续碳纤维预浸材料，其能够容易地形成具有超高强度的复杂三维形状部件。
发明内容
本节内容提供本公开的简要概述，并且不是其全部范围或者全部特征的全面公开。
在各个方面中，本公开提供一种用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的方法。该方法包括：使包括多个连续碳纤维和聚合物材料前体的碳纤维预浸渍复合前体材料的薄片与具有多个非连续交错切割器的图案化表面接触。该接触在碳纤维预浸渍复合前体材料中创建出间断切口。在某些方面中，该接触切割碳纤维预浸渍复合前体材料以便在多个连续碳纤维中形成多个交错间断切口区。因此，多个连续纤维包括：具有第一长度的第一多个碳纤维、以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维。
在其它方面中，本公开提供一种具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料。前体材料包括薄片，该薄片包括多个连续碳纤维和聚合物材料前体。多个连续碳纤维具有多个交错间断切口区，该多个交错间断切口区限定出具有第一长度的第一多个碳纤维以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维。
在其它方面中，本公开提供一种用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的切割器装置。切割器装置可以具有图案化表面，该图案化表面具有多个非连续交错切割器。多个非连续交错切割器包括：第一切割器、第二切割器、第三切割器、以及第四切割器。第一切割器和第二切割器彼此间隔隔开，但横向地在第一排上对齐，并且第三切割器和第四切割器彼此间隔隔开，但横向地在第二排上对齐。第一切割器纵向地从第三切割器偏移，并且第二切割器纵向地从第四切割器偏移。
从本文所提供的描述中，其它适用领域将变得显而易见。本概述中的描述和特定示例意在仅仅用于图示的目的并且不意在限制本公开的范围。
附图说明
本文描述的附图仅仅用于图示所选择的实施例而不是所有可能的实施方式的目的，并且不意在限制本公开的范围。
图1是根据本公开的某些方面的具有一对辊子装置的用于处理连续碳纤维预浸渍复合前体材料的系统的示意图，其中，一个辊子具有带有多个非连续交错切割器的图案化表面，多个非连续交错切割器在连续碳纤维预浸渍复合前体材料中创建多个间断切口。
图2示出了根据本公开的某些方面的呈切割辊子的形式的切割装置，切割辊子具有用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的机加工非连续交错切割器。
图3示出了根据本公开的某些方面的呈切割辊子的形式的切割装置的替代变型，切割辊子具有用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的可移除非连续交错切割器。
图4是根据本公开的某些方面的具有一对板装置的用于处理连续碳纤维预浸渍复合前体材料的系统的示意图，其中，一个板具有带有多个非连续交错切割器的图案化表面，多个非连续交错切割器在连续碳纤维预浸渍复合前体材料中创建多个间断切口。
图5示出了根据本公开的某些方面的在板装置已经进行配对并且被分离之后的图4的系统，其中，已经在连续碳纤维预浸渍复合前体材料中形成了多个间断切口。
图6示出了根据本公开的某些方面的用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的示例。
图7示出了根据本公开的某些方面的具有用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的实施例的示例。
图8示出了根据本公开的某些方面的具有用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的实施例的另一示例。
图9示出了根据本公开的某些方面的具有用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的实施例的又另一示例。
图10示出了根据本公开的某些方面的具有用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的另一实施例的示例。
