CN107635736A - 直接由热固性复合薄片制备的预制件 - Google Patents

直接由热固性复合薄片制备的预制件 Download PDF

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Abstract

通过模塑由纤维和未固化的热固性树脂构成的复合薄片(16)制备预制件。使冷复合薄片形成为用于填充预制件工具(22)的空腔(26)的非聚结的薄片的流。非聚结的薄片流入预制件工具空腔(26)，形成非内聚性复合薄片的群体。然后加热非内聚性复合薄片以形成由内聚性复合薄片的加固群体构成的预制件，其中非内聚性薄片的非粘性未固化的热固性树脂已经转化为粘性未固化的热固性树脂。

Description

直接由热固性复合薄片制备的预制件
技术领域
本发明总地涉及使用由包含单向纤维的复合薄片(composite chips)和发粘热固性树脂基质构成的模塑材料进行压塑的领域。更特别地，本发明提供压塑法类型的替代物，其中复合薄片的固有粘着性用于形成模塑材料的自内聚性片材，将该片材切割和/或折叠，形成通常称为“预制件”的自内聚性自立体。通常，多个片材模塑材料层用于制备单个预制件。形状与所需部件最终形状匹配的预制件在压塑模具中固化，形成最终产品。
背景技术
预浸渍的复合材料(预浸料)广泛用于制造复合部件和结构体。预浸料是未固化的树脂基质和纤维增强材料的组合，其随时可成形和固化成最终复合部件。通过用树脂预浸渍纤维增强材料，制造商可以小心控制预浸渍到纤维网络中的树脂的量和场所，并确保树脂按照期望分布在网络中。
单向(UD)带是预浸料的常见形式。单向带中的纤维是彼此平行延伸的连续纤维。纤维的形式通常为众多单个纤维或单丝捆束，称为“丝束”。用小心控制量的未固化树脂浸渍单向纤维。通常将UD预浸料放在保护层之间形成最终UD带，将该带卷起以便储存或运输到生产设备。UD带的宽度通常为小于1英寸(2.5cm)至1英尺(30.5cm)或更大。
单向带不适宜用作利用压塑技术形成复杂三维结构体的模塑混配物。当迫使UD带去拟合复杂部件的形貌时，纤维在UD带中的平行取向和连续特性导致纤维聚束或桥联。因此，使用UD带制造复杂的三维部件受限于工艺费力，其中需将单个UD带的层直接施用于三维模具，然后将其在高压釜或其它模塑设备中加工。这种使用UD带的铺置过程往往是时间久且昂贵的工艺。
模塑混配物通常称为不连续纤维复合材料(DFC)模塑混配物的，已经发现其适合用于压塑复杂部件。一种类型的DFC模塑混配物由与热固性树脂基质组合的单个短切纤维的无规片段构成。无规取向的短切纤维更容易拟合复杂三维部件的形貌。但是，无规纤维在高压模塑过程中的运动是多样化的，对于每一模塑部件都无法预测，且对于一个给定的部件的不同形貌而言也是不同的。
另一种类型的DFC模塑混配物在本申请称为DFC片材模塑混配物，其将UD带和无规取向的短纤维的特性合并到单个模塑混配物中，该模塑混配物可以精确模塑并进行机器加工以形成多种多样的相对复杂的结构体。DFC片材模塑混配物由已经用发粘热固性树脂浸渍的单向带的无规取向片段或薄片构成。这种类型的准各向同性DFC片材模塑混配物首先用于制备多种航空航天部件。DFC片材模塑混配物也已经是用于制备高强度模具的常用模塑材料，所述高强度模具用于压塑复合部件。
DFC片材模塑混配物以商业名称购自Hexcel Corporation(Dublin，CA)。DFC片材模塑混配物以及已经使用片材模塑混配物制备的部件类型的实例描述于美国专利8366046；7,510,390；7,960,674以及公开的美国专利申请US2012-0040169-A1和US2013-0101406，其内容并入本申请以作参考。
DFC片材模塑混配物通常如下制备：将多丝丝束(纱线)彼此平行地铺置在适宜的背衬上，并用未固化的热固性树脂浸渍该平行丝束，形成UD预浸料。然后将UD预浸料短切形成UD薄片，其通常为2mm至25mm宽和25mm至125mm长。然后将UD薄片制成DFC片材模塑混配物，其形式为准各向同性取向的UD薄片的层。DFC片材模塑混配物的层的典型厚度为0.4mm至2mm。
DFC片材模塑混配物中未固化的热固性树脂的固有粘着性使其可以折叠并处理DFC片材模塑混配物的一个或多个层以形成复杂三维预制件，然后将该预制件压塑形成最终复合部件。现在使用DFC片材模塑混配物制备的部件类型已经扩展到除航空航天和模具制造行业之外的众多应用范围。通过压塑由DFC片材模塑混配物构成的预制件制备的部件现在可用于汽车、摩托车、自行车和众多其它应用。
