CN107866985A - 用可模制碳纤维模制的部件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

在各个方面，本公开提供了一种结构部件。该结构部件包括限定至少一个中空区域的主体。该主体包括碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料包括多个基本对齐的连续碳纤维。多个基本对齐的碳纤维限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线。多个基本对齐的连续碳纤维包括相对于第二轴线交错的多个离散终止点。还提供了通过吹塑模制和压缩模制制造这种结构部件的方法。

Description

用可模制碳纤维模制的部件及其制造方法

技术领域

本发明涉及高强度碳纤维复合材料部件及其制造方法。

背景技术

本节提供与本公开相关的背景信息，其不一定是现有技术。

碳纤维用作轻质增强相以制备高强度轻质聚合物复合材料。碳纤维可以是长度为千微米(μm)或毫米(mm)的连续长丝。一组连续碳纤维通常被分类为一束连续的碳纤维长丝。碳纤维“丝束”通常被表示为数千个长丝(在相应的丝束号之后由K表示)。或者，可以将碳纤维束切碎或研磨，从而形成通常具有50μm(大约0.002英寸)至50mm(大约1.97英寸)的平均纤维长度的短纤维碳纤维(长丝或束)。虽然掺有碳纤维的复合材料都是轻质和高强度的，但是与掺有切碎或研磨的碳纤维的复合材料相比，掺有连续碳纤维长丝的复合材料具有特别高的强度。通过非限制性示例的方式，当掺入到复合材料中时，代表性单向连续碳纤维长丝提供大约1,500至2,000MPa的超高极限抗拉强度，而具有切碎的碳纤维的复合材料具有大约200至350MPa的极限抗拉强度。

复合制品或部件可以通过使用增强材料的片材或带材形成，诸如具有连续碳纤维的碳纤维基材料。聚合物前体，诸如树脂，可以浸渍在碳纤维基基材系统中，已知为预浸渍(称为“预浸料”)，其涉及在第一步骤中将树脂浸润入碳纤维基基材中，然后任选地卷起碳纤维基基材，并将其储存以供后续使用。

虽然在某些应用中与碳纤维复合材料相关的超高强度是非常需要的，但是使用连续碳纤维复合预浸料时的一个挑战是缺乏可流动性和可成形性，因为掺有连续碳纤维的复合预浸料可能太硬、耐流动性高。这种不灵活性和刚性可以转化为差的可模制性，使得难以从具有连续碳纤维的复合材料形成三维形状。此外，预浸料中的流动性的缺乏可能导致最终复合产品的翘曲并造成不希望的表面外观。需要形成具有较高流动性的连续碳纤维预浸料，因此具有更大的可模制性，并且具有容易地形成具有超高强度的复杂且三维成形的部件的能力。

发明内容

本节提供了本公开的总体概述，并且不全面地公开其全部范围或其全部特征。

在各个方面，本公开提供了一种结构部件。结构部件包括限定至少一个中空区域的主体。主体包括碳纤维复合材料，碳纤维复合材料包括多个基本对齐的连续碳纤维。多个基本对齐的碳纤维限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线。多个基本对齐的连续碳纤维包括相对于第二轴线交错的多个离散终止点。

在某些变型中，多个连续碳纤维还包括具有第一不同长度的第一多个碳纤维和具有第二不同长度的第二多个碳纤维。在某些其它变型中，多个连续碳纤维包括长度大于或等于大约2英寸的一个或多个连续碳纤维。一个或多个连续碳纤维可以包括多个离散弱区域。多个弱区域的极限抗拉强度比连续碳纤维的其余部分的强度小至少50％。碳纤维复合材料具有大于或等于大约500MPa的极限抗拉强度。

在某些变型中，结构部件选自由发动机罩、支柱、面板、结构面板、门板、门部件、内部地板、底板、车顶、外表面、车底罩、车轮部件、存储区域、手套箱、控制箱、行李箱、行李箱底板、车箱、灯袋、冲击塔盖、控制臂、悬架部件、挤压罐、缓冲器、结构前轨、结构框架、汽车横梁、起落架部件、传动系部件及其组合组成的群组。

在其它方面，本公开提供了一种生产结构部件的方法。该方法包括通过将一块第一碳前体材料放置在两块第二碳纤维前体材料之间来产生模制材料。第一碳纤维前体材料和第二碳纤维前体材料彼此不同。第一碳纤维前体材料或第二碳纤维前体材料中的至少一种包括可模制碳纤维前体材料。可模制碳纤维前体材料包括限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线的多个基本对齐的连续碳纤维。多个基本对齐的连续碳纤维包括相对于第二轴线交错的多个离散终止点。该方法包括将模制材料压缩模制以形成结构部件。

在某些变型中，第一碳纤维前体材料或第二碳纤维材料中的另一个包括多个连续碳纤维。碳纤维复合材料具有大于或等于大约650MPa的极限抗拉强度。

在某些变型中，可模制碳纤维前体材料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的不连续切割区域，其限定具有第一长度的第一多个碳纤维和具有第二不同长度的第二多个碳纤维。在其它变型中，可模制碳纤维前体材料包括长度大于或等于大约2英寸的一个或多个连续碳纤维。一个或多个连续碳纤维可以包括多个离散弱区域。多个弱区域可以具有比其余的连续碳纤维的强度小至少50％的极限抗拉强度。碳纤维复合材料具有大于或等于大约500MPa的极限抗拉强度。