图11示出了根据本公开的某些方面的具有用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的实施例的另一示例。
图12示出了根据本公开的某些方面的具有用于切割器装置的多个非连续交错切割器的表面图案的又另一实施例的示例。
图13示出了碳纤维预浸渍复合前体在由图7和图8中示出的表面图案切割之后的详细视图。
图14示出了图13中的碳纤维预浸渍复合前体的广阔视图。
图15示出了市场上可买到的碳纤维预浸渍复合前体材料的流动性。
图16示出了根据本公开的某些方面进行处理的碳纤维预浸渍复合前体材料的流动性，碳纤维预浸渍复合前体材料具有限定出第一长度的碳纤维和第二不同长度的碳纤维的多个交错间断切口区，从而显示出改进的可塑性和流动性。
图17示出了由于碳纤维预浸渍复合前体材料中的流动性不足而在边缘处经受翘曲的对比模制复合材料。
在附图中的多个视图中，对应的附图标记指示对应的部件。
具体实施方式
提供了示例性实施例，以便使本公开较为详尽，并且向本领域的技术人员充分传达公开范围。阐述了许多特定细节，诸如，特定成分、部件、装置、以及方法的示例，以便提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域的技术人员明显的是，特定细节不必被采用，示例性实施例可以体现为许多不同的形式并且也不应被理解为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，没有对众所周知的过程、众所周知的装置结构、以及众所周知的技术进行详细描述。
本文所使用的术语仅仅用于描述特定示例性实施例并且不意在具有限制性。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”可以意在也包括复数形式，除非语境明确地指示其它情况。术语“包含”、“含有”、“包括”、以及“具有”是包含性的并且因此指定所陈述的特征、元件、成分、步骤、整体、操作、以及/或者部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件、以及/或者其组群的存在或者添加。尽管开放式术语“含有”应被理解为作为用于描述和要求本文所阐述的各个实施例的非限制性术语，但在某些方面中，该术语可以可替代地被理解为限制性更大的限制性术语，诸如，“由……组成”或者“基本上由……组成”。因此，针对任何给定实施例详述的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作、以及/或者处理步骤，本公开还具体地包括由这些详述的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作、以及/或者过程步骤组成或者基本上由其组成的实施例。在“由……组成”的情况下，替代实施例排除任何附加的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作、以及/或者过程部件，而在“基本上由……组成”的情况下，在实质上影响基本和新颖特点的任何附加的成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作、以及/或者过程步骤均从该实施例中被排除，但不会在实质上影响基本和新颖特点的任何成分、材料、部件、元件、特征、整体、操作、以及/或者过程步骤可以被包含在该实施例中。
本文所描述的任何方法步骤、过程、以及操作均不应被理解为需要按照所讨论或者所图示的特定顺序进行执行，除非具体地被认定为执行顺序。还应理解，除非另外指出，否则也可以采用附加或者替代步骤。
当提到部件、元件、或者层“处于另一元件或者层上”、“接合至”、“连接至”、或者“联接至”该另一元件或者层时，其可以直接处于其它部件、元件、或者层上、接合至、连接至、或者联接至该其它部件、元件或者层，或者可以存在介入元件或者层。相反，当提到元件“直接处于另一元件或者层上”、“直接接合至”、“直接连接至”、或者“直接联接至”该另一元件或者层时，可以不存在介入元件或者层。用于描述元件之间的关系的其它言语应该以相似方式进行理解(例如，“在……之间”对“直接处于.....之间”、“毗连”对“直接毗连”等)。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列出的物品的任何和所有组合。