发明内容
根据本发明发现，有用的预制件可以直接由UD预浸料的薄片制备，而不是非要遵循已接受的操作，即，由预先存在的DFC片材模塑混配物形成预制件。直接由UD预浸料薄片形成的预制件可提供优于使用DFC片材模塑混配物制备的预制件的多个优点。例如，将DFC片材模塑混配物的各部分切下并丢弃，以便于制备组合以形成三维预制件的二维图案。当根据本发明直接由UD预浸料的薄片制备预制件时，不会形成DFC片材模塑混配物的该废料。这在大规模生产的情况中(例如汽车制造)是一个重要考量。
本发明的另一个优点是，对于一些预制件来说可能必要的将DFC片材模塑混配物的各层叠放的步骤，通过根据本发明直接由UD预浸料的薄片形成整个模制件也可省略掉。另外，使用DFC片材模塑混配物制备的预制件的厚度取决于各片材模塑混配物的总厚度。因此，可以必须使用具有不同厚度的DFC片材模塑混配物的各种组合以便于实现所需的预制件厚度。当根据本发明直接由UD预浸料的薄片形成预制件时，无需使DFC片材模塑混配物的厚度匹配预制件的所需厚度。这对于形成包括复杂表面几何结构的预制件是特别有利的，因为所述几何结构需要通过频繁改变预制件厚度来形成。
本发明基于制备包括内聚性复合薄片的加固群体的预制件的方法，其中预制件包括至少一个外表面，该外表面在模塑预制件时形成复合部件的表面。该方法包括以下初始步骤：提供各自包括纤维和未固化的热固性树脂的非聚结的复合薄片，其中非聚结的复合薄片所处温度使得未固化的热固性树脂的粘着性足够低以防止所述复合薄片聚结。
作为本发明的一个技术特征，形成非聚结的复合薄片的流，并将其引导到包括壁的预制件工具，所述壁形成接收非聚结的复合薄片的流的空腔。非聚结的复合薄片在预制件工具空腔内形成非内聚性复合薄片的群体。预制件工具空腔的壁的至少之一限定预制件的外表面。
一旦用非内聚性复合薄片的群体填充预制件工具的空腔，则升高非内聚性复合薄片的温度以形成由内聚性复合薄片的加固群体构成的预制件，其中内聚性复合薄片各自包括纤维和未固化的热固性树脂。内聚性复合薄片的温度使得未固化的热固性树脂的粘着性足够高以引起内聚性复合薄片内聚，形成所述预制件。
根据本发明的下一步骤包括从预制件工具简单移走预制件。然后可以储存预制件以在稍后进行模塑，或者按与使用DFC片材模塑混配物制备的预制件相同的方式立即压塑。有利的是，根据本发明制备的预制件可以在不浪费任何模塑材料的情况下制备，并且不存在使用DFC片材模塑混配物制备的预制件中通常出现的内部层边界。当在面外测试时，发现内部层边界比DFC片材内的薄片之间的界面弱。而且，不存在也会影响部件性质的DFC片材模塑混配物的叠层。
当结合附图参阅以下具体实施方式将可更好地理解本发明的上述和很多其它特征以及随之产生的优势。
附图说明
图1是根据本发明的示例性方法的示意图。
图2是图1中所示的示例性方法制备的示例性预制件的顶视图。
图3是图2所示的示例性预制件的侧视图。
具体实施方式
本发明包括在用于直接由复合薄片形成预制件的方法中使用复合薄片。用作进料的复合薄片与通常用于制备DFC片材模塑混配物的UD薄片的类型相同或相似。这样的UD薄片包含UD纤维丝束和作为基质的未固化的热固性树脂。适用于制备DFC片材模塑混配物的任何UD薄片例如也可用作使用本发明方法直接制备成预制件的复合薄片。
示例性方法示于图1。初始步骤10包括制备非聚结的复合薄片16。非聚结的复合薄片16各自包括纤维和未固化的热固性树脂。非聚结的复合薄片16保持在某一温度，使得未固化的热固性树脂的粘着性足够低以防止复合薄片聚结。如在10所示，将通过撕开UD纤维的片材形成的多个平行的UD带12进料至切削装置14。UD带12的温度也足够低，使得未固化的树脂是不发粘的。切削装置14将不粘着的UD带12短切成多个非聚结的复合薄片16。只有温度保持等于或低于树脂的不粘着温度(Ttf)，非聚结的复合薄片16中的未固化的热固性树脂才能保持不粘着。将未固化的树脂加热至高于Ttf的温度导致未固化的树脂变得发粘并且导致薄片聚结。
优选的是，在短切形成非聚结的薄片的过程中，UD带12保持在低于Ttf的温度，以便消除与短切包含发粘树脂的带相关的问题。但是，如果期望，可以在高于Ttf的温度将带12短切成薄片，然后将薄片冷却至低于Ttf，以形成非聚结的复合薄片16。
