CN108481609A - 一种纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法及制造系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法和制造系统。该制造方法包括：用气体流离散化处理纤维束、得到离散纤维束的步骤；用宽展辊超薄化处理离散纤维束、得到宽展纤维带的步骤；对宽展纤维带进行在线浸润涂层处理、得到涂层宽展纤维带的步骤；和将涂层宽展纤维带与热塑性树脂基体复合，得到复合材料的步骤。该制造系统包括：用于将纤维离散化处理过程的纤维离散组件、用于将纤维束进行在线浸润过程的浸润组件和用于将涂层宽展纤维带进行复合过程的复合组件。能够制造浸料厚度小的纤维增强热塑性复合材料，方法简易，制造成本低，制造时间短，具有良好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明属于复合材料领域，具体涉及一种纤维增强热塑性复合材料短流 程制造方法和制造系统。
背景技术
随着我国航空航天、车辆舰船等领域的发展，碳纤维复合材料(CFRP)， 由于其密度小、力学性能高、耐腐蚀、抗疲劳等突出优点，被列为国家重点 发展战略新材料之一。以航空发动机为例，美国GE90-115B涡扇发动机，推 力可达547kN,而耗油率下降到了0.05kg/(N.h)左右，CFRP起了至关重要的 作用。在其它领域，如新能源电动车，它的重量越大，能耗就越高，续航里 程则越短，轻量化CFRP应用的重要性不言而喻。
目前，商业化碳纤维(CF)单向带预浸料的厚度多在0.15mm以上；平 纹编织预浸料的厚度则在0.25mm以上。对于薄壁件，预浸料厚度大意味着 许用铺层数量少，层合板各向异性明显；对于壁厚不等的制件而言，如GE90 发动机叶片，从叶根部向叶尖逐渐减薄，往往需要采用改变铺层数量以适应 其结构要求。预浸料厚度大则意味着铺层数变化时“架桥”区尺度大，缺陷 面积增加，复合材料的承载性能有所降低，既影响复合材料的力学性能，也降低了碳纤维复合材料的资源利用率和经济效益，使碳纤维复合材料的制造 成本居高不下。
目前，商业化的0.2mm厚度的T700CF、40％体积分数的CF/环氧树脂复 合后的单向预浸料轴向拉伸强度在(1500～1750)MPa，拉伸模量(120～140) GPa，分别为T700CF性能的30％～35％和52％～61％。而由其制成的单向层合 板轴向拉伸强度B基准值约在(1300～1500)MPa,CF拉伸强度的利用率低 于30％。CF的制备工艺过程复杂、耗时、成本高，如果能提高其性能利用率， 对于提高资源利用率，改善环境、节约能源、赋予CFRP制品更高、更强的 性能和更轻的质量，具有重要的意义。
发明内容
为了至少解决以上提到的现有技术存在的技术问题之一，本发明公开了 一种纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，该方法包括步骤：
S1、用气体流离散化处理纤维束，得到离散纤维束；
S2、用宽展辊超薄化处理S1所得的离散纤维束，得到宽展纤维带；
S3、对S2所得宽展纤维带进行在线浸润涂层处理，得到涂层宽展纤维 带；
S4、将S3所得涂层宽展纤维带与热塑性树脂基体复合，得到复合材料。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S1中气体流的压力设置为0.3～0.5MPa，流速设置为2～ 3升/分钟。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S1中气体流的含水量设置低于0.05ppm，杂质含量低于 0.03ppm。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S2中宽展辊设置为双辊组合，宽展宽度W1用下式估算：
W1＝(12A·L·cosα)1/3
其中，A为纤维束横截面积，L为双辊之间的距离，α为宽展辊轴心 连线与对称面之间的夹角。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S2中宽展辊为多个，且设置为多边形组合，宽展宽度W2用下式估算：
其中，A为纤维束横截面积、Li为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊之间 的距离，n为宽展辊的数量,i为1～n之间的整数，λ可以用下式计算：
其中，βi为第i宽展辊与第i-1宽展辊轴心连线与对称面之间的夹角。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S2中宽展辊为多个，且设置为非均布高低排列组合，宽 展宽度W3用下式计算：