尽管术语第一、第二、第三等可以在本文用于描述各个步骤、元件、部件、区域、层、以及/或者部段，但这些步骤、元件、部件、区域、层、以及/或者部段不应受到这些术语的限制，除非另有说明。这些术语仅仅可以用于将一个步骤、元件、部件、区域、层、或者部段与另一步骤、元件、部件、区域、层、或者部段区分开。诸如“第一”、“第二”等术语以及其它数字术语在本文中进行使用时不会暗示序列或者步骤，除非语境明确地指出。因此，在不背离示例性实施例的教导的情况下，下文所讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层、或者部段也可以被称作第二步骤、元件、部件、区域、层、或者部段。
诸如“之前”、“之后”、“内”、“外”、“下面”、“下方”、“下”、“上方”、“上”等空间或者时间相对术语可以在本文用于易于进行描述，以便描述如附图中图示的一个元件或者特征与另一元件或者特征的关系。空间或者时间相对术语可以意在涵盖除了附图中所描绘的方位之外的使用或者操作中的装置或者系统的不同方位。
在本公开中，数值表示近似测量或者范围限度以便涵盖给定值的微小偏差和具有大约所提到的值的实施例以及恰好具有所提到的值的那些实施例。除了在详细描述的末尾提供的工作示例中之外，本说明书(包括所附权利要求书)中的参数(例如，数量或者条件)的所有数值均应被理解为在所有示例中都由术语“大约”来修饰，无论“大约”实际上是否出现在该数值之前。“大约”表明所陈述的数值允许一些轻微不精确(一定程度上接近该值的精确度；近似地或相当地接近该值；几乎)。如果“大约”所提供的该不精确在本领域中不作此通常意义的理解，那么如本文所使用的“大约”表明至少可能在测量和使用该参数的一般方法上出现变化。例如，“大约”可以包括小于等于5％、可选地小于等于4％、可选地小于等于3％、可选地小于等于2％、可选地小于等于1％、可选地小于等于0.5％、并且在某些方面中可选地小于等于0.1％的变化。
此外，范围的公开包括所有的值和在整个范围内进一步划分的范围的公开，包括端点和针对给定范围给出的子范围。
现在将参照附图对示例性实施例进行更加全面地描述。
碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)包括被固化和/或硬化以形成聚合物基体的树脂，聚合物基体具有作为增强相分布在其中的多个碳纤维。如上文所讨论的，CFRP通常是由预浸料坯创建，其中，浸渍有未固化或者部分固化的树脂的薄片中使用了多束碳纤维。可以通过使用预浸料坯来形成部件或者零件，预浸料坯待被叠放在心轴上或者设置在模具中，然后使其在此固结和固化/起作用以便形成最终部件。
如上文指出的，包含多束连续碳纤维的聚合物复合材料是高强度的和轻质的；然而，通常难以将其制作为复杂的三维形状部件。在各个方面中，本公开涉及包括多束连续碳纤维的碳纤维预浸渍复合前体材料的处理，与具有被斩断或者碾断的碳纤维的预浸料坯相比，该碳纤维预浸渍复合前体材料在某些方面中在处理之前具有大于等于约2英寸的长度。在某些方面中，连续碳纤维具有大于等于约2英寸、可选地大于等于约3英寸、可选地大于等于约4英寸、可选地大于等于约5英寸、可选地大于等于约6英寸、可选地大于等于约7英寸、可选地大于等于约8英寸、可选地大于等于约9英寸、可选地大于等于约10英寸、可选地大于等于约11英寸、并且在某些变型中可选地大于等于约12英寸(或者1英尺)的长度。连续碳纤维聚合物复合材料具有非常高的强度和高刚度(具有高弹性模数水平)。然而，在没有进一步的操纵的情况下，该连续碳纤维聚合物复合材料不容易被制作为轮廓鲜明的或者复杂的三维形状零件并且经受到翘曲和表面外观问题。
当前使用两种技术来将连续碳纤维复合材料形成复杂形状的零件，但都经受到某些缺点。第一种技术将连续碳纤维包含到具有连续单向碳纤维的复合物薄片中，但然后将较大的复合物薄片划分为多个较小块件(要么作为预浸料坯要么仅仅在应用之前用于形成部件)。然后在手动叠放过程中组装较小切割块件以便使毗连块件的边缘重叠以创建较大结构。因此，较小块件具有止于相同切割线处的树十万连续碳纤维长丝(例如，切割束)。尽管较小块件可以被叠放以创建更多复杂形状和轮廓，但该技术具有减小零件的强度的缺陷，这是因为单向碳纤维长丝全都沿着相同切割线结束。虽然切割块件相重叠，但仍存在多个地点或者区域以沿着切割线在复合材料上进行应力扩展和破裂，这会减小总体强度。