用于制备UD带的纤维可以是通常与热固性树脂组合形成模塑混配物或预制件的任何纤维。例如，纤维可以是碳纤维，玻璃纤维，芳族聚酰胺纤维或陶瓷纤维。优选的纤维是在UD带12中单向排列的碳丝束。碳纤维丝束可商购，例如，以商业名称购自Hexcel Corporation(Dublin，CA)。以下是可用于制备UD带的示例性类型的AS2C 3K是3,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.200g/m，密度为1.80g/cm3；2)AS4 3K是3,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.210g/m，密度为1.79gm3；3)AS4 6K是6,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.427g/m，密度为1.79g/cm3；4)AS4碳12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.858g/m，密度为1.79gm3；5)AS4C 3K是3,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.200g/m，密度为1.78g/cm3；6)AS4C6K是6,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.400g/m，密度为1.78gm3；7)AS4C12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.800g/m，密度为1.80g/cm3；8)AS4D 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.765g/m，密度为1.79gm3；9)AS7 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.800g/m，密度为1.80g/cm3；10)IM2A 6K是6,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.223g/m，密度为1.78gm3；11)IM2A 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.446g/m，密度为1.78g/cm3；12)IM2C 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.446g/m，密度为1.78gm3；13)IM6 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.446g/m，密度为1.78g/cm3；14)IM7 6K是6,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.223g/m，密度为1.78gm3；15)IM7 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.446g/m，密度为1.78g/cm3；16)AS4D 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.446g/m，密度为1.79gm3；17)IM9 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.335g/m，密度为1.80g/cm3；16)IM10 12K是12,000根单丝碳纤维丝束，重量为0.224g/m，密度为1.79gm3。
本发明特别用于汽车行业，其中需要大量可重复性高的预制件。汽车应用的优选UD带纤维包括大的丝束纤维，例如包含30,000-50,000根单丝的那些。
非聚结的复合薄片16可以为2mm至2cm宽、0.02mm至0.5mm厚和1cm至10cm长。薄片16的尺寸将取决于预浸料中的所需薄片密度，预浸料的尺寸以及预浸料三维形状的复杂性。复合薄片16的形状优选为矩形。但是，根据将UD带短切的角度，其它形状也是可行的。对于在预浸料中较密集的薄片填装，优选较小的薄片。当制备具有复杂三维形状的预制件时，也优选较小的薄片尺寸。
虽然纤维的优选形式是UD带12，但是也可以使用其它纤维取向，以形成其中纤维不是单向的带。可能存在某些应用，其中机织纤维可以代替UD纤维来使用。对于其中耐冲击性重要的某些应用而言，这显示出一定益处。