其中：A为纤维束横截面积，Li为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊之间 的距离，αi为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊轴心连线与对称面之间的夹 角，r为宽展辊的半径，n为宽展辊的数量，i为1～n之间的整数。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S3中使用偶联剂溶液、碳纳米管溶液、石墨烯溶液、聚 氨酯溶液进行在线表面涂层处理。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S3中纤维体积含量设定在40～50％之间，纤维带厚度设置 在0.04mm以下，纤维带宽度设置为300mm。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程制 造方法中，步骤S4之前还包括步骤S40，将得到的涂层宽展纤维带烘干。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S3中表面涂层处理的温度设置为60～80℃，烘干温度设 置为120～150℃，收卷速度设置为10～20m/min。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S4中的涂层纤维束与热塑性树脂基体复合的方法包括阵 列打印法和粉末法。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S4中的复合方法为阵列打印法，具体为，利用多根热塑 性树脂打印线材，经过一组喷头同时打印，将打印树脂按设定阵列形式打印 到涂层宽展纤维带上。作为可选实施例，打印树脂可以包括PA6、PA66、PLA、 TPU。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法中，步骤S4中的复合方法为粉末法，具体采用特种工程塑料PEEK、 PEKK、PPS、PA6T、PA10T。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法，还包括步骤S5，具体为对S4所得复合材料进行损伤在线测试。
另外，本发明还公开了一种纤维增强热塑性复合材料制造系统，该系统 包括：
纤维离散组件，用于将纤维离散化处理；离散化处理包括任何可以将纤 维束中的纤维之间距离增大的处理方式，其目的在于将纤维束及纤维束组成 的纤维组分变成超薄的纤维带，便于与热塑性树脂复合；
预浸润组件，用于将宽展纤维带进行在线浸润；
复合组件，用于将涂层宽展纤维带进行复合。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，制造系统还包括：
纤维放卷组件，用于向纤维离散组件输送纤维束；
复合材料带卷收组件，用于卷收复合材料带。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，纤维离散组件包括气流离散组件和机械离散组件。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，气流离散组件具体包括除静电离子风机。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，机械离散组件为凸辊、凹辊和平辊的组合。
进一步作为较为优选实施例，机械离散组件由多个凸辊、多个凹辊和/ 或多个平辊组合而成。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，浸润组件包括：
蠕动泵，用于向宽展纤维带喷洒浸润溶液；
牵引辊，用于牵引并烘干宽展纤维带。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，复合组件包括：
树脂成型组件，用于在涂层宽展纤维带上形成树脂层，例如阵列打印组 件、粉末成型组件等；
熔融组件，用于将树脂层融化，并与涂层宽展纤维带复合；
辊压组件，用于将复合材料平展成型。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，还包括损伤检测组件，用于在线检测复合材料的缺陷。
作为一些可选实施例，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料制造系统 中，损伤检测组件具体包括超声检测组件和红外检测组件。
