CN108977937A - 用于制造碳纤维的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

用于制造碳纤维的方法和装置。向细丝施加压力，以改变细丝的横截面形状并在细丝上产生多个独特表面。将细丝转变成具有所述多个独特表面的石墨碳纤维。将多种胶料施加至石墨碳纤维的所述多个独特表面，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。

Description

用于制造碳纤维的方法和装置
技术领域
本公开总体上涉及碳纤维。更具体地说，本公开涉及用于利用聚丙烯腈材料和扁平化(flattening)工序来制造碳纤维的方法和装置。
背景技术
碳纤维具有高刚度、高拉伸强度、重量轻、耐化学性高、耐高温、以及热膨胀小的特点。这些特性使碳纤维在某些应用中特别有用，包括航空航天、土木工程、军事、以及其它类型的应用。碳纤维最常见的用途之一是形成复合材料。例如，碳纤维可以与树脂结合以形成复合材料。
典型地讲，碳纤维以连续丝束的形式来提供，该丝束是一束数百至数千个单独碳丝。这些碳丝形状为柱形，并且几乎全部由碳组成。碳纤维可以来源于不同类型的材料，包括但不限于，聚丙烯腈(PAN)、人造丝、以及石油沥青。
使用聚丙烯腈(PAN)细丝制造碳纤维的一种方法包括由PAN材料形成多根PAN细丝，其中PAN细丝具有柱形。PAN细丝可以展开成单层排，从而形成丝束带。该丝束带被张紧并加热，以碳化该丝束带中的PAN细丝。然后可以将该丝束带进一步张紧并加热以使丝束带中的碳丝石墨化。
可以将作为一种涂层的胶料(sizing)施加至碳纤维。胶料可以在处理和加工期间保护碳纤维，并且可以将碳纤维的细丝保持在一起。而且，当碳纤维要用于制造复合材料时，可以基于要在形成该复合材料中使用的树脂的类型来选择胶料。在某些情况下，可能希望将多种胶料施加至碳纤维以改善使用这些碳纤维形成的复合材料的质量。
另外，使用通过上述工序制造的碳纤维的设计和制造成本可能比期望的更昂贵。通过这种工序制造的一些碳纤维可能不具有所需级别的刚度。而且，用于碳化和石墨化所需的时间也可能比期望的更长。因此，希望具有一种考虑至少一些上面讨论的问题，以及其它可能问题的方法和装置。
发明内容
在一个例示性实施方式中，提供了一种用于制造碳纤维的方法。向细丝施加压力，以改变所述细丝的横截面形状并在所述细丝上产生多个独特表面。将所述细丝转变成具有所述多个独特表面的石墨碳纤维。将多种胶料施加至所述石墨碳纤维的所述多个独特表面，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。
在又一例示性实施方式中，提供了一种用于制造碳纤维的方法。将聚丙烯腈聚合物通过输出系统的多个开口挤出以形成多根细丝。利用辊系统将所述多根细丝中的每根细丝扁平化，以延长每根细丝的横截面形状，并在每根细丝上产生多个独特表面。所述多根细丝被转变成多根石墨碳纤维，并且所述多根石墨碳纤维中的每根都具有所述多个独特表面。将多种胶料施加至所述多根石墨碳纤维中的每根石墨碳纤维，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。
在另一例示性实施方式中，提供了一种装置，该装置包括：辊系统、热系统、以及多个表面施胶器。所述辊系统可以用于向细丝施加压力，以改变所述细丝的横截面形状并产生多个独特表面。所述热系统可以用于将所述细丝转变成石墨碳纤维。所述多个表面施胶器可以用于将多种胶料施加至所述石墨碳纤维的所述多个独特表面，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。
该特征和功能可以在本公开的不同实施方式中独立实现，或者可以在可以参照下列描述和附图看到进一步细节的其它实施方式中组合。
附图说明
例示性实施方式的新颖特征受信任特性在所附权利要求书中加以阐述。然而，当结合附图阅读时，该例示性实施方式以及优选使用模式、进一步的目的及其特征将通过参照本公开一例示性实施方式的下列详细描述而最佳地理解，其中：
图1是根据例示性实施方式的、采用框图形式的制造环境的例示图；
图2是根据例示性实施方式的纤维加工系统的例示图；
图3是根据例示性实施方式的用于扁平化纤维的一组横截面形状的例示图；
图4是根据例示性实施方式的用于制造一根碳纤维的工序的流程图；
图5是根据例示性实施方式的用于制造多根碳纤维的工序的流程图；
图6是根据例示性实施方式的用于将多根细丝变换成多根石墨碳纤维的工序的流程图；
图7是根据例示性实施方式的用于向碳纤维施胶的工序的流程图；
图8是根据例示性实施方式的飞机制造和保养方法的流程图；以及
图9是根据例示性实施方式的飞机的框图。
具体实施方式
该例示性实施方式认识并考虑不同事项。例如，该例示性实施方式认识到并考虑到，可能希望有这样一种用于制造碳纤维的方法和设备，即，其允许将不同胶料施加至单个碳纤维。具体来说，可能希望有这样的方法和装置，其用于按降低与设计且制造使用碳纤维的零部件相关联的总成本的方式，来制造这些碳纤维。
因此，该例示性实施方式提供了一种用于制造碳纤维的方法。在一个例示性实施方式中，将诸如聚丙烯腈聚合物这样的聚合物通过输出系统的多个开口挤出以形成多根细丝。可以向所述多根细丝中的每根细丝施加压力，以改变每根细丝的横截面形状，并在每根细丝上产生多个独特表面。例如，可以使每根细丝变扁平并延长以产生多个独特表面。所述多根细丝可以被转变成多根石墨碳纤维，并且所述多根石墨碳纤维中的每根都具有所述多个独特表面。可以将多种胶料施加至所述多根石墨碳纤维中的每根石墨碳纤维。例如，可以将第一种胶料施加至石墨碳纤维的一个表面，并且可以将第二种胶料施加至该石墨碳纤维的另一表面。这两种胶料可以同时或在不同时间施加至石墨碳纤维。
可以利用被配置成使所述多根细丝变扁平的辊系统，将压力施加至所述多根细丝。扁平化所述多根细丝可以使所述多根细丝中的每根细丝的横截面形状延长(或变扁平)。这种扁平化可以允许所述多根细丝中的细丝在制造期间更密集地结合在一起。因此，可以形成更密集压缩的碳纤维增强塑料(CFRP)。而且，可以利用更密集压缩的碳纤维来实现更高的零部件刚度，其继而可以导致使用这些碳纤维制造的复合零部件重量减轻。