在某些变型中，基于可模制碳纤维前体材料的表面积扩展的百分比流量大于或等于大约10％。

在其它方面，本公开提供了一种生产具有至少一个内部空腔的结构部件的方法。该方法包括将成型坯放置在模具中。成型坯包括围绕心轴设置的可模制碳纤维前体材料。可模制碳纤维前体材料包括限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线的多个基本对齐的连续碳纤维。多个基本对齐的连续碳纤维包括相对于第二轴线交错的多个离散终止点。该方法包括吹塑模制成型坯以产生结构部件。该方法还包括交联或固化聚合物前体以形成结构部件。

在某些变型中，可模制碳纤维前体材料在吹塑模制期间相对于其初始表面积延伸大于或等于大约10％。在某些变型中，可模制碳纤维前体材料在吹塑模制期间相对于其初始表面积延伸大于或等于大约10％。

在某些变型中，该方法包括将可模制碳纤维前体材料包裹在心轴周围，使心轴的外表面的至少一部分设置在可模制碳纤维前体材料的内部。在某些其他变型中，该方法包括将包括涂覆在聚合物前体中的可模制碳纤维的长丝缠绕在心轴的外表面上以形成成型坯。

在某些变型中，该方法包括将模具加热至大于或等于大约50℃且小于或等于大约200℃的温度。在某些变型中，该方法包括在大约120℃和大约7MPa下将流体注入到心轴的空腔中。流体任选地选自由水、空气和油组成的群组。

在某些变型中，心轴包括聚合物材料。聚合物材料选自由聚乙烯((C₂H₄)_n)、聚丙烯((C₃H₆)_n)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(“PET”)((C₁₀H₈O₄)_n)、尼龙和形状记忆环氧树脂组成的群组。在某些变型中，心轴包括形状记忆环氧树脂。在某些变型中，该方法包括将心轴加热至大于或等于大约150℃且小于或等于大约200℃，并且在吹塑模制之后从结构部件中移除心轴。

在某些变型中，结构部件具有大于或等于大约500MPa的极限抗拉强度。

根据本文提供的描述，其他适用范围将变得显而易见。本发明内容的描述和具体实施例仅仅是为了说明的目的，并不意图限制本公开的范围。

附图说明

这里描述的附图仅用于所选择的实施例的说明性目的，而不是所有可能的实现，并不意图限制本公开的范围。

图1A-1C涉及具有至少一个弱区域的碳纤维；图1A示出了具有至少一个弱区域的碳纤维；图1B示出了具有散布在其中的多个离散的、不连续的相对较弱的区域或断点的可模制碳纤维预浸复合材料前体材料的示意图；图1C是包括具有至少一个弱区域的多个碳纤维的织物的图像；

图2示出了具有切割表面图案的碳纤维预浸复合材料前体材料的示意图；

图3A-3C显示了根据本公开的某些方面从可模制连续碳纤维前体材料形成结构部件的方法；图3A示出了在吹塑模制过程中使用的成型坯的横截面；图3B-3C示出了示例性吹塑模制制造过程的横截面；

图4A-4B示出了根据本技术的一个方面形成的中空体部件的示例；图4A示出了根据本技术的一个方面制造的代表性汽车摇杆导轨的前视图；图4B示出了代表性汽车摇杆导轨的透视图；

图5A-5B示出了压缩模制制造过程的示例；图5A示出了具有模制材料的压缩模具的两部分，其包括设置在一侧的可模制碳纤维前体材料；图5B示出了连接在一起用于压缩模制的两个模具；

图6示出了根据本公开的一个方面的模制料的透视图；

图7示出了根据本技术的一个方面的代表性汽车门的透视图；

图8示出了根据本公开的一个方面制造的代表性汽车A支柱的透视图；

图9示出了根据本公开的一个方面制造的代表性汽车B支柱的透视图；以及

图10示出了根据本技术的一个方面的代表性汽车发动机罩板的透视图。

在附图的几个视图中，相应的附图标记表示相应的部分。

具体实施方式

提供了示例性实施例，使得本公开将是彻底的，并且将向本领域技术人员充分传达范围。阐述许多具体细节，诸如特定组合物、部件、设备和方法的示例，以提供对本公开的实施例的透彻理解。对于本领域技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，该示例性实施例可以以许多不同的形式实施，并且不应被解释为限制本公开的范围。在一些示例性实施例中，不详细描述公知的过程、公知的设备结构和公知的技术。