本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法和制造系统，能 够制造预浸料厚度小的纤维增强热塑性复合材料，方法简易，制造成本低， 制造时间短，具有良好的工业应用前景。
附图说明
图1纤维束空气离散过程示意图
图2纤维束机械宽展过程示意图
图3双辊设置位置示意图
图4多边形宽展辊设置位置示意图
图5非均布高低排列宽展辊设置位置示意图
图6凸辊形状示意图
图7凸辊宽展纤维束过程示意图
图8凹辊形状示意图
图9凹辊宽展纤维束过程示意图
图10纤维增强热塑性复合材料制造过程示意图
图11气流离散组件组成示意图
图12机械宽展组件和浸润涂层组件组成示意图
图13复合组件组成示意图
附图标记
11气流离散组件 111纤维束源 112输送辊
113平整辊 114气流源 115气体喷嘴
12机械扩展组件 121定位辊 122限位辊
123宽展辊 13浸润组件 131蠕动泵
132浸润溶液盛放装置 133溶液喷嘴 134牵引辊
14阵列打印组件 141阵列打印控制器 142阵列打印头
143阵列打印针 144纤维支撑板 15熔融组件
151加热装置 152加热装置控制器 16辊压组件
161压辊组 17超声检测组件 171超声检测头
172超声检测控制装置 18复合带卷收组件 T纤维束
具体实施方式
在这里专用的词“实施例”，作为“示例性”所说明的任何实施例不必 解释为优于或好于其它实施例。本法实施例中性能指标测试，除非特别说明， 采用本领域常规试验方法。应理解，本发明中所述的术语仅仅是为描述特别 的实施方式，并非用于限制本发明公开的内容。
除非另有说明，否则本文使用的技术和科学术语具有本发明所属技术领 域的普通技术人员通常理解的相同含义。作为本发明中的其它未特别注明的 原材料、试剂、试验方法和技术手段均指本领域内普通技术人员通常使用的 原材料和试剂，以及通常采用的实验方法和技术手段。本文述及的宽展辊之 间的距离，或者间距，是指宽展辊轴心之间的距离。通常宽展辊的宽展部横 截面设置为圆形。本发明公开述及的在线，通常是指工序的连续性，例如， 在线浸润是指在得到宽展纤维带之后即对其进行浸润处理，得到浸润涂层，得到宽展纤维带与浸润涂层这两个工艺是连续发生的。
为了更好的说明本发明内容，在下文的具体实施例中给出了众多的具体 细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本发明同样可以实施。 在实施例中，对于本领域技术人员熟知的一些方法、手段、仪器、设备等未 作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明实施例公开的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，包括步 骤：
S1、用气体流离散化处理纤维束，得到离散纤维束；
S2、用宽展辊超薄化处理S1所得的离散纤维束，得到宽展纤维带；
S3、对S2所得宽展纤维带进行在线浸润涂层处理，得到涂层宽展纤维 带；
S4、将S3所得涂层纤维束与热塑性树脂基体复合。
其中步骤S1将气体动力流场集成到机械离散应力场工艺中，通过匹配、 优化气体动力场工艺参数与机械应力场工艺参数，建立纤维超薄化离散工艺， 例如，通过气体压缩机、流量调节、分配阀、过滤器、干燥机组成的气流离 散装置将气体接入一组气体喷嘴上，调节气体流量、流速，将纤维束离散化 预处理，纤维离散过程和现象可以用图1所示的纤维束空气离散过程示意图 表示。图1中的原始纤维束厚度为d1,箭头所指为气体流方向，在垂直于纤 维束方向的气体流的作用下，纤维逐渐分散，纤维束厚度变为d2，最后纤维 束厚度减小为d3，即d1>d2>d3,纤维束厚度减小，其宽度增大，即纤维束得到 离散。作为较为可选实施方式，可以选择空气作为处理气流，空气体流的压 力可以设置为0.3～0.5MPa，流速可以设置为2～3升/分钟。作为一些可选 实施方式，空气体流的含水量设置低于0.05ppm，杂质含量低于0.03ppm。 作为可选实施方式，碳纤维、芳纶纤维、超高分子量聚乙烯纤维、石英纤维 等特种纤维都可以作为本方法中使用的纤维束材料。图1仅仅示例性的说明 了纤维束的宽展过程，并不限定纤维束的数量和组成纤维束的纤维的数量， 实施过程中纤维束的数量和纤维束中纤维的数量是可以任意设定和选择的。