此外，通过扁平化所述多根细丝而暴露的增加表面积可以允许将两种胶料容易地施加至所述多根细丝。例如，可以将第一种胶料施加至通过扁平化而暴露的所述多根细丝中的每根细丝的顶表面。可以将第二种胶料施加至通过扁平化而暴露的所述多根细丝中的每根细丝的底表面。
在一个例示例中，该胶料可以是两种不同类型的环氧树脂。当这些分子在预浸渍或树脂灌注期间渗入构成碳纤维床的所述多根细丝之间的空间时，使用这些不同的胶料可以帮助化学对齐四官能环氧分子。这种化学对齐可以增加碳纤维的均匀性。增强复合层压材料(如碳纤维增强塑料层压材料)内碳纤维的均匀性，可以增加复合层压材料的可允许的机械特性。增加复合层压材料的可允许的机械特性可以减少制造零部件所需的复合材料的量。因此，在碳化和石墨化之前使所述多根细丝变扁平可以帮助降低材料和制造成本，协同减轻重量，并提高整体制造效率。
另外，在碳化和石墨化之前使细丝变扁平可以减少碳化和石墨化所需的时间。这两个步骤所需的温度时间(time-at-temperature)可以根据热传导通过碳纤维的厚度来确定。已经辊压扁的碳纤维具有用于该热传导的更短的最小距离，从而减少碳化和石墨化所需的时间。而且，降低温度时间可以降低碳纤维的制造成本。
下面，参照附图，并且具体来说，参照图1，根据例示性实施方式，采用框图形式描绘了制造环境的例示图。制造环境100可以是制造碳纤维102的环境。
在这些例示例中，碳纤维102可以利用纤维加工系统104来制造。纤维加工系统104可以包括输出系统106、辊系统108、张紧系统110、热系统112、以及多个表面施胶器113。在一个例示例中，张紧系统110和热系统112是独立系统。在其它例示例中，张紧系统110和加热系统112可以组合以形成单个系统。
输出系统106具有多个开口116。输出系统106可以采取例如具有多个开口116的管芯114的形式。聚合物118可以通过输出系统106挤出，并且按多根细丝120的形式从多个开口116压出。在一个例示例中，聚合物118采取聚丙烯腈(PAN)聚合物122的形式。因此，多根细丝120也可以被称为多根PAN细丝。
在该例示例中，多个开口116中的每个开口可以具有圆形或近似圆形形状。因此，从输出系统106挤出的多根细丝120中的每根细丝可以具有柱形或近柱形的形状。例如，多根细丝120可以包括细丝121。细丝121可以具有大致柱形形状，使得细丝121具有大致圆形的横截面形状126。
辊系统108用于将压力124施加至多根细丝120，以改变多根细丝120中的每根细丝的横截面形状，并在每根细丝上产生独特表面。可以通过对每单位面积的细丝表面(力分布于其上)施加力，来将压力124施加至细丝(如细丝121)。
例如，在无限制的情况下，辊系统108可以用于施加压力124来改变细丝121的横截面形状126，并产生多个独特表面130。横截面形状126可以从大致圆形变成大致卵形、椭圆形、具有圆角的矩形、类似扁平形状，或者具有尖锐的、圆形的或两者的边缘的更扁平形状。按这种方式，细丝121的扁平化增加了细丝121的暴露表面积。
而且，扁平化细丝121产生多个独特表面130，从而提供施加不同胶料的更多表面。例如，在扁平化之前，细丝121可以具有带有一个连续外表面的大致柱形形状。扁平化细丝121可以产生由可以是尖锐的或圆形的边缘所形成的多个独特表面130。作为一个例示例，扁平化细丝121可以产生至少第一表面131和第二表面132。在一些情况下，第一表面131可以采取顶表面的形式，而第二表面132可以采取底表面的形式。
辊系统108可以以许多不同的方式来实现。在一个例示例中，在无限制的情况下，辊系统108可以包括彼此相对定位的第一辊127和第二辊128，在这两个辊之间的间隙最小或者没有间隙。在一个例示例中，第一辊127、第二辊128或两者可以具有粉末涂层，以保护多根细丝120并防止多根细丝120粘附至这些辊。
多根细丝120可以在第一辊127与第二辊128之间通过，以产生扁平化多根细丝120的压力124。作为一个例示例，第一辊127可以定位在多根细丝120上方，而第二辊128位于多根细丝120下方。多根细丝120在这两个辊之间连续行进，使多根细丝120扁平化。例如，细丝121在第一辊127与第二辊128之间行进扁平化了细丝121的横截面形状126。
通过辊系统108将多根细丝120扁平化可以使多根细丝120能够形成：可以在复合材料制造中更密集压缩的碳纤维102。具体来说，扁平化允许增加在形成碳纤维增强塑料时碳纤维的压缩密度。更高的压缩密度可以提高零部件的刚度和强度，这有可以导致使用这些碳纤维制造的复合材料的重量减轻。具体而言，更高的压缩密度可以允许增加复合材料内的纤维体积而不添加额外的碳纤维。
一旦多根细丝120已经如上所述被扁平化，就可以将多根细丝120张紧，同时将第一级热134施加至所述多根细丝120，以碳化所述多根细丝120。多根细丝120可以被碳化以形成多根无定形碳纤维135。例如，细丝121可以被张紧，同时将第一级热134施加至细丝121，以形成无定形碳纤维136。
热系统112例如可以无限制地包括一个或更多个炉。第一级热134可以是碳化多根细丝120而选择的较低级热。例如，在无限制的情况下，第一级热134可以处于大约600摄氏度与大约800摄氏度之间。在一些例示例中，第一级热134可以处于大约200摄氏度与大约1000摄氏度之间。在其它例示例中，第一级热134可以处于大约1000摄氏度与大约1600摄氏度之间。
张紧系统110用于执行张紧多根细丝120。在一个例示例中，张紧多根细丝120包括：以延长每根细丝并减小每根细丝的直径的方式来拉伸多根细丝120，但不会过度改变每根细丝的横截面形状。例如，在无限制的情况下，多根细丝120可以在一系列辊139上拉伸，以使多根细丝120中的每一根变得更长和更细，从而使多根细丝120联合(band)在一起。