本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也可以包括复数形式，除非上下文另有明确指示。术语“包含”、“包括”、“含有”和“具有”是包含性的，因此指定所述特征部、元件、组成、步骤、整体、操作和/或部件的存在，但不排除存在或添加一个或多个其他特征部、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。虽然开放式术语“包含”应被理解为用于描述和保护本文阐述的各种实施例的非限制性术语，但是在某些方面，该术语反而可以替代地被理解为更具限制性和制大约性的术语，诸如“由...组成”或“基本由...组成”。因此，对于引用组合物、材料、部件、元件、特征部、整体、操作和/或工艺步骤的任何给定实施例，本公开还具体包括由或基本由这样引用的组合物、材料、部件、元件、特征部、整体、操作和/或工艺步骤组成的实施例。在“由...组成”的情况下，替代实施例排除了任何附加的组合物、材料、部件、元件、特征部、整体、操作和/或方法步骤，而在“基本由...组成”的情况下，这样的实施例中不包括任何附加的组合物、材料、部件、元件、特征部、整体、操作和/或工艺步骤，但是实质上不影响基本和新颖特征部的组合物、材料、部件、元件、特征部、整体、操作和/或工艺步骤可以包括在该实施例中。

本文所描述的任何方法步骤、过程和操作不应被解释为必须要求它们以所讨论或示出的特定顺序执行，除非被特别地标识为性能顺序。还应当理解，除非另有说明，否则可以采用附加的或替代的步骤。

当部件、元件或层涉及“在...上”、“接合到”、“连接到”或“联接到”另一个元件或层时，其可以直接在...上、接合、连接或联接到另一个部件、元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件涉及“直接在...上”、“直接接合到”、“直接连接到”或“直接联接到”另一个元件或层时，可以不存在中间元件或层。用于描述元件之间关系的其他单词应该以类似的方式来解释(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“相邻”与“直接相邻”)等。在本文中所中所有使用的术语“和/或”包括一种或多种有关的所列项目的任何和所有组合。

尽管这里可以使用术语第一、第二、第三等来描述各种步骤、元件、部件、区域、层和/或部分，但是这些步骤、元件、部件、区域、层和/或部分应该应当不受这些术语的限制，除非另有说明。这些术语可能仅用于将一个步骤、元件、部件、区域、层或部分与另一个步骤、元件、部件、区域、图层或部分区分开来。诸如“第一”、“第二”等术语在本文中使用时并不意味着序列或顺序，除非上下文清楚地表示。因此，下面讨论的第一步骤、元件、部件、区域、层或部分可以被称为第二步骤、元件、部件、区域、层或部分，而不脱离示例性实施例的教导。

空间或时间上的相对术语，诸如“在...之前”、“在...之后”、“内在...部”、“在...外部”、“在...下面”、“在...下方”、“在...下部”、“在...上方”、“在...上部”等可以在本文中用于描述一个元件或特征部与另一个或多个元件或特征部的关系，如图所示。除了附图中所示的取向之外，空间或时间上的相对术语可以旨在包括在使用或操作中的装置或系统的不同取向。

在整个本公开中，数值表示对包括与给定值的微小偏差的范围的近似测量或限制，以及具有所提及的值以及确实具有所提及的值的那些实施例。除了在详细描述结尾提供的实施例中，在本说明书中包括所附权利要求的参数(例如数量或条件)的所有数值都被理解为在所有情况下均被术语“大约”修饰，不论“大约”是否实际出现在数值之前。“大约”表示所述的数值允许稍许不精确性(有一些方法来确定价值的准确性；近似地或相当地接近精确值；几乎)。如果由“大约”提供的不精确性在本领域中没有以这个普通含义来理解，那么本文所用的“大约”至少指示可以通过测量和使用这些参数的普通方法产生的变化。例如，“大约”可以包括小于或等于5％、任选地小于或等于4％、任选地小于或等于3％、任选地小于或等于2％、任选地小于或等于1％、任选地小于或等于0.5％的变型，并且在某些方面，任选地小于或等于0.1％。

此外，范围的公开包括在整个范围内的所有值和进一步的分割范围的公开，包括为范围给出的端点和子范围。

现在将参考附图更全面地描述示例性实施例。

碳纤维增强聚合复合材料(CFRP)包括固化和/或固体化以形成其中分布有多个碳纤维作为增强相的聚合物基体的树脂。如上所述，CFRP通常由预浸料制成，其中将碳纤维束用于浸渍有未固化或部分固化的树脂的片材中。部件或零件可以通过使用要放置在心轴上或放置在模具中的预浸料来形成，然后将其稳固化和固化/反应以形成最终部件。

如上所述，掺入连续碳纤维束的聚合物复合材料是高强度和轻质的；然而，它们通常难以制成复杂的三维形状部件。在各个方面，本公开内容涉及碳纤维复合材料前体材料的处理，所述碳纤维复合材料前体材料包括连续碳纤维束，其在某些方面在处理前具有大于或等于大约2英寸的长度，与前体材料相比具有切碎或研磨的碳纤维。在某些方面，根据本发明的某些方面，连续碳纤维在处理之前具有大于或等于大约2英寸的长度、任选地大于或等于大约3英寸、大于或等于大约4英寸、任选地大于或等于大约5英寸、任选地大于或等于大约6英寸、任选地大于或等于大约7英寸、任选地大于或等于大约8英寸、任选地大于或等于大约9英寸、任选地大于或等于大约10英寸、任选地大于或等于大约11英寸，并且在某些变化中，任选地大于或等于大约12英寸(或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(具有高弹性模量水平)。然而，无需进一步的操作，这种连续的碳纤维聚合物复合材料不容易制成波状外形或复杂的三维形状部件，并且遭受翘曲和表面外观问题。