其中步骤S2将气流离散后得到的离散纤维束进一步采用机械方法宽展， 增加纤维束离散程度，得到宽展纤维带，即利用宽展辊的机械力进行超薄化 处理，使纤维束中的纤维进一步宽展，更为分散，得到厚度更薄的纤维束； 机械宽展辊的形状、位置和数量可根据纤维种类、丝束大小进行自由调节组 合。作为可选实施例，如图2所示纤维束机械宽展过程示意图，被气流离散 化处理之后的纤维束厚度为d3，纤维束在宽展辊的作用下宽展，纤维束厚度 变为d4，纤维束可以宽展成接近单层纤维厚度的纤维膜状，即d3>d4。图2 仅仅示例性的说明了纤维束的宽展过程，并不限定纤维束的数量和组成纤维 束的纤维的数量，其他可选实施例中纤维束和纤维束中纤维的数量是可以任 意设定和选择的。
作为一些可选实施方式，宽展辊设置为双辊组合，如图3双辊设置位置 示意图所示例的双辊排列方式，宽展辊R2设置在宽展辊R1的右下方，两个宽 展辊之间的间距为L，宽展辊R1和宽展辊R2的轴心线与对称面之间的夹角为 α，图中T为纤维束，纤维束在图中左右面对称设置，对称面为M，箭头表 示纤维束T的前行方向，经过双辊组合后纤维的宽展宽度W1用下式估算：
W1＝(12A·L·cosα)1/3
其中，A为纤维束横截面积，L为双辊之间的距离，α为宽展辊轴心 线与对称面之间的夹角。本实施例述及的对称面M，是指穿过宽展辊R1的轴 心线、垂直设置的平面。
作为一些可选实施方式，宽展辊为多个，且设置为多边形组合，多个宽 展辊以多边形方式排列。此处述及的多个宽展辊，是指宽展辊的数量多于两 个，如3、5、7、8等，多个宽展辊的设置方式为，以其中一个宽展辊为中 心，其他宽展辊在其两侧面排列，其高度依次减小，且以通过中心宽展辊轴 心、垂直设置的面为对称面对称设置。例如图4多边形宽展辊设置位置示意 图所示例的5个宽展辊组合，宽展辊R5设置在中间，宽展辊R4和宽展辊R6分别在宽展辊R5两侧面对称设置，高度略低，宽展辊R3与宽展辊R7分别在 宽展辊R4和宽展辊R6两外侧面对称设置，本实施例中的对称面为M1，宽展辊 R3与宽展辊R4之间的距离为L1，其轴心连线与对称面M1之间的夹角为β1， 宽展辊R4与宽展辊R5之间的距离为L2，T表示处理的纤维束，箭头表示纤维 束的行进方向。本实施例中L1和L2可设置为相等数值，也可以设置为不同数 值。
宽展宽度W2用下式计算：
其中，A为纤维束横截面积、Li为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊之间 的距离，宽展辊的数量为5,i为1～5之间的整数，λ可以用下式计算：
其中，βi为第i宽展辊与第i-1宽展辊轴心连线与对称面M1之间的夹 角。
作为一些可选实施方式，宽展辊设置为非均布高低排列组合，宽展辊为 多个，其高度设置不同，排列方式如图5非均布高低排列宽展辊设置位置示 意图所示例，图5中宽展辊组合包括4个宽展辊，宽展辊R9设置在中间，宽 展辊R8和宽展辊R10分别以垂直面M2为对称面、对称设置在宽展辊R9的两侧， 位置稍低，宽展辊R11设置在宽展辊R10右下方，确保纤维束T在宽展辊组合 上以M2为对称面对称设置，宽展辊R9与宽展辊R10之间的距离为L4，宽展辊R10与宽展辊R11之间的距离为L3，其轴心连线与对称面M2之间的夹角为αi， 对称面M2，或者垂直面M2，是指穿过设置在中间位置的宽展辊R9轴心线并在 图中垂直设置的面，如图中垂直虚线所指。本实施例中L3与L4可以设置为相 等，也可以设置为不相等。
宽展宽度W3用下式计算：
其中：A为纤维束横截面积，Li为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊之间 的距离，αi为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊轴心连线与对称面之间的夹 角，r为宽展辊的半径，宽展辊的数量为4，i为1～4之间的整数。
通常情况下，本发明公开的宽展辊包括三部分，即设置在两端的两个连 接部和设置在中间部的宽展部，三部分固定连接成一体，其宽展部的横截面 为圆形，两个连接部固定连接在固定装置上，该宽展辊设置在固定装置上以 后，能够沿着其轴心旋转，需要宽展的纤维束在宽展辊上前行的过程中在宽 展力的作用下在宽展部上逐渐分散开，形成宽展纤维带。宽展辊的宽展部可 以设置为凸型，即宽展辊的宽展部中心位置的横截面积最大，随着从中心位 置向宽展辊两端的连接部延伸，宽展部的横截面积逐渐减小，如此设置的宽展辊可称为凸辊。纤维束在宽展辊上通常设置在中心位置，在宽展力的作用 下纤维束中的纤维向宽展部两侧分散，其厚度变薄，宽度增大，纤维束得到 了宽展，最后得到宽展纤维带。如图6所示凸辊形状示意图，该凸型的宽展 辊，包括设置在中部的宽展部62和设置在两端的连接部61，连接部61用于 连接固定宽展辊，宽展部62形状为凸型，即，其中部的横截面积为最大， 向两端延伸其横截面积逐渐减小；纤维束在该宽展辊上前行的过程中，纤维 束的变化过程如图7凸辊宽展纤维束过程示意图所示，纤维束设置在凸型宽 展部的中部，随着纤维前行过程中，在宽展力的作用下，纤维束在凸型宽展 部的外表面上分散开，纤维的宽度Wx逐渐增大，厚度dx逐渐减小。