在该例示例中，热系统112在张紧多根细丝120之前和在张紧多根细丝120的至少一部分时间期间，将第一级热134施加至多根细丝120。在其它例示例中，热系统112在张紧多根细丝120之后将第一级热134施加至多根细丝120。
可以使用张紧系统110来对多个无定形碳纤维135进一步张紧，同时利用热系统112施加第二级热140，以形成多根石墨碳纤维138。例如，无定形碳纤维136可以被进一步张紧，同时将第二级热140施加至无定形碳纤维135，以形成石墨碳纤维142。在一些例示例中，石墨碳纤维142的中间内部部分可以保持无定形。
这种二次张紧和加热工序可以按与上述第一次张紧和加热工序类似的方式来执行。然而，可以以比施加至细丝121更大量的张力来拉伸无定形碳纤维136。
而且，第二级热140可以是比第一级热134更高级别的热。具体来说，可以将第二级热140选择成，引起无定形碳纤维136的石墨化。例如，第二级热140可以高于1000摄氏度。在一些情况下，第二级热140可以高于1200摄氏度。仍在其它例示例中，第二级热140可以处于大约1600摄氏度与大约3000摄氏度之间。
利用辊系统108使多根细丝120扁平化减少了多根细丝120中的每一根的厚度。相应地，减少了由热系统112生成的热穿过该厚度所需的时间。因此，多根细丝120的扁平化减少了使多根细丝120碳化和石墨化所需的总体时间。
在一些例示例中，热系统112可以包括一组炉141，用于分别向多根细丝120施加第一级热134，和向多根无定形碳纤维135施加第二级热140。一组炉141可以包括：能够在第一级热134与第二级热140之间切换的一个炉，或者用于提供这两个不同级别的热的两个炉。类似地，张紧系统110可以包括一组张紧装置143，用于向多根细丝120施加第一张力量和向多根无定形碳纤维135施加第二张力量。一组张紧装置143可以包括：用于提供施加这些不同量的张力的一个张紧装置或者多个张紧装置。
因为辊系统108产生多个不同独特130，所述多个不同独特130暴露在多根细丝120的每根细丝上，并由此在多根石墨碳纤维138的中每根石墨碳纤维上暴露，所以可以将多种胶料145施加至每根石墨碳纤维。例如，在无限制的情况下，可以将多种胶料145可以施加至石墨碳纤维142上的多个独特表面130。在一个例示例中，可以将不同的胶料施加至石墨碳纤维142的每个独特表面。在其它例示例中，石墨碳纤维142的每两个独特表面可以涂覆有不同的胶料。
作为一个例示例，可以将第一胶料144施加至石墨碳纤维142的第一表面。而且，可以将第二胶料148施加至石墨碳纤维142的第二表面。
第一胶料144和第二胶料148是保护石墨碳纤维142的物理特性的化学处理。而且，这些胶料可以提供润滑以便于处理。更进一步，这些胶料可以使树脂更容易地粘合至石墨碳纤维142。第一胶料144和第二胶料148可以被选择成，使得这两种胶料相互吸引，以防止石墨碳纤维142的不希望的扭曲。在一个例示例中，第一胶料144和第二胶料148都使用环氧树脂水基胶料。
将两种不同的胶料施加至石墨碳纤维142可以允许定制石墨碳纤维142，并且可以提高使用石墨碳纤维142产生的任何复合层压材料中的均匀性。具体而言，使用两种不同的环氧树脂胶料可以在化学对齐四官能环氧分子，因为这些分子渗入石墨碳纤维细丝之间的空间，这可以改善均匀性。更均匀的碳纤维可以允许制造更均匀的复合层压材料，其又可以减少所需的复合材料的量，这有可以降低材料和制造成本并且减少重量。
利用多个表面施胶器113之一将多种胶料145中的每种胶料施加至石墨碳纤维142。具体来说，可以将多个表面施胶器113中的每一个配置为用于向一个独特表面施加一种胶料。换句话说，多个表面施胶器113中的每一个可以是：用于向石墨碳纤维142的单个表面或尺寸施加一种胶料的装置。根据该实现，可以将多个表面施胶器113用于同时、连续地，或者按不同时间将多种胶料145施加至石墨碳纤维142的多个独特表面130中的各个表面。
多个表面施胶器113可以以许多不同的方式来实现。例如，多个表面施胶器113中的一表面施胶器可以包括：施胶辊150、施胶喷射器152、施胶刷154、或化学浴槽155中的至少一个。
如在此使用的，当与列表项目一起使用时，短语“至少一个”意指可以使用列出项目中的一个或更多个的不同组合，并且可以需要列表中的项目中的仅一个。该项目可以是特殊物体、事物、步骤、操作、工序或类别。换句话说，“…中的至少一个”意指项目的任何组合，或者项目数可以根据列表使用，但可以不需要列表中的所有项目。
例如，在无限制的情况下，“项目A、项目B或项目C中的至少一个”或者“项目A、项目B以及项目C中的至少一个”可以意指：项目A；项目A和项目B；项目B；项目A、项目B以及项目C；项目B和项目C；或者项目A和项目C。在一些情况下，“项目A、项目B或项目C中的至少一个”或者“项目A、项目B以及项目C中的至少一个”可以意指但不限于，项目A中的两个、项目B中的一个、和项目C中的十个；项目B中的四个和项目C中的七个；或者某一其它合适组合。
施胶辊150允许将胶料施加到表面上。施胶喷射器152允许将胶料喷洒到表面上施胶刷154允许将胶料刷到表面上。而且，化学浴槽155允许在这些其它施用器之一已用于对单个表面施加胶料之后，将不同胶料施加至剩余表面。例如，可以将施胶辊150、施胶喷射器152以及施胶刷154之一用于向一个表面施加胶料。然后可以使用化学浴槽155将不同胶料施加至一个或更多个其它表面。
在一些情况下，施胶辊150和施胶喷射器152都可以用于将两种不同的胶料施加至多个独特表面130中的两个不同表面。施加两种不同的胶料可以同时或按不同时间执行。在其它情况下，可以将至少两种不同的胶料施加至同一独特表面的不同部分。按这种方式，根据该实现，可以使用来自多个表面施胶器113中的两个或更多个相同类型或不同类型的表面施胶器，同时或按不同时间将分离的胶料施加至多个独特表面130中的至少两个独特表面。
按这种方式，使用辊系统108来扁平化细丝121的横截面形状126可以改善所生产的石墨碳纤维142的质量。而且，使用上述工序和系统制造碳纤维102可以提高制造效率，并降低与复合材料制造相关联的制造成本。