目前使用两种技术来从连续的碳纤维复合材料形成复杂形状的零件，但都具有某些缺陷。第一种技术将连续碳纤维结合到具有连续单向碳纤维的复合片材中，然后将较大的复合片材分成多个较小的片材(作为预浸剂或刚好在施用以形成部件之前)。然后组装较小的切割片，使得相邻工件的边缘在手工铺层过程中重叠以产生更大的结构。因此，较小的片材具有成千上万的终止于相同的切割线上的连续碳纤维长丝(例如，切割束)。虽然可以铺设较小的工件以产生更复杂的形状和轮廓，但是该技术具有降低零件强度的缺点，因为单向碳纤维长丝全部沿着相同的切割线结束。即使切割块重叠，仍然存在用于沿着切割线的整个复合材料中的应力扩展和断裂的各种轨迹或区域，该轨迹或区域降低了总体强度。

或者，在另一种技术中，碳纤维束可以在被并入前体(例如，预浸料)材料之前被切碎或研磨成通常具有小于大约2英寸的最大长度的较短的纤维段。举例来说，每个束可以具有大约50,000根长丝(例如，50K丝束)。当碳纤维被切碎时，在丝束的整个宽度上切割连续碳纤维的丝束，以便以预定距离发生连续的清洁切割。通常，在切割之后，短切纤维可以作为各向同性强化相均匀地分布在预浸料或复合材料内。然而，短切纤维是不连续的，并且在不同纤维之间提供开放区域，用于通过树脂/聚合物基质的应力和裂纹扩展。虽然仍然提供高强度，但是切碎的碳纤维复合材料通常具有比连续碳纤维复合材料更低的强度，通常少一个数量级。

在某些方面，本技术考虑了一种生产具有来自可模制碳纤维前体材料的强度增强的结构部件的方法。在某些方面，可模制碳纤维前体材料是预浸渍的复合材料。在某些方面，本技术考虑了一种生产具有来自吹塑模制过程中的可模制碳纤维前体材料的强度增强的结构部件的方法。在某些方面，用于吹塑模制过程中的可模制碳纤维前体材料是预浸渍的复合材料。在另一方面，该方法可以包括压缩模制过程。在某些变型中，结构部件由包括具有一个或多个交错弱区域或交错终止点的可模制碳前体材料和不具有这样的弱区域或终止点的连续碳纤维前体材料的模制材料模制而成。在其它方面，本技术考虑了从织物形式的前体材料制备结构部件的方法。在某些方面，织物可以包括具有多个弱区域和/或交错终止点的可模制碳纤维。在其它方面，本公开涉及根据上述方法形成的三维结构部件，并且与切碎或研磨的碳纤维复合材料相比具有增强的强度。

在某些方面，本技术考虑了由可模制碳纤维预浸复合材料前体形成的结构部件，其包括具有一个或多个弱区域的连续碳纤维。这种可模制的碳纤维预浸复合材料前体材料在通常在2015年9月9日提交的美国专利申请第14/849,010号和第14/849,025号中更全面地描述，其各自通过引用将其全部内容明确地并入本文。

图1A示出了碳纤维10，其包括具有分散在主体12的高强度区域16内的多个弱区域14的主体12。在某些方面，弱区域14旨在表示与主体12的其余部分相比施加应力时优先断裂或折断的区域。在其他方面，弱区域14实际上可以是预切割或预形成的终止点。在某些方面，弱区域可被理解为具有比其余连续碳纤维的对比极限抗拉强度(例如，极限抗拉强度)小至少大约50％、任选至少大约60％、任选至少大约70％、任选至少大约80％的强度，并且在某些方面，任选地至少比碳纤维的其余部分的高强度区域的比较强度低至少大约90％。这些弱领域或区域的引入使得能够形成具有高强度和低电阻率的碳纤维聚合物复合材料，从而更可塑和可模制。

通过非限制性示例的方式，弱区域可以包括局部分子结构破坏、不同的材料组成或机械变形或拉伸。在一个示例中，连续纤维为PAN基、拉伸强度为5,000MPa，而弱区域为木质素基，并且拉伸强度为100MPa。包括木质素在内的弱区域的强度比强PAN基区域低大约98％。在另一个示例中，连续碳纤维和弱区都是具有不同组成的PAN基材料。连续碳纤维具有包含重均分子量为100,000的PAN的第一组合物，而弱区域具有包含重均分子量为10000的PAN的第二组合物。在另一个示例中，连续碳纤维和弱区都是具有不同组成的PAN基材料。连续碳纤维具有基于中间相沥青前体的第一组合物，而弱区域具有基于各向同性沥青前体的组合物。

图1B中示出了示例性可模制碳纤维预浸复合材料前体材料20。可模制碳纤维预浸复合材料前体材料20具有分布在连续碳纤维22内和周围的多个连续碳纤维22和聚合物基质24。连续碳纤维22具有沿着每个连续碳纤维22以规则间隔分布的多个弱区域26。因此，连续碳纤维22包括具有分散在区域28的高强度区域内的多个弱区域26的高强度区域28。