可替代地，在另一种技术中，碳纤维束可以在被包含到预浸材料中之前被斩断或者碾断为较短纤维段，通常具有小于约2英寸的最大长度。举例来说，每束可以具有大约50000个长丝(例如，50K丝束)。当碳纤维被斩断时，连续碳纤维的丝束沿着该丝束的整个宽度被切割，从而在预定距离处发生连续精确切割。通常，被斩断的纤维作为等向增强相按照随机方位均匀地分布在预浸料坯或者复合材料中。然而，被斩断的短纤维是间断的并且在不同纤维之间提供开放区域以在树脂/聚合物基体上进行应力和裂纹扩展。尽管仍提供高强度，但被斩断的碳纤维复合材料通常具有比连续碳纤维复合材料低的强度，通常少一个数量级。
在某些方面中，本技术提供用于在由碳纤维预浸渍复合前体材料形成的部件中改进可塑性和流动性同时减小翘曲的方法，该碳纤维预浸渍复合前体材料包括作为增强相的多束连续碳纤维和聚合物材料前体。在某些方面中，该方法涉及：在碳纤维预浸渍复合前体材料中引入间断切口，与常规连续纤维预浸料坯相比，这有助于提高改进的可塑性并且减小刚度和翘曲。
在某些方面中，本公开设想了一种用于在类似图1中示出的系统的处理系统20中生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的方法。连续碳纤维预浸渍复合前体材料24的辊22可以被解绕，从而使碳纤维预浸渍复合前体材料24的薄片26在呈一对辊子30的形式的切割器装置之间穿过。碳纤维预浸渍复合前体材料24的薄片26包括舒展开的连续碳纤维(例如，丝束)和聚合物材料前体两者。该对辊子30包括第一辊子32和第二反向辊子34。第一辊子32具有包括多个非连续交错切割器42的图案化表面40。如下文将更详细地讨论的，图案化表面40上的切割器42是间断的和非接触的，并且因此在横向方向或者(由宽度50示出的)方向上和在纵向方向或者(由长度52示出的)方向上彼此间隔隔开。该图案化表面40与用于形成被斩断的碳纤维长丝的常规切割器形成对照，其中，单个连续切割刀片延伸通过辊子的整个宽度(例如，50)。第二反向辊子34可以具有第二表面36，第二表面36可以是平坦的并且由弹性或者柔性材料制成。该方法包括：使碳纤维预浸渍复合前体材料24的薄片26与具有多个非连续交错切割器42的图案化表面40接触，从而与该对辊子30的接触在碳纤维预浸渍复合前体材料24中创建出间断切口54。第二反向辊子34的平坦表面促进切割器42在碳纤维预浸渍复合前体材料24内创建切口区。
图2示出了根据本公开的某些方面的类似图1中的第一辊子32的切割辊子60，切割辊子60用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料。切割辊子60具有表面62。多个单独的非连续交错切割器70被加工到表面62中。每个单独的切割器70可以具有大于等于约0.2mm至小于等于约2mm的宽度。每个切割器70可以具有大于等于约0.1mm至小于等于约3mm、可选地大于等于约0.1mm至小于等于约1mm的高度(从作为基线的表面62进行测量)。在某些变型中，每个切割器70可以具有约1mm的宽度和约0.5mm的高度。应注意，尽管多个切割器中的每个切割器70可以具有相同的宽度和尺寸，但在替代变型中，切割器尺寸可以彼此不同。
切割辊子60限定出横向尺寸72和周向尺寸74(例如，与辊子60周围的长度相对应)两者。如下文将更详细地描述的，预定图案包括交错且非连续的并且彼此间隔隔开的切割器70。例如，多个非连续交错切割器70包括：第一切割器80、第二切割器82、第三切割器84、以及第四切割器86。第一切割器80和第二切割器82彼此间隔隔开，但在横向方向72上在第一排上对齐。同样，第三切割器84和第四切割器86彼此间隔隔开，但在横向方向72上在不同于第一排的第二排上对齐。第二排从第一排上偏移。因此，第一切割器80在周向方向74上从第三切割器84偏移，并且第二切割器82在周向方向74上从第三切割器84和第四切割器86偏移。按照这种方式，切割器70在至少一个方向上(例如，周向方向74)彼此交错并且偏移。如下文将进一步描述的，该多个非连续交错切割器70因此能够在碳纤维预浸渍复合前体材料中形成间断切口。