图1中的例示不意指暗示针对可以实现例示性实施方式的方式的物理或结构性限制。除了或者代替所示组件，还可以使用其它组件。一些组件可以是可选的。而且，呈现框图来例示一些功能组件。当在例示性实施方式中实现时，这些框中的一个或更多个可以组合、划分，或者组合和划分成不同框。
例如，在一些情况下，纤维加工系统104可以包括氧化系统156。氧化系统156可以用于热氧化多根细丝120。在一个例示例中，氧化系统156可以在低于大约300摄氏度的温度下在空气中热氧化多根细丝120。热氧化多根细丝120稳定了多根细丝120。可以在多根细丝120碳化之前进行多根细丝120的氧化。根据该实现，可以在扁平化多根细丝120之前或之后执行氧化。
下面，参照图2，根据例示性实施方式，描绘了纤维加工系统的的例示图。纤维加工系统200可以是用于图1中的纤维加工系统104的一个实现的示例。
如图所绘，纤维加工系统200包括输出系统202、辊系统204、氧化系统205、碳化系统206、石墨化系统207、第一施胶辊208、以及第二施胶辊210。在该例示例中，输出系统202和辊系统204分别可以是用于图1中的输出系统106、辊系统108的实现的示例。第一施胶辊208和第二施胶辊210可以是用于图1中的多个表面施胶器113的一个实现的示例。
如图所绘，聚合物211通过输出系统202挤出，并且作为多根细丝212被压出输出系统202。多根细丝212可以是用于图1中的多根细丝120的一个实现的示例。在该例示例中，多根细丝212可以统称为PAN纤维214。而且，多根细丝212中的每一根可以具有大致柱形，使得每根细丝具有大致圆形的横截面形状。
辊系统204接收多根细丝212，并对多根细丝施加压力以改变多根细丝212中的每一根的横截面形状，并在每根细丝上产生多个独特表面。如图所绘，辊系统204可以包括第一辊216和第二辊218。多根细丝212在第一辊216与第二辊218之间通过，使多根细丝212的横截面形状扁平化。例如，多根细丝212中的每一根的大致圆形横截面形状可以被改变成大致卵形、椭圆、或具有圆角的矩形。
在该例示例中，在第一辊216与第二辊218之间扁平化多根细丝212，为多根细丝212中的每一根产生多个独特表面。例如，扁平化每根细丝可以产生限定多个独特表面的多个边缘，其可以包括顶表面和底表面。限定所述多个独特表面的边缘可以是圆形的或尖锐的，取决于所执行的扁平化的程度和类型。而且，与多根细丝212中的每一根具有柱形时相比，扁平化多根细丝212可以产生更多的暴露表面积。
在一些例示例中，多根细丝212可在被氧化系统205接收之前被拉伸。例如，在无限制的情况下，纤维加工系统200还可以包括用于拉伸多根细丝212的拉伸系统213。在一个例示例中，张紧系统213包括一系列辊(未示出)，其可以用于拉伸多根细丝212以使每根细丝更长更细，而不会过度改变每根细丝的横截面形状。
氧化系统205可在多根细丝212已被拉伸之后接收PAN纤维214。氧化系统205可以热氧化PAN纤维214。
此后，碳化系统206碳化PAN纤维214以形成无定形碳纤维220。无定形碳纤维220可以是用于图1中的多个无定形碳纤维135的一个实现的示例。在一个例示例中，碳化系统206可以包括炉，该炉施加具有选定温度的第一级热，以碳化PAN纤维214。
石墨化系统207通过对无定形碳纤维220施加第二级热，来石墨化无定形碳纤维220。第二级热可以高于由碳化系统206施加的第一级热，并且可以被选择成石墨化无定形碳纤维220。石墨碳纤维222可以是用于图1中的多根石墨碳纤维138的一个实现的示例。
此后，通过在石墨碳纤维222的顶表面上方运行第一施胶辊208，而将第一胶料施加至石墨碳纤维222。具体来说，第一施胶辊208可以从化学浴槽223中拾取胶料，并且随着第一施胶辊208在石墨碳纤维222的顶表面上行进而将该胶料施加至这些顶表面。可以配制第一胶料以保护石墨碳纤维222的物理特性，并制备用于与其它材料结合的石墨碳纤维222。
另外，通过在石墨碳纤维222的底表面上方运行第二施胶辊210，而将第二胶料施加至石墨碳纤维222。具体来说，第二施胶辊210可以从化学浴槽225中拾取胶料，并且随着第二施胶辊210在石墨碳纤维222的底表面上行进而将该胶料施加至这些底表面。可以配制第二胶料以保护石墨碳纤维222的物理特性，并制备用于与其它材料结合的石墨碳纤维222。
一旦将第一胶料和第二胶料施加至石墨碳纤维222，这些石墨碳纤维222就可以围绕线轴224旋转，以形成碳丝束226。碳丝束226可以用于制造复合层压材料。
图2例示的纤维加工系统200不意指暗示针对可以实现例示性实施方式的方式的物理或结构性限制。除了或者代替所示组件，还可以使用其它组件。一些组件可以是可选的。
图2中示出的不同组件可以是：图1中的采用框形式示出的组件可以怎样实现为物理结构的例示例。另外，图2中的一些组件可以与图1中的组件组合，与图1中的组件一起使用，或者这两种情况的组合。
下面，参照图3，根据例示例，描绘了用于扁平化纤维的一组横截面形状的例示图。该组横截面形状300可以包括：在通过辊系统(如图1中的辊系统108)扁平化细丝之后，针对细丝(如图1中的细丝121)的潜在横截面形状。
如图所绘，该组横截面形状300可以：包括第一形状302、第二形状304、第三形状306以及第四形状308。尽管仅描绘了四个潜在的横截面形状，但该组横截面形状300可以包括根据实现的其它潜在形状。
第一形状302可以是限定第一表面310和第二表面312的椭圆形状。第二形状304可以是限定第一表面314和第二表面316的具有边缘的矩形形状。第三形状306可以是限定第一表面318和第二表面320的具有更加圆的边缘的另一矩形形状。第四形状308可以是限定第一表面322、第二表面324以及第三表面326的三角形形状。
按这种方式，细丝(如图1中的细丝121)可以被扁平化以形成各种形状。与具有大致圆形横截面形状的细丝相比，具有这些形状的细丝可以转变成可以在复合材料制造中更密集压缩的碳纤维。而且，利用包括在一组横截面形状300中的潜在形状类型，可以将不同胶料容易地施加至碳纤维的独特表面。