多个弱区域26跨越可模制碳纤维预浸渍复合材料前体材料20的宽度30交错穿过连续碳纤维22。因此，弱区域26的位置在可模制碳纤维预浸复合材料前体材料20的宽度30和长度32上都不同。多个连续碳纤维可以基本对齐，并且可以限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线。弱区域26可以跨越复合材料20的长度32限定多个离散的电势终止点。终止点可以相对于第二轴线交错。以这种方式，连续碳纤维22在弯曲、折叠或以其他方式受力时能够在弱区域26断裂，同时不允许跨越复合材料20的宽度30或长度32的应力和断裂扩展。这将使复合材料20的强度保持在由高强度连续碳纤维提供的强度水平附近，而且还具有较低的刚度和较大的柔韧性(具有较低的流动阻力)。应当注意，在替代方面，多个弱区域26可以替代地是预切割或预形成的终止点。

根据本公开的某些方面制备的可模制碳纤维预浸复合材料前体材料20仍然具有超高强度，例如，大于或等于大约500MPa、任选地大于或等于大约1000MPa、任选地大于或等于大约1500MPa、任选大于或等于大约1750MPa，并且在某些方面任选大于或等于大约2,000MPa的极限抗拉强度。

在某些其他方面，本技术考虑了由前体形成的结构部件，所述前体是可模制织物，其包含具有一个或多个弱区域的连续碳纤维，如图1C所示。可模制碳纤维织物40可以包括基本平行于其长度44的第一多个连续碳纤维42和基本平行于其宽度48的第二多个连续碳纤维46。应当注意，织物还可以包括除编织(例如经纱和纬纱)织物之外的具有多个缠绕的碳纤维的布、毡、卷边或非卷曲织物(NCF)结构。第一多个连续碳纤维42和第二多个连续碳纤维46中的至少一个可以包括多个可模制连续碳纤维。通过非限制性示例的方式，多个可模制连续碳纤维可以包括如结合图1A所述的具有一个或多个弱区域的碳纤维。在一些变型中，本技术考虑了双向可模制碳纤维织物，其中第一多个连续碳纤维42和第二多个碳纤维46都包括多个可模制连续碳纤维。在某些其他变型中，本技术考虑了单向可模制碳纤维织物，其中第一多个连续碳纤维42和第二多个连续碳纤维46中的一个包括多个可模制连续碳纤维，多个另一个第一连续碳纤维42和第二多个连续碳纤维46包括没有任何弱区域或终止点的多个高强度连续碳纤维。

在某些方面，本技术考虑了由具有至少两个离散纤维长度的可模制碳纤维预浸复合材料前体形成的结构部件。这种可模制碳纤维复合材料前体材料在2016年7月15日提交的美国专利申请第15/211,814号中更全面地描述，其全部内容通过引用并入本文。

示例性的可模制碳纤维预浸复合材料前体材料50如图2所示。可模制碳纤维前体材料50可以是包括多个连续碳纤维52的片材，其吸收有聚合物材料前体54以形成预浸渍的前体。多个连续碳纤维52具有离散且不连续的多个切割区域56。如图所示，多个切割区域56跨越将形成碳纤维增强复合材料的前体材料50的宽度58而交错。因此，切割区域56的位置也沿着每个连续碳纤维52(相对于相邻的碳纤维52)的长度60相对于彼此的位置不同。

多个连续碳纤维52因此具有多个交错的不连续或离散切割区域，其限定具有第一长度的第一多个碳纤维62和具有第二不同长度的第二多个碳纤维64。连续碳纤维52可以大于或等于大约2英寸。通过非限制性示例的方式，切割区域56可以具有大于或等于大约0.2mm至小于或等于大约2mm、任选地大于或等于大约0.1mm至小于或等于大约3mm的宽度的尺寸。

第一多个碳纤维52可以具有大于或等于大约5mm至小于或等于大约15mm的第一长度，并且第二多个碳纤维54可具有大于或等于大约15mm或等于大约20mm至小于或等于大约90mm的第二长度。在某些变型中，第一长度大于或等于大约5mm至小于或等于大约10mm，第二不同长度大于或等于大约40mm至小于或等于大约85mm。在一个方面，第一长度为大约10mm，以及第二不同长度为大约85mm。

多个连续碳纤维52可以基本对齐，并且可以限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线。交错切割区域56沿着复合材料50的长度60限定多个离散终止点。该离散终止点可以相对于第二轴线交错。交错切割区域的引入使得能够形成具有高强度和低电阻率的碳纤维聚合物复合材料，从而更可塑和可模制。这种由具有多个交错的不连续切割区域的可模制碳纤维预浸复合材料前体材料制成的碳纤维复合材料仍然表现出超高强度，例如大于或等于大约500MPa。在某些变型中，极限抗拉强度大于或等于大约600MPa、任选大于或等于大约700MPa、任选大于或等于大约800MPa、任选大于或等于大约900MPa、任选更大于或等于大约1000MPa、任选地大于或等于大约1250MPa，并且在某些方面，任选地大于或等于大约1500MPa。

表1示出了各种类型的碳纤维的拉伸强度。与根据本公开的某些方面制备的具有一个或多个弱区域或切割区域的连续碳纤维相比，提供了比较性高强度连续碳纤维强度和比较性切碎或研磨的碳纤维强度。