图3示出了根据本公开的某些方面的用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的切割辊子90的替代实施例。切割辊子90具有表面92。多个狭槽或者凹槽94按照规则间隔形成(例如，经由机加工)在表面92中。杆部件96的尺寸设置为配合在单独的凹槽94内并且延伸通过切割辊子90的宽度98。杆部件96包括多个单独的非连续的间隔隔开的切割器100。每个单独的切割器100可以具有上文在图2的语境中描述的尺寸。在一个非限制性示例中，切割辊子90可以具有约31cm的周长102并且可以具有形成在周长102周围的60个凹槽94。在此，60个杆部件96可以坐落在60个凹槽94中的每一个内。杆部件96可以由例如粘合剂或者紧固件固定在凹槽94中。杆部件96可以被移除并且因此例如在切割器100的切割表面变钝时可置换。如本领域的技术人员将理解的，其它辊子尺寸和间隔将改变所使用的凹槽94和杆部件96的数量。同样，在替代变型中，可以使选择凹槽94保持清空并且不填充任何杆部件96以便提供广泛图案设计选项。明显地，每个相应杆部件96具有切割器100，切割器100按照类似于图2中的设计的方式沿着周向方向102彼此交错。因此，可以存在至少两个不同的杆部件96，其具有在坐落为彼此毗连的不同的间隔隔开的位置中的切割器，从而在切割辊子90的表面92上创建期望的非连续交错切割器图案。应注意，尽管未示出，但多个非连续交错切割器可以坐落在单独地形成在表面上(而不是在细长杆部件上)的单独的狭槽、凹陷、或者凹槽中，并且类似杆部件实施例，可以在切割器边缘变钝时可移除和被置换。
在另一替代变型中，本公开设想了一种用于在类似图4和图5中示出的系统的处理系统120中生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的方法。连续碳纤维预浸渍复合前体材料的切割块件或者薄片122可以被解绕并且可能被切割。薄片122设置在呈一对板130的形式的切割器装置之间。碳纤维预浸渍复合前体材料的薄片122包括舒展开的连续碳纤维和聚合物材料前体两者。该对板130包括第一板132和第二反向板134。第一板132具有包括多个非连续交错切割器142的图案化表面140。切割器142可以被加工到表面140中。如下文将更详细地讨论的，图案化表面140上的切割器142是间断的和非接触的，并且因此在横向方向或者(由宽度150示出的)方向上和在纵向方向或者(由长度152示出的)方向上彼此间隔隔开。
第二反向板134可以具有平坦的第二表面136。该方法包括：使碳纤维预浸渍复合前体材料的薄片122与具有多个非连续交错切割器142的图案化表面140接触。该接触可以包括：如图4中示出的那样施加压力154从而迫使板极为贴近彼此。图5示出了在该对板130彼此分离开之后的预浸薄片122，示出了使预浸薄片122与该对板130接触会在碳纤维预浸渍复合前体材料中创建出间断切口区156。第二反向板134的平坦表面促进切割器142在碳纤维预浸渍复合前体材料的薄片122内创建切口区156。尽管未示出，但在替代变型中，板可以具有可移除和可置换的切割器，例如，像在图3的辊子装置中一样，设置在滑动到表面狭槽或者凹槽中的杆部件上的切割器。
因此，本公开提供用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的方法。该方法可以包括：使碳纤维预浸渍复合前体材料的薄片与具有多个非连续交错切割器的图案化表面接触。该接触因此在碳纤维预浸渍复合前体材料中创建出间断切口。更加具体地，在优选方面中，该接触切割碳纤维预浸渍复合前体材料以便在多个连续碳纤维中形成多个交错间断切口区，该多个交错间断切口区限定出具有第一长度的第一多个碳纤维以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维。按照这种方式，预浸渍复合前体材料中的碳纤维具有能实现增强可塑性的两个或者更多个不同的长度。
图6示出了多个非连续交错切割器162的表面图案160的示例。示出了碳纤维轴向方向166和碳纤维横向方向168。多个非连续交错切割器162包括：第一切割器170、第二切割器172、以及第三切割器174。表面图案160包括轴向向下行进(Ad)尺寸180，示出了在第一切割器170与第三切割器174之间的沿着轴向方向166的距离。表面图案160还包括轴向向右行进(Ar)尺寸182，示出了在第一切割器170的第一终端与第三切割器174的第一终端之间的沿着横向方向168的偏移距离。横向向下行进(Cd)尺寸184是在第一切割器170与偏移的第二切割器172之间的沿着轴向方向166的距离。横向向右行进(Cr)尺寸186示出了在第一切割器170的第一终端与第二切割器172的第一终端之间的沿着横向方向168的偏移距离。在该图案中，形成了两个不同的纤维长度。最小切割纤维长度(Lmin)等于Ad。最大切割纤维长度(Lmax)可以通过如下方程式来计算：