下面，参照图4，根据例示例，以流程图的形式描绘了用于制造碳纤维的工序的例示图。图4中所示的工序可以利用图1中的光纤加工系统104或图2中所描述的纤维加工系统200来实现。
该工序可以通过将聚合物通过输出系统的开口挤出以形成细丝而开始(操作400)。在该例示例中，聚合物可以是聚丙烯腈。操作400中的细丝形式可以具有柱形形状，其具有大致圆形的横截面形状。因此，该细丝可以具有单个连续的外表面。
接下来，向该细丝施加压力，以改变细丝的横截面形状并在该细丝上产生多个独特表面(操作402)。具体来说，在操作402，可以将该细丝扁平化。换句话说，细丝的横截面形状可以从大致圆形变成大致卵形、椭圆形、具有圆角的矩形，或者限定多个独特表面的某一其它类型的横截面形状。所述多个独特表面可以由圆化或尖锐的边缘限定，取决于在操作402中执行的扁平化的程度和类型。
此后，将该细丝转变成具有所述多个独特表面的石墨碳纤维(操作404)。接下来，将多种胶料施加至石墨碳纤维的所述多个独特表面(操作406)。此后，工序终止。在操作406，石墨碳纤维的至少两个独特表面可以涂覆有两种不同的胶料。在一个例示例中，将不同的胶料施加至石墨碳纤维的每个独特表面。例如，在无限制的情况下，可以将第一种胶料施加至石墨碳纤维的顶表面，同时可以将第二种胶料施加至该石墨碳纤维的底表面。
下面，参照图5，根据例示例，以流程图的形式描绘了用于制造多根碳纤维的工序的例示图。可以利用图1中的光纤加工系统104或图2中所描述的纤维加工系统200，来实现图5中所示的工序。
该工序可以通过将聚丙烯腈材料通过模具的多个开口挤出以形成具有白色的多根细丝而开始(操作500)。在操作500，所述多根细丝也可以被称为多根PAN细丝。
接下来，可以利用辊系统将所述多根细丝中的每根细丝进行扁平化，以延长每根细丝的横截面形状，并在每根细丝上产生多个独特表面(操作502)。在操作502，每根细丝的横截面形状可以从大致圆形形状变成大致卵形、椭圆形、或具有圆角的矩形形状。在一些例示例中，在操作502，所述多根细丝可以在第一组辊与第二组辊之间通过。在操作502中所述多根细丝的扁平化增加了所述多根细丝的暴露表面积。而且，所述多根细丝的扁平化产生了限定多个独特表面的边缘。这些边缘可以是圆化或尖锐的。
然后，可以将所述多根细丝热氧化(操作504)。在操作504，可以将所述多根细丝在比碳化所述多根细丝所需的热级更低的热级下热氧化。例如，所述多根细丝可以在小于大约400摄氏度下氧化。
此后，所述多根细丝可以转变成具有灰色的多根无定形碳纤维，其中，所述多根无定形碳纤维中的每一根具有所述多个独特表面(操作504)。可以使用拉伸所述多根细丝的拉伸系统和加热所述多根细丝的热系统来执行操作504。在操作504，所述多根细丝可以通过拉伸而变得更长更细。拉伸所述多根细丝可以使各种细丝联合在一起。在拉伸之前使所述多根细丝扁平化，使得所述多根细丝能够形成更密集压缩的细丝带。在操作504，可以以选定的第一级热来加热所述多根细丝，以使所述多根细丝碳化并形成所述多根无定形碳纤维。
接下来，可以将所述多根无定形碳纤维转变成具有黑色的多根石墨碳纤维，其中，所述多根石墨碳纤维中的每一根具有所述多个独特表面(操作506)。操作506可以按与操作506类似的方式来执行，但是所述多根无定形碳纤维可以按高于第一级热的第二级热进行加热以引起石墨化。
此后，可以将多种胶料施加至所述多根石墨碳纤维中的每根石墨碳纤维(操作508)，此后，该处理终止。在操作508，可以将不同的胶料施加至每根石墨碳纤维的每个不同的独特表面。例如，在无限制的情况下，可以将第一胶料施加至所述多个石墨碳纤维的顶表面，同时可以将第二胶料施加至所述多个石墨碳纤维的底表面。
下面，参照图6，根据例示例，以流程图的形式描绘了用于将多根细丝变换成石墨碳纤维的工序的例示图。可以利用图1中的光纤加工系统104或图2中所描述的纤维加工系统200来实现图6中所示的工序。
该工序可以通过在第一炉内接收细丝而开始(操作600)。将第一级热施加至细丝，以将该细丝转变成无定形碳纤维(操作602)。
此后，在第二炉内接收该无定形碳纤维(操作604)。对该无定形碳纤维施加第二级热，以将该无定形碳纤维变换成石墨碳纤维，该第二级热高于第一级热(操作606)，此后，该处理终止。
下面，参照图7，根据例示例，以流程图的形式描绘了用于向石墨碳纤维施胶的工序的例示图。可以利用图1中的光纤加工系统104或图2中所描述的纤维加工系统200来实现图7中所示的工序。
该工序可以通过利用第一表面施胶器对石墨碳纤维的第一表面施加第一胶料而开始(操作700)。在操作700，第一表面施胶器可以采用以下形式，例如而不限于，施胶辊、施胶喷射器、施胶刷、或者使能将第一胶料施加至石墨碳纤维的单个表面的某一其它类型的施用装置。
接下来，可以利用第二表面施胶器将第二胶料施加至石墨碳纤维的第二表面(操作702)，此后，该处理终止。在操作702，第二表面施胶器可以在不影响已经施加至石墨碳纤维的第一胶料的情况下，采用以下形式，例如而不限于，施胶辊、施胶喷射器、施胶刷、化学浴槽、或者使能将第二胶料施加至石墨碳纤维的不同表面的某一其它类型的施用装置。
不同的描绘实施方式中的流程图和框图在例示性实施方式中例示了装置和方法的一些可能实现的设计、架构以及功能。在这点上，流程图或框图中的每一个框都可以表示模块、区段、功能、和/或操作或步骤的一部分。
在例示性实施方式的一些另选实现中，这些框中提到的功能或多个功能可以出现在图中所提到的次序之外。例如，在一些情况下，根据所涉及的功能，接连示出的两个框可以大致同时执行，或者这些框有时可以按逆序执行。而且，除了流程图或框图中的所示的框以外，还可以添加其它框。
本公开的例示性实施方式可以在如图8所示的飞机制造和保养方法800和如图9所示飞机900的背景下加以描述。首先转至图8，根据例示性实施方式，描绘了飞机制造保养方法的流程图。在预生产期间，飞机制造和保养方法800可以包括图9中的飞机900的规范和设计802以及物资采购804。