表1

在某些方面，本技术考虑了一种生产由复合材料形成并且在吹塑模制系统中具有增强的强度的结构部件的方法。参考图3A-3C，具有中心轴线72的成型坯70可以包括围绕心轴78的外表面76设置的可模制碳纤维前体材料74。可模制碳纤维前体材料74可以覆盖心轴78的外表面76的至少一部分。心轴78可以具有由内表面84限定的封闭端80、开口端82、内表面84和空腔86。

图3B-3C中示出了示例性吹塑模制过程。成型坯70可以放置在具有三维形状的模具90的空腔88中。成型坯70的开口端82可以与喷嘴92流体连通。例如，可以通过加热模具90来加热成型坯70。温度可以大于或等于大约50℃且小于或等于大约200℃。或者，可以通过使加热的流体流过心轴84的空腔86来加热成型坯70。作为非限制性示例，可以是空气、水或油的加压流体通过喷嘴92进入心轴78的空腔86。流体可以在大于或等于大约1MPa且小于或等于大约20MPa的压力下进入空腔86。加热的流体相对于心轴78的内表面84的压力导致心轴78和可模制碳纤维前体材料74一起扩展以产生具有模腔88的三维形状的部件。可模制碳纤维前体材料74可以交联或固化以形成结构部件94。

回到图3A，心轴78可以由塑料或聚合材料形成。通过非限制性示例的方式，合适的材料包括：聚乙烯((C₂H₄)_n)、聚丙烯((C₃H₆)_n)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)((C₁₀H₈O₄)_n))、尼龙和形状记忆环氧树脂。在某些变型中，心轴78的材料可以形成结构部件的内部部分。在其它变型中，成形的心轴78可以在吹塑模制之后被移除。例如，心轴78可以包括可被加热和熔化的形状记忆聚合物，从而形成仅基本具有碳纤维复合材料的结构部件。在某些方面，举例来说，心轴可以例如被加热至大于或等于大约150℃且小于或等于大约200℃、任选大约170℃，以从结构部件中拆卸。

在某些变型中，可模制碳纤维前体材料74可仅覆盖心轴78的一部分。在某些其他变型中，碳纤维前体材料74可以基本覆盖心轴78的整个外表面76，包括封闭端80。

在某些方面，包括可模制碳纤维前体材料74的片材可围绕心轴78的外表面76缠绕以形成成型坯70。可模制碳纤维前体材料74可以被包裹，使得可模制碳纤维前体材料74的多个碳纤维通常限定基本与成型坯70的中心轴线72平行的主纵轴线。在其它方面，可模制碳纤维前体材料74可以被包裹，使得可模制碳纤维前体材料74的多个碳纤维的主纵向轴线基本垂直于成型坯70的中心轴线72。同样考虑其它取向角度。此外，可模制前体材料的多个片材可以以不同的取向设置在心轴78上。在另外的方面，碳纤维前体材料74可以通过丝线缠绕工艺设置在心轴78周围，使得可模制碳纤维前体材料74的多个碳纤维基本垂直于成型坯70的中心轴线72。

在某些方面，如可结合图1A-1C所讨论的，可模制碳纤维前体，诸如可模制碳纤维预浸渍复合材料前体材料，可以包括具有一个或多个弱区域的多个碳纤维。在其它方面，如可结合图2所讨论的，可模制碳纤维前体材料可以包括具有至少两个离散纤维长度的多个碳纤维。可塑性碳纤维前体材料具有当与高强度连续碳纤维相比时的降低的耐流动性，同时保持高拉伸强度。例如，可塑性碳纤维前体材料可以在吹塑模制工艺中拉伸大于或等于其初始表面积的大约10％、任选地大于其初始表面积的100％以及任选地大于其初始表面积的200％。

通过非限制性示例的方式，制造在吹塑模制系统中具有增强的强度的结构部件的方法特别适用于形成具有至少一个中空区域的结构部件，例如汽车部件，诸如结构前轨和挤压罐。参考图4A-4B，示出了根据本技术形成的示例性结构部件。结构部件、摇杆导轨100包括具有外表面102和内表面104的主体101。主体101的内表面104限定中空的内部区域或空腔106。轴线108从空腔106的中心延伸穿过第一端110到第二端112。中空体101可以包括可模制碳纤维前体材料。

可模制碳纤维前体材料包括限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线的多个基本对齐的连续碳纤维。多个基本对齐的连续碳纤维可以具有相对于第二轴线交错的多个离散终止点。在某些变型中，主轴线可以基本平行于结构部件的中心轴线。在其他变型中，主轴线可以基本垂直于中心轴线。在另外的变型中，主轴线可以相对于中心轴线形成一个角度。该角度可以大于大约零(0)度并且小于大约九十度(90度)。

在一个示例中，根据本技术形成汽车前导轨。用包括具有一个或多个弱区域的多个碳纤维以成成型坯的可模制碳纤维前体材料来包裹聚丙烯心轴。将成型坯放入120℃的模腔中。加压水在7MPa和120℃下注入成型坯的开口端。可塑性碳纤维前体材料在吹塑模制期间伸展其初始表面积的大约28％。来自心轴的聚丙烯材料被移除。交联后，前导轨具有大约700MPa的极限抗拉强度。