具有短于典型连续纤维的纤维长度可以用于增强碳纤维预浸渍复合前体材料中的可塑性和流动性；然而，该短纤维的存在可以用于减小最终形成的复合材料中的强度。较长纤维可以增加强度，但也可以增加刚度并且减小可塑性/流动性。因此，根据本教导的某些方面形成的碳纤维预浸渍复合前体材料包括多个交错间断切口区，其中，第一多个碳纤维具有与最小切割纤维长度(Lmin)相对应的第一长度，并且第二多个碳纤维具有与最大切割纤维长度(Lmax)相对应的第二不同长度。最小切割纤维长度(Lmin)和最大切割纤维长度(Lmax)被优化以提供必要的可塑性和流动性(以便在压缩模制或者随后形成时避免翘曲)，但同样维持所形成的复合材料的强度水平。
在某些方面中，第一长度为大于等于约5mm至小于等于约15mm，并且第二不同长度为大于等于约20mm至小于等于约90mm。在其它方面中，第一长度为大于等于约5mm至小于等于约10mm，并且第二不同长度为大于等于约40mm至小于等于约85mm。在一个优选变型中，第一长度为约10mm并且第二不同长度为约85mm。
应注意，在接触之后，多个连续碳纤维可以包括：大于等于约40％至小于等于约60％的具有第一长度的第一多个碳纤维、以及大于等于约40％至小于等于约60％的具有第二长度的第二多个碳纤维。在本文所讨论的表面图案中，多个连续碳纤维中的多个交错间断切口区可以形成如下碳纤维：该碳纤维具有约50％的具有第一长度的第一多个碳纤维以及约50％的具有第二长度的第二多个碳纤维。在某些方面中，碳纤维预浸渍复合前体材料可以具有多于两个纤维长度。实际上，本文所讨论的图案可以发生边缘效应，其中，5-10％的碳纤维既不符合第一长度也不符合第二长度，而是具有不同的长度。此外，应注意，表面图案可以发生变化以便在预浸材料内形成多于两个纤维长度或者不同纤维长度数量/分布。
非连续交错切割器的示例性表面图案在图7至图12中示出。图7和图8示出了标示为200的并且具有非连续交错切割器202的第一表面图案。图7示出了20mm乘以20mm的区域，而图8示出了相同第一表面图案200的30mm乘以96mm的区域。图9示出了标示为210的并且具有非连续交错切割器212的第二表面图案。图10示出了标示为220的并且具有非连续交错切割器222的第三表面图案。图11示出了标示为230的并且具有非连续交错切割器232的第四表面图案。最后，图12示出了标示为240的并且具有非连续交错切割器242的第五表面图案。
表1示出了如在图6的语境中描述的Ad、Ar、Cr、以及Cd尺寸，以及由图7至图12中示出的每个这种图案形成的最大纤维长度和最小纤维长度。
表1
因此，在某些方面中，本公开设想了一种具有多个非连续交错切割器的图案化表面，其中，Ad可以为大于等于约5至小于等于约10。Ar可以为0.5。Cr可以为大于等于约3至小于等于约5。Cd可以为大于0至小于等于约5。在某些非限制性优选变型中，其中，Ad可以为约10，Ar可以为0.5，Cr可以为约5，并且Cd可以为约5。
图13和图14示出了已经由图7和图8中的第一表面图案200切割的碳纤维预浸渍复合前体材料250。碳纤维浸渍前体材料250可以是包括吸入有聚合物材料前体254的多个连续碳纤维252的薄片。多个连续碳纤维252具有分立的和间断的多个切口区260。如所示出的，多个切口区260在将形成碳纤维增强复合材料的前体材料250的宽度266上交错。因此，切口区260的地点沿着每个连续碳纤维252的长度268(相对于毗连碳纤维252)相对于彼此在位置上也不同。
多个连续碳纤维252因此具有多个交错间断或者分立切口区260，多个交错间断或者分立切口区260限定出具有第一长度的第一多个碳纤维262以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维264。切口区260可以具有与切割器尺寸相对应的尺寸，例如，具有大于等于约0.2mm至小于等于约2mm、可选地大于等于约0.1mm至小于等于约3mm的宽度。