在生产期间，进行图9中的飞机900的部件和子组件制造806以及系统集成808。此后，图9中的飞机900可以经历认证和交付810，以便付诸使用812。当处于消费者使用中812时，图9中的飞机900被安排例行维护和保养814，其可以包括：修改、修理、整修以及其它维护或保养。
飞机制造和保养方法800的每一个工序都可以通过系统集成商、第三方、和/或运营商来执行或完成。在这些示例中，运营商可以是消费者。出于本描述的目的，系统集成商可以无限制地包括任何数量的飞机制造商和主系统分包商；第三方可以无限制地包括任何数量的厂商、分包商、以及供应商；而运营商可以是航线、租赁公司、军事实体、保养机构等。
下面，参照图9，描绘了可以实现例示性实施方式的飞机的框图。在这个示例中，飞机900通过图8中的飞机制造和保养方法800来生产，并且可以包括：具有多个系统904和内部906的机体902。系统904的示例包括以下中的一个或更多个：推进系统908、电气系统910、液压系统912以及环境系统914。可以包括任何数量的其它系统。尽管示出了航天示例，但可以将不同的例示性实施方式应用至诸如汽车工业这样的其它工业。
可以在图8的飞机制造和保养方法800的至少一个阶段期间加以采用在此具体实施的装置和方法。具体而言，图1中描述的纤维加工系统104和图2中描述的纤维加工系统200可以用于在飞机制造和保养方法800的任何一个阶段期间制造碳纤维102。例如，在无限制的情况下，这些系统可以用于在规范和设计802、物资采购804、部件和子组件制造806、系统集成808、例行维护和保养814、或者飞机制造和保养方法800的某一其它阶段中的至少一个期间制造碳纤维102，以供用于制造复合材料。该复合材料可以用于组装飞机900的子部件的任何部件的组件中，包括机身902和内部906。
在一个例示例中，在图8中的部件和子组件制造806中生产的部件或子组件可以按与图8中当飞机900在使用中1时所生产的部件或子组件类似的方式，来制作或制造。还作为另一示例，一个或更多个装置实施方式、方法实施方式、或其组合可以在诸如图8中的部件和子组件制造806和系统集成808的生产阶段期间加以利用。当飞机900在使用812中和/或在图8中的维护和保养814期间时，可以利用一个或更多个组装实施方式、方法实施方式、或其组合。使用多个不同的例示例可以实质上加速组装飞机900和/或降低成本。
本发明还涉及下面的条款，这些条款不会与权利要求书混淆。
A1.一种用于制造碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：
向细丝(121)施加(402)压力(124)，以改变所述细丝(121)的横截面形状(126)并在所述细丝(121)上产生多个独特表面(130)；
将所述细丝(121)转变(404)成具有所述多个独特表面(130)的石墨碳纤维(142)；以及
将多种胶料(145)施加(406)至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。
A2.还提供了根据段落A1的方法，其中，向所述细丝(121)施加(402)压力(124)的步骤包括以下步骤：
向所述细丝(121)施加压力成形力，以将所述细丝(121)的横截面形状(126)从大致圆形改变成扁平形状，从而产生用于所述细丝(121)的顶表面(131)和底表面(132)。
A3.还提供了根据段落A2的方法，其中，施加(406)所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将第一胶料(144)施加至所述石墨碳纤维(142)的第一表面；并且
将不同于所述第一胶料(144)的第二胶料(148)施加至所述石墨碳纤维(142)的第二表面。
A4.还提供了根据段落A1的方法，所述方法还包括以下步骤：
将聚合物(118)通过输出系统(106)的开口挤出，以形成所述细丝(121)。
A5.还提供了根据段落A4的方法，其中，挤出所述聚合物(118)的步骤包括以下步骤：
将聚丙烯腈聚合物(122)从所述输出系统(106)的所述开口挤出，以形成所述细丝(121)，其中，所述细丝(121)具有白色。
A6.还提供了根据段落A1的方法，其中，将所述细丝(121)转变成所述石墨碳纤维(142)的步骤包括以下步骤：
在向所述细丝(121)施加第一级热(134)的同时张紧所述细丝(121)，以形成无定形碳纤维(136)；并且
在对所述无定形碳纤维(136)施加第二级热(140)的同时张紧所述无定形碳纤维(136)，以形成石墨碳纤维(142)。
A7.还提供了根据段落A6的方法，其中，张紧所述细丝(121)的步骤包括以下步骤：
在利用炉向所述细丝(121)施加第一级热(134)的同时张紧所述细丝(121)，以形成具有灰色的无定形碳纤维(136)。
A8.还提供了根据段落A7的方法，其中，张紧所述无定形碳纤维(136)的步骤包括以下步骤：
在利用炉对所述无定形碳纤维(136)施加第二级热(140)的同时张紧所述无定形碳纤维(136)，以形成具有黑色的石墨碳纤维(142)。
A9.还提供了根据段落A6的方法，其中，张紧所述无定形碳纤维(136)的步骤包括以下步骤：
在利用炉对所述无定形碳纤维(136)施加第二级热(140)的同时张紧所述无定形碳纤维(136)，以形成石墨碳纤维(142)，其中，所述石墨碳纤维(142)的中间内部部分保持无定形。
A10.还提供了根据段落A1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
利用第一施胶(144)辊将第一胶料(144)施加至所述石墨碳纤维(142)的第一表面；并且
利用第二施胶(148)辊将第二胶料(148)施加至所述石墨碳纤维(142)的第二表面。
A11.还提供了根据段落A1的方法，其中，向所述细丝(121)施加所述压力(124)的步骤包括以下步骤：
向所述细丝(121)施加压力(124)，以将所述细丝(121)的横截面形状(126)从大致圆形改变成大致卵形、椭圆形、以及具有圆角的矩形之一，从而增加所述细丝(121)的暴露表面积。