UD带12中存在的未固化的树脂可以是与纤维组合形成模塑混配物或预制件的任何未固化的热固性树脂。未固化的树脂本身会引起复合薄片16的暴露表面在高于Ttf的温度发粘，在所述温度树脂表现出一定程度的粘着性，通常足以导致复合薄片16粘在一起或聚结。发粘程度与薄片用于形成DFC片材模塑混配物所需的程度相同。但是重要的是，薄片16的初始温度保持低于Ttf，以防止薄片的过早聚结。
虽然任何数量的本身发粘的未固化的热固性树脂都可以用于UD带，但是优选环氧树脂。发粘的未固化的热固性树脂包括一种或多种环氧树脂和环氧树脂的固化试剂。可以添加一种或多种树脂改性剂，条件是发粘的未固化的热固性树脂的粘着性不会减至内聚性预制件无法形成的程度。未固化的热固性树脂应该占UD带12和非聚结的复合薄片16的30至70重量％，其余的为UD纤维。在室温或稍低于室温发粘的任何可商购环氧树脂制剂优选用作未固化的热固性树脂。
示例性的环氧树脂包括通常用于制备预浸料的任何双官能和/或多官能环氧树脂。适宜的二官能环氧树脂的实例包括基于以下的那些：双酚F的二缩水甘油醚，双酚A的二缩水甘油醚(任选地溴代)，苯酚-甲醛加合物的缩水甘油醚，脂族二醇的缩水甘油醚，二缩水甘油醚，二乙二醇二缩水甘油醚，芳族环氧树脂，环氧化烯烃，溴代树脂，芳族缩水甘油胺，杂环缩水甘油酰亚胺和酰胺(glycidyl imidines and amides)，缩水甘油醚，氟代环氧树脂，或它们的任何组合。双官能环氧树脂优选选自双酚F的二缩水甘油醚，双酚A的二缩水甘油醚，二缩水甘油基二羟基萘，或它们的任何组合。例如，双酚F的二缩水甘油醚以商业名称Araldite GY281和GY285商购自Huntsman Advanced Materials(Brewster，NY)。双官能环氧树脂可以单独使用或与其它双官能环氧树脂或多官能环氧树脂以任何适当组合使用。
多官能环氧树脂通常是三官能的或四官能的。举例来说，适宜的三官能环氧树脂包括基于以下的那些：苯酚和甲酚酚醛环氧树脂；苯酚-甲醛加合物的缩水甘油醚；二脂族二醇的缩水甘油醚；二缩水甘油醚；二乙二醇二缩水甘油醚；芳族环氧树脂；二脂族三缩水甘油醚，脂族多缩水甘油醚；环氧化烯烃；溴代树脂；芳族缩水甘油胺；杂环缩水甘油酰亚胺和酰胺；缩水甘油醚；氟代环氧树脂，或它们的任何组合。
适宜的三官能环氧树脂包括基于以下的那些：苯酚和甲酚酚醛环氧树脂；苯酚-甲醛加合物的缩水甘油醚；芳族环氧树脂；二脂族三缩水甘油醚；脂族多缩水甘油醚；环氧化烯烃；溴代树脂，芳族缩水甘油胺和芳族缩水甘油醚；杂环缩水甘油酰亚胺和酰胺；缩水甘油醚；氟代环氧树脂，或它们的任何组合。示例性的三官能环氧树脂作为Araldite MY0500/0510或Araldite MY0600/0610商购自Huntsman Advanced Materials(Monthey，Switzerland)，和以商业名称ELM-120商购自Sumitomo Chemical Co.(Osaka，Japan)。
适宜的四官能环氧树脂的实例包括N,N,N',N'-四缩水甘油基-4,4'-二氨基二苯基甲烷(TGDDM)，其作为Araldite MY720和MY721商购自Huntsman Advanced Materials(Monthey，Switzerland)，或作为ELM 434商购自Sumitomo。
与未固化的环氧树脂一起包括在热固性树脂内以形成发粘的未固化的热固性树脂的固化试剂可以是通常用于固化环氧树脂的任何固化试剂或固化试剂组合。本申请使用的固化试剂包括固化剂和促进剂两者。
示例性的固化剂包括多羧酸酐，例如纳迪克酸酐(NA)，甲基纳迪克酸酐(MNA-购自Aldrich)，邻苯二甲酸酐，四氢邻苯二甲酸酐，六氢邻苯二甲酸酐(HHPA-购自Anhydridesand Chemicals Inc.，Newark，N.J.)，甲基四氢邻苯二甲酸酐(MTHPA-购自Anhydrides andChemicals Inc.)，甲基六氢邻苯二甲酸酐(MHHPA-购自Anhydrides and ChemicalsInc.)，内亚甲基四氢邻苯二甲酸酐，六氯内亚甲基-四氢邻苯二甲酸酐(ChlorenticAnhydride-购自Velsicol Chemical Corporation，Rosemont，Ill.)，偏苯三甲酸酐，均苯四甲酸二酐，马来酸酐(MA-购自Aldrich)，琥珀酸酐(SA)，壬烯基琥珀酸酐，十二碳烯琥珀酸酐(DDSA-购自Anhydrides and Chemicals Inc.)，聚癸二酸酐，和聚壬二酸酐。