作为可选 实施方案，本实施例中公开的宽展辊还可以设置为凹辊，即设置宽展辊的宽 展部中心部位的横截面积最小，随着从中心位置向宽展辊两端的连接部延伸， 宽展部的横截面积逐渐增大，如图8所示的凹辊形状示意图，包括中部的宽 展部82和两端的连接部81，连接部81用于连接固定宽展辊，宽展部82设 置在中间，其中宽展部中间的横截面积为最小，随着向两端延伸其横截面积 逐渐增大；凹辊对纤维束的作用可以示例如图9凹辊宽展纤维束过程示意图 所示，图9中的上图中，设置在宽展辊表面的纤维束中纤维之间距离较大， 纤维带(或称为纤维束)的表面密度不均，会影响复合材料的性能，在图9 中的下图中，在凹辊的作用下纤维可以相互靠近，减小纤维之间的距离，有 利于调节在凸辊上得到的纤维束的形状，更加适合于得到性能均一的宽展纤 维带。作为可选实施方式，作为机械离散的宽展辊组合，其形状也可以组合， 即同一组宽展辊中可以选择同一种凸辊，也可以选择同一种凹滚，也可以将 不同形状的凸辊和凹辊组合使用。作为另一种实施方式，还可以设置平辊， 对宽展后的纤维束进一步整理，得到厚度更为均一的宽展纤维带。
作为可选实施方式，步骤S1气流离散处理和S2宽展辊机械宽展处理可 以结合交替使用，即本发明公开的实施例中并不严格限定气流离散和宽展辊 宽展的顺序，所述步骤S1和步骤S2的顺序可以调整，还可以组合使用，而 且气流离散处理过程和机械宽展处理过程也可以设置同时进行。
其中步骤S3，对宽展纤维带进行浸润涂层处理，例如，使用偶联剂溶液、 碳纳米管溶液、石墨烯溶液、聚氨酯溶液等进行在线表面涂层处理，作为可 选实施方式，步骤S4之前、步骤S3之后还可以包括将涂层宽展纤维带烘干 的步骤，将涂层宽展纤维带烘干有助于对宽展纤维带的定型，定型后的宽展 纤维带有利于与热塑性树脂的复合过程；作为可选实施方式，涂层处理的温 度设置为60～80℃，烘干温度设置为120～150℃，收卷速度设置为10～ 20m/min。作为一些可选实施方式，浸润涂层得到的涂层宽展纤维带中，纤 维体积含量设定在40～50％之间，纤维带厚度设置在0.04mm以下，纤维带宽 度设置为300mm。例如，可以通过蠕动泵，将经过加热的涂层溶液喷洒到宽 展纤维带上。收卷速度通常是指纤维束在机械辊表面行进的速度，通常与机 械辊的旋转速度相当。
其中步骤S4将经过涂层处理的宽展纤维带与热塑性材料进行复合，得 到复合材料，作为可选实施方式，复合方法具体可以为阵列打印法，例如， 利用多根热塑性树脂打印线材，例如，20根热塑性树脂打印线材，经过一组 喷头同时打印，将打印树脂按设定阵列形式打印到涂层宽展纤维带上。作为 可选实施方式，打印树脂可以选择PA6、PA66、PLA、TPU。作为可选实施方 式，阵列打印喷头的排布方式可以设置为Z字型、S型等排列形式。
作为另外一些可选实施方式，复合方法具体为粉末法，具体采用特种工 程塑料PEEK、PEKK、PPS、PA6T、PA10T。例如，可以采用商业化静电撒粉器 或振动撒粉器等作为撒粉装置，将工程塑料粉末撒在涂层宽展纤维带上。
利用打印法或者粉末法复合后的纤维热塑性复合材料，经过加热，辊压， 冷却，得到成型的复合材料，例如，经过红外加热装置，加热到树脂熔融温 度，然后用钢带辊压机进行辊压、冷却；作为可选实施方式，带辊压机的压 辊采用电磁感应加热工艺，每组压辊的温度可以单独控制，以便控制辊压过 程中树脂基体的物理状态，保证辊压质量。
图10示例出了本发明公开实施例制造纤维增强热塑性复合材料的过程。 经过步骤S1和S2处理后得到厚度为d4的宽展纤维带，然后经过步骤S3浸 润涂覆层，得到厚度为d5的涂层宽展纤维带，在经过步骤S4打印并热压热 塑性树脂后，得到厚度为d6的纤维增强热塑性复合材料。作为可选实施方式， 可以在涂层宽展纤维带的一个侧面阵列打印热塑性树脂，如图10所示例， 得到双层复合材料，也可以在涂层宽展纤维带的两个侧面阵列打印热塑性树 脂，得到夹层式的三层复合材料。
作为一些可选实施方式，本发明公开的纤维增强热塑性复合材料短流程 制造方法，还包括步骤S5，具体为对S4所得复合材料进行损伤测试的步骤。 例如，可以采用红外探头、超声波检测仪等对复合材料是否存在瑕疵损伤进 行测试。
本发明公开一些实施方式公开的纤维增强热塑性复合材料制造装置，包 括纤维离散组件11、机械宽展组件12、浸润组件13、阵列打印组件14、熔融 组件15、辊压组件16、损伤检测组件17和复合带卷收组件18，以下结合附图 11、附图12和附图13，对本实施例公开的制造装置进一步详细说明。