A12.还提供了根据段落A1的方法，其中，向所述细丝(121)施加所述压力(124)减少了将所述细丝(121)转变成所述石墨碳纤维(142)所需的时间。
A13.还提供了根据段落A1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
利用施胶辊(150)将第一胶料(144)施加至所述石墨碳纤维(142)的第一表面；以及
利用化学浴槽(155)将第二胶料(148)施加至所述石墨碳纤维(142)的第二表面。
A14.还提供了根据段落A1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
利用施胶辊(150)、施胶喷射器(150)、施胶刷(154)、或化学浴槽(155)中的至少一个，将所述多种胶料(145)中的每种胶料施加至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)中的对应独特表面。
A15.还提供了根据段落A1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将至少所述两种不同胶料同时施加到至少两个独特表面(130)。
A16.还提供了根据段落A1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将至少两种不同胶料施加至所述多个独特表面(130)中的独特表面的不同部分。
A17.还提供了根据段落A1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将胶料同时施加至第一表面和第二表面两者。
A8.根据权利要求A1至A17中的任一项所述的方法组装的飞机的一部分。
B1.一种用于制造碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：
将聚丙烯腈聚合物(122)通过输出系统(106)的多个开口(116)挤出，以形成多根细丝(120)；
利用辊系统(108)将所述多根细丝(120)中的每根细丝扁平化，以延长每根细丝(121)的横截面形状(126)，并在每根细丝(121)上产生多个独特表面(130)；
将所述多根细丝(120)转变成多根石墨碳纤维(142)，并且所述多根石墨碳纤维(142)中的每根都具有所述多个独特表面(130)；以及
将多种胶料(145)施加至所述多根石墨碳纤维(142)中的每根石墨碳纤维(142)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。
B2.还提供了根据段落B1的方法，其中，将所述多根细丝(120)转变成多根石墨碳纤维(142)的步骤包括以下步骤：
按第一级热(134)加热所述多根细丝(120)，以形成多根无定形碳纤维(135)；以及
按第二级热(140)加热所述多根无定形碳纤维(135)，以形成所述多根石墨碳纤维(142)，其中，所述第二级热(140)高于所述第一级热(134)。
B3.还提供了根据段落B1的方法，所述方法还包括以下步骤：
在以所述第一级热(134)加热所述多根细丝(120)之前，按比所述第一级热(134)低的热级对所述多根细丝(120)进行热氧化。
B4.还提供了根据段落B1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将第一胶料(144)施加至所述多根石墨碳纤维(142)中的每根石墨碳纤维的顶表面(131)；以及
将第二胶料(148)施加至所述多根石墨碳纤维(142)中的每根石墨碳纤维的底表面(132)。
B5.还提供了根据段落B1的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
利用施胶辊(150)、施胶喷射器(150)、施胶刷(154)、或化学浴槽(155)中的至少一个，将所述多种胶料(145)中的每种胶料施加至所述多根石墨碳纤维(142)中每根石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)中的对应独特表面。
B6.根据权利要求B1至B5中的任一项所述的方法组装的飞机的一部分。
C1.一种装置，该装置包括：
辊系统(108)，该辊系统(108)用于向细丝(121)施加压力(124)以改变所述细丝(121)的横截面形状(126)并产生多个独特表面(130)；
热系统(112)，该热系统用于将所述细丝(121)转变成石墨碳纤维(142)；以及
多个表面施胶器(113)，所述多个表面施胶器用于将多种胶料(145)施加至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。
C2.还提供了根据段落C1的装置，其中，所述多个表面施胶器(113)中的一表面施胶器包括施胶辊(150)、施胶喷射器(150)、施胶刷(154)，或化学浴槽(155)中的至少一个。
C3.还提供了根据段落C1的装置，所述装置还包括：
张紧系统(110)，该张紧系统(110)用于在加热所述细丝(121)之前、在加热所述细丝(121)的同时、或者在加热所述细丝(121)之后中的至少一者，张紧所述细丝(121)。
C4.还提供了根据段落C1的装置，其中，所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)包括：
顶表面(131)；以及
底表面(132)。
C5.还提供了根据段落C4的装置，其中，所述多种胶料(145)包括：
要施加在所述顶表面(131)上的第一胶料(144)；以及
要施加在所述底表面(132)上的第二胶料(148)。
C6.还提供了根据段落C1的装置，其中，所述热系统(112)使用第一级热(134)将所述细丝(121)转变成无定形碳纤维(136)，并且使用第二级热(140)将所述细丝(121)转变成石墨碳纤维(142)。
C7.还提供了根据段落C6的装置，其中，所述无定形碳纤维(136)具有灰色，而所述石墨碳纤维(142)具有黑色。
C8.还提供了根据段落C6的装置，其中，所述石墨碳纤维(142)的中间内部部分保持无定形。