其它适宜的固化剂是胺类，包括芳族胺，例如，1,3-二氨基苯，1,4-二氨基苯，4,4'-二氨基-二苯基甲烷，和多氨基砜，例如4,4'-二氨基二苯基砜(4,4'-DDS-购自Huntsman)，4-氨基苯基砜，和3,3'-二氨基二苯基砜(3,3'-DDS)。
同样，适宜的固化剂可以包括多元醇，例如乙二醇(EG-购自Aldrich)，聚(丙二醇)，和聚(乙烯醇)；和酚醛树脂，例如平均分子量为约550-650的苯酚-甲醛树脂，平均分子量为约600-700的对叔丁基苯酚-甲醛树脂，和平均分子量为约1200-1400的对正辛基苯酚-甲醛树脂，这些分别作为HRJ 2210、HRJ-2255、和SP-1068购自Schenectady Chemicals，Inc.，Schenectady，N.Y.)。关于酚醛树脂，也可以使用CTU胍胺和分子量为398的酚醛树脂的组合，其可作为CG-125购自Ajinomoto USA Inc.(Teaneck，N.J.)。
从不同来源商购的组合物可以作为固化剂存在于发粘的未固化的热固性树脂中。一种这样的组合物是AH-154，双氰胺类型制剂，购自Ajinomoto USA Inc。其它适宜的组合物包括：Ancamide 400，其为聚酰胺、二乙基三胺、和三亚乙基四胺的混合物；Ancamide506，其为酰胺基胺、咪唑啉、和四亚乙基五胺的混合物；和Ancamide 1284，其为4,4′-亚甲基二苯胺和1,3-苯二胺的混合物；这些制剂购自Pacific Anchor Chemical，PerformanceChemical Division，Air Products and Chemicals，Inc.，Allentown，Pa。
另外适宜的固化剂包括购自Sigma Aldrich(St.Louis，Missouri)的咪唑(1,3-二氮杂-2,4-环戊二烯)，购自Sigma Aldrich的2-乙基-4-甲基咪唑，和购自Air Products&Chemicals，Inc的三氟化硼胺络合物，例如Anchor 1170。
再另外适宜的固化剂包括：3,9-二(3-氨基丙基-2,4,8,10-四氧杂螺[5.5]十一烷，其作为ATU商购自Ajinomoto USA Inc.；以及脂族二酰肼，其作为Ajicure UDH商购，也购自Ajinomoto USA Inc.；和巯基封端的多硫化物，其作为LP540商购自MortonInternational，Inc.，Chicago，Ill。
可以作为固化试剂的一部分存在于发粘的未固化的热固性树脂中的示例性促进剂包括通常用作促进剂的任何urone化合物，例如N,N-二甲基,N’-3,4-二氯苯基脲(Diuron)，N’-3-氯苯基脲(Monuron)，和N,N-(4-甲基-间-亚苯基二[N’,N’-二甲基脲](例如购自Degussa的Dyhard UR500)。
改性剂可以存在于发粘的未固化的热固性树脂中。示例性的改性剂包括用于增韧环氧树脂的热塑性材料。这样的热塑性材料可以溶解于环氧树脂，例如聚醚砜或聚醚酰亚胺。不溶性热塑性颗粒例如聚酰胺、聚酰胺酰亚胺和聚氨酯也可以作物改性剂存在。
可以存在于发粘的未固化的热固性树脂中的另外的示例性改性剂包括软化剂，核壳橡胶，阻燃剂，润湿剂，颜料/染料，UV吸收剂，抗菌化合物，填料，导电粒子，和粘度改性剂。适宜的填料包括，例如，单独或组合使用的以下填料中的任一种：硅石，氧化铝，二氧化钛，玻璃，碳酸钙和氧化钙。限制改性剂的量和类型，使得发粘的未固化的热固性树脂固有的发粘性质不会消除或显著降低。
对于通常涉及高容量的汽车应用，优选相对快速固化的环氧树脂。这样的树脂通常包括双酚A或双酚F环氧树脂作为主要成分，双氰胺用作主要固化试剂。
非聚结的复合薄片16的表面所表现出的粘着性可以通过升高未固化的热固性树脂的温度来增大。升高薄片温度对薄片的表面粘着性具有直接影响。复合薄片的表面在较高温度表现出较高程度的粘着性，且当保持在较低温度时往往表现出较小的粘着性。复合薄片16保持在初始温度Ti，其中复合薄片的表面是基本上发粘的，使得当复合薄片16彼此接触时不会聚结。对于特定的未固化热固性树脂确定其适宜的Ti的初步试验可以如下完成：在所选的Ti将复合薄片16的群体放进袋中，将其振荡几(5-10)秒钟。如果形成薄片的大量聚结物，则表面将表现出过大的粘着性。降低Ti，直到在振荡试验过程中仅有少量(小于5重量％)的薄片形成聚结物。