碳纤维长度可以是上文所讨论的任何长度，例如，第一多个碳纤维262可以具有大于等于约5mm至小于等于约15mm的第一长度，并且第二多个碳纤维264可以具有大于等于约20mm至小于等于约90mm的第二长度。在某些变型中，第一长度为大于等于约5mm至小于等于约10mm，并且第二不同长度为大于等于约40mm至小于等于约85mm。在一个优选方面中，第一长度为约10mm并且第二不同长度为约85mm。
根据本公开的某些方面的这些交错切口区260的引入使得能够形成具有高强度和低抗树脂流动性因而更可锻和可塑的碳纤维聚合物复合材料。按照这种方式，具有不同长度的间断地切割的纤维可以成形并且遵循模制表面的轮廓。当碳纤维预浸渍复合前体材料随后被压缩模制时，其在压缩模制期间具有良好的流动性，例如，覆盖着20.25平方英寸的模制表面的4.5英寸乘以4.5英寸的预浸料坯堆被压缩模制以填充整个模具，该整个模具具有25平方英寸的表面。这相当于大约19％的基于表面扩张的流动。按照这种方式，碳纤维预浸渍复合前体材料避免了树脂与纤维的分离并且因此避免了翘曲或者使翘曲最小化，如下文进一步讨论的。因此，由本公开的碳纤维预浸渍复合前体材料形成的复合材料通过在模制过程期间避免弯曲部分周围的纤维变形而展现出未上漆面板的改进表面质量。此外，由发明性碳纤维预浸渍复合前体材料形成的复合材料不会经受机械性能的损失。
在某些方面中，本公开提供一种具有多个交错间断切口区的提供至少50％的模制覆盖范围的可塑碳纤维复合材料预浸料坯，其可以在小于7MPa的压缩模制下流动并且填充模制凹腔以便生产1.5mm的面板。
图15和图16示出了对比碳纤维预浸渍复合前体材料。图15示出了市场上可买到的具有未处理连续纤维的对比碳纤维预浸渍复合前体材料，作为具有环氧树脂基体的264预浸料坯由Cytec公司销售。图16示出了相同的市场上可买到的264预浸料坯碳纤维预浸渍复合前体材料，但其已经根据本公开的某些方面进行了处理，因而其具有限定出第一长度的碳纤维和第二不同长度的碳纤维的多个交错间断切口区，以便提高可塑性和流动性。如在图15中示出的，在130℃和200psi下进行压缩模制之后，市场上可买到的未处理碳纤维预浸料坯的流动性被设定为0％的标准。在根据本公开的某些方面制备的示例中，图16示出了约19％的流动性增加。
在压缩模制或者用于将预浸料坯形成复合材料部件的其它处理技术期间，如果树脂与碳纤维发生分离，则复合材料零件将会失效。例如，如果树脂和碳纤维在压缩模制期间没有均匀地流动，则框架区域中的扩张可以高于中心区域。因此，边缘上出现收缩并且导致三维变形和翘曲。例如，图17示出了由于碳纤维预浸材料的流动性不足而在边缘处不恰当地经受翘曲的模制复合材料。
在某些变型中，本公开的方法进一步包括：加热聚合物材料前体以便使其具有大于等于约10000厘泊(cP)至小于等于约100000cP的动态粘度，并且压缩模制碳纤维预浸渍复合前体材料以便固化聚合物材料前体并且以便形成碳纤维复合材料部件。碳纤维预浸渍复合前体材料被加热的温度取决于树脂/前体化学性质。对于264预浸料坯中的环氧基树脂，264预浸料坯的接收室温粘度为约10000000cP。因此，可以将264预浸料坯加热至大于等于约60℃至小于等于约80℃的温度，以便提供低于约100000cP、可选地小于等于约70000cP的粘度。如本领域的技术人员所理解的，温度可以取决于碳纤维预浸渍复合前体材料中的树脂化学性质发生变化；然而，目标粘度将是相同的。加热可以发生在引入到压缩模具中之前或者在将碳纤维预浸渍复合前体材料设置在模具中(经由加热模具)之后。该粘度水平确保了在对碳纤维预浸渍复合前体材料进行处理以形成复合材料时该碳纤维预浸渍复合前体材料的良好流动性水平。
在其它方面中，由具有多个交错间断切口区的可塑碳纤维预浸渍复合前体材料形成的碳纤维复合材料仍展现出超高强度，例如，大于等于约500MPa。在某些变型中，极限抗拉强度大于等于约600MPa、可选地大于等于约700MPa、可选地大于等于约800MPa、可选地大于等于约900MPa、可选地大于等于约1000MPa、可选地大于等于约1250MPa、并且在某些方面中可选地大于等于约1500MPa。