如图11气流离散组件组成示意图所示，图中T表示处理的纤维束，气流 离散组件11中，气流源114用于提供气流离散所需的气流，可以对其压力和 流速进行控制；气体喷嘴115用于控制离散气流的方向，平整辊113用于控制 纤维束的位置，便于气体喷嘴离散纤维束；还可以包括纤维束源111，用于 提供制造系统所需要的纤维原材料，输送辊112将纤维束源111提供的纤维束 输送到制造系统，为纤维提供行进动力。
如图12所示，气体离散后的纤维束T进入机械扩展组件12，进一步超薄 化处理，定位辊121用于控制纤维束T的位置和方向，限位辊122也可以控制 纤维束T的位置和方向，确保纤维束T在行进的过程中处于稳定状态，宽展辊 123为多个宽展辊组合，进一步将纤维束T宽展化，得到宽展纤维带，浸润溶 液盛放装置132中设置有浸润溶液，而且该装置还可以设置有温度控制调节 装置，可以控制浸润溶液的温度，蠕动泵131与浸润溶液盛放装置132相连通， 蠕动泵131可以将其中的浸润溶液吸入，通过溶液喷嘴133喷涂在宽展纤维带 上，得到涂层宽展纤维带，进入牵引辊134，牵引辊134可以提供涂层宽展纤 维带前行的动力，牵引辊134还可以设置有加热和温度控制部件，将行进的 涂层宽展纤维带烘干。
如图13所示，烘干的涂层宽展纤维带继续经过阵列打印组件14,阵列打 印控制器141将热塑性树脂通过阵列打印头142打印在宽展纤维带上，阵列打 印头142上可以设置有多个打印针143，便于控制打印厚度、宽度等，以便控 制复合材料中热塑性树脂的比例，还设置有纤维支撑板144，便于为阵列打 印过程提供控制良好的宽展纤维带，之后打印有热塑性树脂的宽展纤维带进 入熔融组件15，在加热装置151的作用下热塑性树脂加热熔融，加热温度可 以通过设置的加热装置控制器152控制，加热装置151设置为3个，其温度可 以单独设置，例如，可以设置温度逐渐减小，熔融处理后的复合材料进入辊 压组件16，在辊压阻161的压力作用下复合材料充分结合紧密；得到的复合 材料还可以直接进入设置的超声检测组件17，检测复合材料是否存在缺陷和 瑕疵，超声检测组件17可是设置由超声检测头171和超声检测控制装置172组 成；最后，制造得到并经过检测的复合材料可以由复合带卷收组件18收集。
本实施例公开的制造系统中组件的组成设置，仅仅是一种示例性设置方 式，可以根据本发明公开的方法和组件功能，可以进行任意组合，得到其他 组合方式的制造系统，都与本发明公开的实施例的发明构思一致，都属于本 发明申请欲求保护的范围。
本发明公开的技术方案和实施例中公开的技术细节，仅是示例性说明本 发明的构思，并不构成对本发明的限定，凡是对本发明公开的技术细节所做 的没有创造性的改变，对本发明公开技术方案的组合使用，都与本发明公开 具有相同的发明构思，都在本发明欲求保护的范围之内。
Claims (23)
1.一种纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，该制造方法包括步骤：
S1、用气体流离散化处理纤维束，得到离散纤维束；
S2、用宽展辊超薄化处理S1所得的离散纤维束，得到宽展纤维带；
S3、对S2所得宽展纤维带进行在线浸润涂层处理，得到涂层宽展纤维带；
S4、将S3所得涂层宽展纤维带与热塑性树脂基体复合，得到复合材料。
2.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S1中气体流的压力设置为0.3～0.5MPa，流速设置为2～3升/分钟。
3.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S1中气体流的含水量低于0.05ppm，杂质含量低于0.03ppm。
4.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S2中宽展辊设置为双辊组合，宽展宽度W1用下式估算：
W1＝(12A·L·cosα)1/3
其中，A为纤维束横截面积，L为双辊之间的距离，α为宽展辊轴心连线与对称面之间的夹角。
5.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S2中宽展辊为多个，且设置为多边形组合，宽展宽度W2用下式估算：
其中，A为纤维束横截面积、Li为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊之间的距离，n为宽展辊的数量,i为1～n之间的整数，λ可以用下式计算：
其中，βi为第i宽展辊与第i-1宽展辊轴心连线与对称面之间的夹角。
6.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S2中宽展辊为多个，且设置为非均布高低排列组合，宽展宽度W3用下式计算：