在短切和处理过程中可以对复合薄片16进行一定程度的加热。如果必要，将非聚结的薄片16在冷却区域18中冷却，以确保它们保持等于或低于给定热固性树脂的不发粘温度Ttf。在Ttf，可以使发粘的复合薄片16形成为非聚结的复合薄片的流。Ttf可以如下初步确定：将冷却的复合薄片群体放进袋中并将其振荡几秒钟。如果形成薄片的任何聚结物，则薄片不够冷，还并未实现非聚结和达到Ttf。当冷却的发粘复合薄片在袋中一起振荡几秒钟(5-10秒)后仍无法聚结(形成小于5重量％的聚结物)，则达到Ttf。优选的是，使复合薄片16的温度Ti保持在低于Ttf几度，以便于确保薄片未聚结。该温度也不应过低，使得未固化的热固性树脂变成粉末。对于很多环氧树脂，Ttf将在0℃至25℃的范围内变化。
作为一个实例，包括双酚A的二缩水甘油醚作为环氧树脂和包括双氰胺作为固化剂的复合薄片在10℃至20℃的Ti形成，从而得到非聚结的复合薄片16，其比特定未固化的环氧树脂的Ttf低至少几度。如果必要，将薄片16在冷却区域18中冷却，使复合薄片16的温度保持在10℃至20℃的Ti，从而确保复合薄片16保持非聚结。优选的是，未固化的树脂的Ttf等于或接近于室温(15℃至25℃)，以便通常保持薄片冷藏而无需耗费能量。优选的是，复合薄片16在形成之后立即使用。但是，薄片16可以在使用前储存相对较短的时间段(例如少于24小时)，条件是温度保持等于或低于Ttf。
非聚结的复合薄片从冷却区域18穿过进入漏斗20，在那里它们形成非聚结的复合薄片的流。通过漏斗20将该流引导进位于填充位置A的预制件工具22。除漏斗之外的机构可以用于将非聚结的薄片的流引导进预制件工具22中。当薄片16穿过漏斗20时，薄片16可以无规取向。漏斗20可以包括叶片或其它内部结构，当薄片16穿过漏斗20时，所述叶片或其它内部结构使薄片16取向或对齐成所需配置。
如箭头24所指示，该方法往往是大规模生产方法，其中将多个预制件工具(例如22a和22b)铺衬以在填充位置A用非聚结的复合薄片进行填充。可以使用多个填充位置A，使得预制件工具22可以填充有多于一种类型的非聚结的复合薄片。当制备具有复杂性能要求的复杂预制件时，使用多个填充位置以形成在预制件内包含在不同位置和/或取向的多种类型复合薄片的预制件的能力是有利的。
预制件工具包括由内壁28和底表面30形成的空腔26。壁28和底表面30限定且最终形成最终预制件的外表面。非聚结的复合薄片的流用于填充空腔26并形成非内聚性复合薄片的群体32。优选的是，预制件工具22由振荡器平台34振荡，从而有助于使非聚结的复合薄片在空腔26中沉淀和填装，以便于控制非内聚性复合薄片的分布和无规取向。优选地，将预制件工具振荡足够的量以制备尽可能均匀的预制件上表面。可以将真空施加于空腔26，从而也有助于控制和/或最大化非聚结的复合薄片在空腔26内的分布。使用秤盘(未显示)进行测量和控制引入空腔的非聚结的复合薄片的重量。一旦非聚结的复合薄片在空腔内，则其形成非内聚性复合薄片的群体。使用标尺确保相同量的薄片被引入到各空腔中，由此确保形成具有均匀尺寸的预制件。
填充的预制件工具22c、22d和22e分别填充有非内聚性复合薄片32c、32d和32e的群体，使所述预制件工具穿过加固位置B。在将预制件工具从填充位置A转移至加固位置B的过程中或当预制件工具处于位置B时，优选使预制件工具升温至室温。室温必须高于复合薄片的Ttf，以使不发粘的复合薄片变得发粘或粘性。事实上，将存在于非聚结的复合薄片中的不发粘的未固化的热固性树脂转化成粘性未固化的热固性树脂。粘性未固化的热固性树脂如下形成：增大存在于非内聚性复合薄片的群体32c、32d和32e中的非粘性未固化的热固性树脂的温度和固有粘性。在加固位置B，非内聚性复合薄片的群体由压实和加固装置36通过使用热以及真空或压力形成，以在尽可能少的时间内(例如几秒钟)形成预制件。预制件由内聚性复合薄片的加固群体构成。
优选的是，特定复合薄片的Ttf接近于室温，以便减少保持UD带12和复合薄片16足够冷以形成复合薄片的非聚结的流所需的能量。对于任何给定类型的复合薄片优选的是，首先如上讨论测试薄片，以确保薄片在该方法所进行的室温温度(例如20℃)聚结。这确保方法所进行的室温对于形成预制件是可接受的。然后在越来越低的温度测试薄片，以确定发粘的复合薄片变为非聚结的复合薄片时的温度Ttf。该Ttf用作优选的Ti，因为其需要最少量的冷却以确定否则会发粘的复合薄片是非聚结的复合薄片。室温和优选Ttf之差优选为约1℃至10℃。应该注意，Ttf是如上所述确定的复合薄片的固有性质，而Ti是所选温度，在该温度形成复合薄片并将其引入到预制件中。Ti必须等于或低于Ttf。