在某些方面，本技术考虑了在如图5A-5B所示的压缩模制系统中生产具有增强的强度的部件的方法。可以将包含可模制碳纤维前体材料的模制材料140的电荷或片材放置在模具142中。模具可以包括上模具144、下模具146和设置在上模具144和下模具146之间的空腔148。空腔148可以包括上表面150和下表面152。举例来说，空腔148可以被加热到大于或等于大约50℃且小于或等于大约250℃、任选地大约150℃的温度。模具142可以围绕模制材料140在压力下关闭，使得模制材料140的底表面154至少部分地与空腔146的下表面152接触，并且模制材料140的顶表面156是至少部分地与空腔146的上表面150接触。举例来说，压力可以大于或等于大约1MPa且小于或等于大约20MPa、任选地大约7MPa。将热和压力施加到可模制碳纤维前体材料可能导致可模制碳纤维前体材料交联或固化，从而形成结构部件160。举例来说，该方法的持续时间可以大于或等于大约1分钟且小于或等于大约10分钟，任选地大约3分钟。

参考图5A、5B和6，在另一个变型中，本技术考虑了如图5A-5B所示的在压缩模制系统中生产具有增强的强度的复合材料的方法。参考图6，模制材料170可以包括多个层172。通过非限制性示例的方式，多个层172可以包括第一层174、第二层176和第三层178。第一层174和第三层178夹着第二层176。虽然图6描绘了三层，但在本公开的范围内考虑了其它数量的层，诸如两层或四层。第一层174、第二层176或第三层178中的一个可以包括根据本技术的某些方面制备的可模制碳纤维复合材料前体材料。第一层174、第二层176或第三层178中的另一个可以包括未被处理为包括弱区域或终止点的高强度连续碳纤维复合材料前体材料。在某些变型中，第一层174和第三层178可以包括第一材料组合物，而第二层176包括明显的第二材料组合物。

当与包括单一可模制碳纤维前体材料的模制材料相比时，根据本技术的某些方面的层压模制材料的使用可以提供增强的强度，而不牺牲可模制性和可流动性。例如，模制材料可以包括可模制碳纤维前体层和连续碳纤维前体层。可模制碳纤维前体材料可以在垂直于压缩方向的方向上具有比连续碳纤维前体材料更大的流动，从而能够流到模腔的边缘和角落。

制造在压缩模制中具有增强的强度的结构部件的方法特别适用于形成结构部件，例如汽车车身面板。图7示出了根据本公开的某些方面的通过这种技术形成的示例性汽车车身面板、车门200。本技术还可以用于各种其他应用和行业，例如具有波状外形或复杂三维形状的汽车结构部件。图8示出了根据本技术的某些方面的通过压缩模制形成的示例性A支柱205。图9示出了根据本技术的某些方面的通过压缩模制形成的示例性B支柱210。

在一个示例中，根据本技术形成汽车内发动机罩板。将包含重量为1kg的连续碳纤维复合材料前体材料的片材放置在包含重量为1kg的可模制碳纤维前体材料的片材的顶部上。将包括重量为1kg的可模制碳纤维前体材料的第二片材放置在包括高强度连续碳纤维前体材料的片材的顶部上以形成模制材料。将模制材料放置在模腔中并在120℃下在7MPa压力下压缩3分钟，以提供至少大约80％的模具覆盖面积，基于表面积扩展大约20％的流动，从而形成发动机内罩板。汽车车身面板的极限抗拉强度大约为700MPa。根据本公开的某些方面形成的汽车车身面板的强度具有大于或等于大约90％的极限抗拉强度，任选地大约为包括高强度连续碳纤维前体材料的复合材料的大约100％。

在某些方面，本技术考虑了一种生产具有来自图1C所示的可模制碳纤维织物的增强的强度的部件的方法。包括可模制碳纤维的织物被拉伸或悬垂成所需的形状。通过非限制性示例的方式，织物可以通过各种包括手工叠层的技术被拉伸并悬垂在预制件中。织物的可模制性可允许纤维彼此滑过而不会切割或切开。可模制预制件可以通过树脂传递模制(“RTM”)形成结构部件。通过非限制性示例的方式，将模具加热至大约120℃，然后打开模具，并将先前拉伸和悬垂的织物放置在模具中。然后关闭模具、施加真空，并将环氧树脂注入模具中以填充模腔。然后将模具在120℃下保持3分钟。模具打开，部件被弹出。

从可模制碳纤维织物生产具有增强强度的结构部件的方法特别适用于形成需要高表面质量和最小翘曲的结构部件，例如汽车A级部件。图10示出了根据本公开形成的示例性的汽车A级部件、汽车发动机罩板220。

在某些方面，本技术考虑了根据上述方法制造的结构部件或本领域技术人员设想的任何其它方法。结构部件可以包括可模制碳纤维前体材料，其具有限定主轴线和垂直于主轴线的第二轴线的多个基本对齐的连续碳纤维。多个基本对齐的连续碳纤维可以具有相对于第二轴线交错的多个离散终止点。根据本公开使用的可模制碳纤维前体材料避免了树脂和纤维的分离，从而避免或最小化翘曲。因此，由本公开的碳纤维前体材料形成的复合材料通过避免在模制过程中围绕曲率的纤维变形来展示改善了未涂漆的面板的表面质量。另外，由可模制碳纤维前体材料形成的复合材料不会遭受损失机械性能。