可塑碳纤维复合材料尤其适合于用在汽车或者其它车辆(例如，摩托车、船艇)的部件中，但也可以用在各种其它工业和应用中，包括：航空部件、工业设备和机械、农用设备、重型机械，当作非限制性示例。例如，根据本公开的具有改进可塑性的碳纤维复合材料可以用于形成具有轮廓鲜明的或者复杂的三维形状的汽车结构部件。非限制性示例包括：引擎盖、诸如铰链柱等柱子、面板(包括结构面板、门面板、以及门部件)、内部底板、浅盘形底板、车顶、外表面、底部挡板、车轮、储存区域(包括手套箱、控制台箱、行李箱、行李箱底板、车厢、灯罩、以及其它部件)、震动塔盖、控制臂以及其它悬吊系统、挤压壳、保险杠、结构横杆和框架、横向车梁、底架或者传动系部件等。
实施例的前述描述已被提供用于图示和描述的目的。其并不意在是详尽的或者限制本公开。特定实施例的单独的元件或者特征通常不限于该特定实施例，而是在适当情况下可互换或者可以用在选择实施例中，即使未具体地示出或者描述。其也可以按照许多方式发生变化。该变化不应被看作是背离本公开，并且所有这些修改均意在被包含在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种用于生产具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料的方法，所述方法包括：
使包括多个连续碳纤维和聚合物材料前体的碳纤维预浸渍复合前体材料的薄片与具有限定在其中的多个非连续交错切割器的图案化表面接触，从而所述接触在所述碳纤维预浸渍复合前体材料中创建出间断切口。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述间断切口是在所述碳纤维预浸渍复合前体材料的所述多个连续碳纤维中的多个交错间断切口区，以便限定出具有第一长度的第一多个碳纤维以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维。
3.根据权利要求2所述的方法，其中在所述接触之后，所述多个连续碳纤维包括：大于等于约40％至小于等于约60％的所述第一多个碳纤维、以及大于等于约40％至小于等于约60％的所述第二多个碳纤维。
4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一长度为大于等于约5mm至小于等于约15mm，并且所述第二不同长度为大于等于约20mm至小于等于约90mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个非连续交错切割器包括：第一切割器、第二切割器、第三切割器、以及第四切割器，其中所述第一切割器和所述第二切割器横向地在第一排上对齐，并且所述第三切割器和所述第四切割器横向地在从所述第一排上偏移的第二排上对齐。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案化表面在第一辊子上，并且所述接触是通过使所述薄片在所述第一辊子与具有平坦对立表面的第二辊子之间穿过而发生的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述图案化表面在第一板上，并且所述接触是通过将所述薄片放置在所述第一板与具有平坦对立表面的第二板之间并且对所述薄片施加压力而发生的。
8.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：加热所述聚合物材料前体以便使其具有大于等于约10000厘泊(cP)至小于等于约100000cP的动态粘度，并且压缩模制所述碳纤维预浸渍复合前体材料以便固化所述聚合物材料前体并且以便形成碳纤维复合材料部件。
9.一种具有增强可塑性的碳纤维预浸渍复合前体材料，其包括：
薄片，所述薄片包括多个连续碳纤维和聚合物材料前体，其中所述多个连续碳纤维具有多个交错间断切口区，所述多个交错间断切口区限定出具有第一长度的第一多个碳纤维以及具有第二不同长度的第二多个碳纤维。
10.一种包括由权利要求9所述的碳纤维预浸渍复合前体材料制成的碳纤维复合材料的汽车结构部件，其中所述碳纤维复合材料具有大于等于约500MPa的极限抗张强度，并且所述汽车结构部件选自由如下部件组成的组：引擎盖、柱子、面板、结构面板、门面板、门部件、内部底板、浅盘形底板、车顶、外表面、底部挡板、车轮部件、储存区域、手套箱、控制台箱、行李箱、行李箱底板、车厢、灯罩、震动塔盖、控制臂、悬架部件、挤压壳、保险杠、结构横杆、结构框架、横向车梁、底架部件、传动系部件、以及其组合。
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