用于形成预制件的压实和加固装置36是典型的低压或真空模具装置，其用于将片材模塑混配物形成为预制件而无需固化粘性未固化的热固性树脂。预制件工具22形成装置36的底部，而顶部通过可重复使用的真空袋装置形成，所述真空袋装置密封于预制件工具或施加压力于发粘复合薄片顶部的活塞。另一个选择是使用硬壳作为顶部，其通过囊状物或液压密封。通常，在加固形成预制件的过程中，将真空或5至15psi的等同压力施加于空腔。
如果期望，当存在于压实和加固装置36中时，预制件可以是“B阶段的”。B阶段是已知的部分固化过程，其包括在环境压力将预制件加热至例如165℃至180℃的温度并保持正好的时间，以显著增加粘性未固化的热固性树脂的粘度。在B阶段温度，示例性的B阶段时间为约5至15分钟。在将B阶段的预制件从压实和加固装置36移走之前或之后将其冷却至室温。
压实和加固装置36的表面以及预制件工具28和30的表面通常无需用脱模剂处理。但是，如果期望，可以用脱模剂处理这些表面，以确保预制件没有粘附于这些表面。通常用在预制件工具或模具表面上的任何脱模剂是适宜的。示例性的脱模剂包括基于有机硅的脱模剂和基于水的脱模剂。涂覆有聚四氟乙烯或可重复使用的离型膜的工具表面也是适宜的。
在压实和加固装置36中形成之后，将预制件32f从预制件工具22f移走。可以将预制件32f转移用于立即模塑以形成最终部件，或可以将其储存以在稍后用于模塑。如由箭头38所示，使排空的预制件工具22g重返填充位置A以便再填充和再利用，从而形成另外的预制件。
预制件32f的模塑按与包含纤维和未固化的热固性树脂的任何预制件相同的模塑方式完成。用于模塑包含DFC片材模塑混配物的预制件的任何模塑方法可以用于模塑预制件32f。优选的是，将预制件32f根据用于DFC片材模塑混配物的已知压塑过程进行压塑。例如，将预制件放进通常由两半模具构成的模具中，所述模具形成匹配预制件形状的空腔。当处于模具中时，将预制件加热至粘性未固化的热固性树脂的固化温度，并在高压模塑，以形成最终部件。环氧树脂的典型高压固化温度为120℃至225℃。优选的固化温度为120℃至205℃。在固化温度，模具内的内压优选高于500psi且低于2000psi。一旦预浸料已经完全固化(在固化温度通常为5分钟至1小时)，则将部件从模具中移走并冷却以形成最终部件。
上述示例性方法利用温度将非内聚性复合薄片的群体转化为由内聚性复合薄片的加固群体构成的预制件。在这种基于热的方法中，必要的是，存在于非聚结的复合薄片中的未固化的热固性树脂当移动至加固位置B时能够从在Ti(优选稍低于室温)所表现的不发粘进展至当加热至室温(高于Ttf)表现为发粘。无法满足该标准的热固性树脂不适用于本发明的该优选实施方式。
示例性预制件32f的底视图显示于图2，侧视图显示于图3。预制件32f包括在压实和加固过程中形成的上表面40。预制件32f也具有一个侧表面42，其由预制件工具的壁28限定和形成。预制件32f还包括由预制件工具的底表面形成的底表面44。底表面44是波状形的，以形成三个片段46、48和50。预制件32f在片段46和上表面40之间的厚度为“T”。预制件32f在片段48和上表面40之间的厚度等于T+3/8×T。预制件32f在片段50和上表面40之间的厚度等于T+3/8×T+5/8×T。
具有波状形表面的预制件如32f可以使用DFC片材模塑混配物制备。DFC片材模塑混配物可以用作单个铺层或多个铺层，以形成厚度为T的预制件的片段。但是，在形成预制件中厚度T逐级增加的其它片段时，可以考虑使用具有不同厚度且必须一个挨一个铺叠的其它DFC片材模塑混配物。本发明避免了与使用DFC片材模塑混配物以形成波状形表面如底表面44相关的问题，因为复合薄片用于直接填充预制件空腔而不是形成然后必须铺叠并形成为预制件的片材模塑混配物。
而且，如果待模塑部件的片段比DFC片材模塑混配物薄，则必须在模塑过程中将DFC片材模塑混配物压制，以使其流动形成较薄的部件。这种类型的在模塑过程中的材料流动可能对部件的机械性质具有不利影响，往往会增加部件间的性质变动。本发明避免了该问题，因为非聚结的薄片可以直接形成为非常薄的预制件片段，远比DFC模塑混配物的片材厚度薄。根据本发明制备的部件的厚度仅由各个薄片的厚度限定。