在某些方面，本技术可以用于各种其他应用和工业，例如具有波状外形或复杂三维形状的汽车结构部件。非限制性示例包括发动机罩、支柱，诸如铰链柱、面板，包括结构面板、门板和门部件、内部地板、底板、车顶、外表面、车底罩、车轮、存储区域，包括手套箱、控制箱、行李箱、行李箱底板、车床、灯袋、冲击塔盖、控制臂和其他悬架部件、挤压罐、缓冲器、结构导轨和框架、汽车横梁、起落架部件或传动系部件等。在某些方面，本技术还可以用于在其他行业中形成部件，包括但不限于：车辆(例如，摩托车)、海洋(例如，船体和甲板、水上摩托)、航空航天(例如，飞机、直升机、无人机)和运动(如自行车、网球拍)。

在某些方面，本技术可以在组装中使用多个部件。根据本公开的某些方面形成的部件可以包括不同的材料，如材料或其它部件。

实施例的前述描述是为了说明和描述的目的而提供的。这并不是穷举或限制本公开。特定实施例的单个元件或特征件通常不限于该特定实施例，但是在可应用的情况下是可互换的，并且可以在所选择的实施例中使用，即使没有具体示出或描述。在许多方面也可能有所不同。这些变化不被视为偏离本公开，并且所有这些修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种结构部件，其包括：

主体，其限定至少一个中空区域，其中所述主体包括碳纤维复合材料，所述碳纤维复合材料包括限定主轴线和垂直于所述主轴线的第二轴线的多个基本对齐的连续碳纤维，其中所述多个基本对齐的连续碳纤维包括相对于所述第二轴线交错的多个离散终止点。

2.根据权利要求1所述的结构部件，其中所述多个连续碳纤维还包括具有第一不同长度的第一多个碳纤维和具有第二不同长度的第二多个碳纤维。

3.根据权利要求1所述的结构部件，其中所述多个连续碳纤维包括长度大于或等于大约2英寸的一个或多个连续碳纤维，其中所述一个或多个连续碳纤维包括多个离散弱区域，其中所述多个弱区域具有比所述连续碳纤维的其余部分的强度小至少50％的极限抗拉强度，并且所述碳纤维复合材料具有大于或等于大约500MPa的极限抗拉强度。

4.根据权利要求1所述的结构部件，其中所述结构部件选自由发动机罩、支柱、面板、结构面板、门板、门部件、内部地板、底板、车顶、外表面、车底罩、车轮部件、存储区域、手套箱、控制箱、行李箱、行李箱底板、车箱、灯袋、冲击塔盖、控制臂、悬架部件、挤压罐、缓冲器、结构前轨、结构框架、汽车横梁、起落架部件、传动系部件及其组合组成的群组。

5.一种生产结构部件的方法，所述方法包括：

通过将一块第一碳前体材料放置在两块第二碳纤维前体材料之间来形成模制材料，其中所述第一碳纤维前体材料和所述第二碳纤维前体材料彼此不同，其中所述第一碳纤维前体材料或所述第二碳纤维前体材料中的至少一种包括可模制碳纤维前体材料，所述可模制碳纤维前体材料包含限定主轴线和垂直于所述主轴线的第二轴线的多个基本对齐的连续碳纤维，其中所述多个基本对齐的连续碳纤维包含相对于所述第二轴线交错的多个离散终止点；以及

将所述模制材料压缩模制以形成所述结构部件。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一碳纤维前体材料和所述第二碳纤维材料中的另一个包括多个连续碳纤维，所述第二碳纤维前体材料具有大于或等于大约650MPa的极限抗拉强度。

7.根据权利要求5所述的方法，其中所述可模制碳纤维前体材料包括多个连续碳纤维和聚合物材料前体，所述多个连续碳纤维具有多个交错的不连续切割区域，所述不连续切割区域限定具有第一长度的第一多个碳纤维和具有第二不同长度的第二多个碳纤维。

8.根据权利要求5所述的方法，其中所述可模制碳纤维前体材料包括长度大于或等于大约2英寸的一个或多个连续碳纤维，其中所述一个或多个连续碳纤维包括多个离散弱区域，其中所述多个弱区域具有比所述连续碳纤维的其余部分的强度小至少50％的极限抗拉强度，并且所述碳纤维复合材料具有大于或等于大约500MPa的极限抗拉强度。

9.根据权利要求5所述的方法，其中基于所述可模制碳纤维前体的表面积扩展的百分比流量大于或等于大约10％。

10.一种生产具有至少一个内腔的结构部件的方法，所述方法包括：

将包含围绕模具中的心轴设置的可模制碳纤维前体材料的成型坯放置在模具中，其中所述可模制碳纤维前体材料包含聚合物前体和多个基本对齐的连续碳纤维，所述连续碳纤维限定主轴线和垂直于所述主轴线的第二轴线，其中所述多个基本对齐的连续碳纤维包括相对于所述第二轴线交错的多个离散终止点；

吹塑模制所述成型坯以产生所述结构部件；以及

交联或固化所述聚合物前体以形成所述结构部件。