其中：A为纤维束横截面积，Li为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊之间的距离，αi为第i个宽展辊与第i-1个宽展辊轴心连线与对称面之间的夹角，r为宽展辊的半径，n为宽展辊的数量，i为1～n之间的整数。
7.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S3中使用偶联剂溶液、碳纳米管溶液、石墨烯溶液、聚氨酯溶液进行在线表面涂层处理。
8.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S3中纤维体积含量设定在40～50％之间，纤维带厚度设置在0.04mm以下，纤维带宽度设置为300mm。
9.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S4之前还包括步骤：
S40、将得到的涂层宽展纤维带烘干。
10.根据权利要求9所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述表面涂层处理的温度设置为60～80℃，烘干温度设置为120～150℃，收卷速度设置为10～20m/min。
11.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述步骤S4中涂层宽展纤维带与热塑性树脂复合的方法包括阵列打印法和粉末法。
12.根据权利要求11所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述阵列打印法具体为，利用多根热塑性树脂打印线材，经过一组喷头同时打印，将打印树脂按设定阵列形式打印到涂层宽展纤维带上。
13.根据权利要求11所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述粉末法具体采用特种工程塑料PEEK、PEKK、PPS、PA6T、PA10T。
14.根据权利要求1所述的纤维增强热塑性复合材料短流程制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括步骤：
S5、对S4所得复合材料进行损伤在线测试。
15.一种纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，该系统包括：
纤维离散组件，用于将纤维离散化处理；
浸润组件，用于将宽展纤维带进行在线浸润；
复合组件，用于将涂层宽展纤维带进行复合。
16.根据权利要求15所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，该系统还包括：
纤维放卷组件，用于向纤维离散组件输送纤维束；
复合材料带卷收组件，用于卷收复合材料带。
17.根据权利要求15所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于：所述纤维离散组件包括气流离散组件和机械离散组件。
18.根据权利要求17所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，所述气流离散组件包括除静电离子风机。
19.根据权利要求17所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，所述机械离散组件为凸辊、凹辊和平辊的组合。
20.根据权利要求15所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，所述浸润组件包括：
蠕动泵，用于向宽展纤维带在线喷洒浸润溶液；
牵引辊，用于牵引并烘干宽展纤维带。
21.根据权利要求15所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，所述复合组件包括：
树脂成型组件，用于在涂层宽展纤维带上形成树脂层；
熔融组件，用于将树脂层融化，并与涂层宽展纤维带复合；
辊压组件，用于将复合材料平展成型。
22.根据权利要求15所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，所述制造系统还包括：
损伤检测组件，用于在线检测复合材料的缺陷。
23.根据权利要求22所述的纤维增强热塑性复合材料制造系统，其特征在于，所述损伤检测组件具体包括超声波检测组件、红外检测组件。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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