因此基于本发明的所述示例性实施方式，本领域技术人员应该注意到公开内容仅为示例性的，可以在本发明的范围内进行各种其它替代、改编和修改。因此，本发明不限于上述实施方式，而是仅由所附权利要求限定。

Claims (20)

1.制备包括内聚性复合薄片的加固群体的预制件的方法，其中所述预制件包括外表面，当模塑所述预制件时，该外表面形成复合部件的表面，所述方法包括以下步骤：
提供非聚结的复合薄片，所述非聚结的复合薄片各自包含纤维和未固化的热固性树脂，其中所述非聚结的复合薄片所处温度使得所述未固化的热固性树脂的粘着性足够低以防止所述非聚结的复合薄片聚结；
形成包含所述非聚结的复合薄片的流；
提供预制件工具，其包括形成用于接收所述非聚结的复合薄片的流的空腔的壁，其中所述壁的至少之一限定所述预制件的外表面；
将所述非聚结的复合薄片的流引导到所述预制件工具，以便于用非内聚性复合薄片的群体填充所述空腔；
升高所述非内聚性复合薄片的群体的温度，以形成包括内聚性复合薄片的加固群体的所述预制件，其中所述内聚性复合薄片各自包含所示纤维和所述未固化的热固性树脂，其中所述内聚性复合薄片所处温度使得所述未固化的热固性树脂的粘着性足够高以引起所述内聚性复合薄片内聚，形成所述预制件；和
从所述预制件工具移走所述预制件。
2.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中所述非聚结的复合薄片中的所述纤维是单向的。
3.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中所述非聚结的复合薄片的长度为1cm至10cm，宽度为2mm至2cm，和厚度为0.02mm至0.50mm。
4.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中所述非聚结的复合薄片的形状为矩形。
5.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中所述未固化的热固性树脂包括环氧树脂。
6.根据权利要求5的制备预制件的方法，其中所述非聚结的复合薄片所处温度为0℃至25℃。
7.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中所述非聚结的复合薄片所处温度为10℃至20℃。
8.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中在用所述非内聚性复合薄片的群体填充所述空腔的过程中，振荡所述预制件工具。
9.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中在填充所述空腔的过程中称重所述非内聚性复合薄片的群体。
10.根据权利要求9的制备预制件的方法，其中在用所述非聚结的复合薄片填充所述空腔的过程中，振荡所述预制件工具。
11.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中在用所述非聚结的复合薄片填充所述空腔的过程中将真空施加于所述预制件工具中的空腔，形成所述非内聚性薄片的群体。
12.根据权利要求8的制备预制件的方法，其中在用所述非聚结的复合薄片填充所述空腔的过程中将真空施加于所述预制件工具中的空腔，形成所述非内聚性薄片的群体。
13.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中在形成所述预制件的步骤过程中将真空施加于所述预制件工具中的空腔。
14.根据权利要求8的制备预制件的方法，其中在形成所述预制件的步骤过程中将真空施加于所述预制件工具中的空腔。
15.根据权利要求1的制备预制件的方法，其中所述预制件的外表面是波状形的，使得所述预制件的第一部分比其第二部分厚。
16.制备复合部件的方法，包括以下步骤：提供根据权利要求1制备的预制件，和固化所述未固化的热固性树脂，形成所述复合部件。
17.根据权利要求1的方法制备的预制件。
18.根据权利要求15的方法制备的预制件。
19.通过模塑根据权利要求1制备的预制件制备的复合部件。
20.通过模塑根据权利要求15制备的预制件制备的复合部件。
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