C9.还提供了根据段落C1的装置，其中，所述细丝(121)由聚丙烯腈聚合物(122)组成。
C10.还提供了根据段落C1的装置，其中，所述辊系统(108)包括具有粉末涂层的至少一个辊，该粉末涂层用于保护所述细丝(121)并且防止所述细丝(121)粘附至所述辊系统(108)。
C11.还提供了根据段落C1的装置，其中，所述热系统(112)包括：
第一炉，该第一炉用于按第一级热(134)加热所述细丝(121)，以形成无定形碳纤维(136)；以及
第二炉，该第二炉用于按第二级热(140)加热所述细丝(121)，以形成石墨碳纤维(142)。
C12.还提供了根据段落C1的装置，所述装置还包括：
输出系统(106)，该输出系统具有开口，聚合物(118)经由该开口挤出以形成所述细丝(121)。
C13.利用根据权利要求C1至C12中的任一项所述的装置来制造飞机的一部分。
不同例示性实施方式的描述已经出于例示和描述的目的而进行了呈现，而非旨在排它或限制于所公开形式的实施方式。本领域普通技术人员应当清楚许多修改例和变型例。而且，与其它希望实施方式相比，不同的例示性实施方式可以提供不同的特征。选择并描述该实施方式或多个实施方式，以便最佳地说明这些实施方式、实践应用的原理，并且使得本领域普通技术人员能够针对具有如适于预期特定用途的各种修改例的各种实施方式来理解本公开。

Claims (15)

1.一种用于制造碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：
向细丝(121)施加(402)压力(124)，以改变所述细丝(121)的横截面形状(126)并在所述细丝(121)上产生多个独特表面(130)；
将所述细丝(121)转变(404)成具有所述多个独特表面(130)的石墨碳纤维(142)；以及
将多种胶料(145)施加(406)至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述细丝(121)施加(402)压力(124)的步骤包括以下步骤：
向所述细丝(121)施加压力成形力，以将所述细丝(121)的所述横截面形状(126)从大致圆形改变成扁平形状，从而产生用于所述细丝(121)的顶表面(131)和底表面(132)。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述细丝(121)转变成所述石墨碳纤维(142)的步骤包括以下步骤：
在向所述细丝(121)施加第一级热(134)的同时张紧所述细丝(121)，以形成无定形碳纤维(136)；以及
在向所述无定形碳纤维(136)施加第二级热(140)的同时张紧所述无定形碳纤维(136)，以形成石墨碳纤维(142)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
利用施胶辊(150)、施胶喷射器(150)、施胶刷(154)、或化学浴槽(155)中的至少一个，将所述多种胶料(145)中的每种胶料施加至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)中的对应独特表面。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将至少所述两种不同胶料同时施加到至少两个独特表面(130)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将至少两种不同胶料施加至所述多个独特表面(130)中的独特表面的不同部分。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：
将胶料同时施加至第一表面和第二表面两者。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法组装的飞机的一部分。
9.一种装置，该装置包括：
辊系统(108)，该辊系统(108)用于向细丝(121)施加压力(124)，以改变所述细丝(121)的横截面形状(126)并产生多个独特表面(130)；
热系统(112)，该热系统(112)用于将所述细丝(121)转变成石墨碳纤维(142)；以及
多个表面施胶器(113)，所述多个表面施胶器(113)用于将多种胶料(145)施加至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。
10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述多个表面施胶器(113)中的表面施胶器包括施胶辊(150)、施胶喷射器(150)、施胶刷(154)、化学浴槽(155)中的至少一个。
11.根据权利要求9所述的装置，所述装置还包括：
张紧系统(110)，该张紧系统(110)用于在加热所述细丝(121)之前、在加热所述细丝(121)的同时、或者在加热所述细丝(121)之后中的至少一者，张紧所述细丝(121)。
12.根据权利要求9所述的装置，其中，所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)包括：
顶表面(131)；以及
底表面(132)。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述热系统(112)包括：
第一炉，该第一炉用于按第一级热(134)加热所述细丝(121)，以形成无定形碳纤维(136)；以及
第二炉，该第二炉用于按第二级热(140)加热所述细丝(121)，以形成石墨碳纤维(142)。
14.根据权利要求9所述的装置，所述装置还包括：
输出系统(106)，该输出系统(106)具有开口，聚合物(118)经由该开口挤出以形成所述细丝(121)。
15.利用根据权利要求9至14中的任一项所述的装置来制造飞机的一部分。
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