CN110139743A - 纤维增强聚合物制造 - Google Patents

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Abstract

一种制造包含纤维增强聚合物材料的产品(300)的方法，该方法包括以下步骤：‑提供(10)嵌入在热固性树脂中的碳纤维；‑通过流过所述碳纤维的至少一部分的电流将所述热固性树脂加热(20)至其固化温度；‑将所述热固性树脂转化(30)为热固性聚合物。本发明还涉及用于执行该方法的装置以及根据该方法制造的复合夹层板结构。

Description

纤维增强聚合物制造
这里提出的发明涉及一种制造包含纤维增强聚合物材料的产品的方法。在其他方面，本发明涉及一种用于执行该方法的装置以及一种根据该方法制造的复合夹层板结构。
纤维增强聚合物是已知的一类复合材料。纤维增强聚合物(FRP)材料的成分是形成基质的聚合物和形成增强物的纤维。聚合物包围纤维并稳定它们的相对位置。除了其他特性之外，纤维给复合材料提供了改善的刚度和拉伸强度。包含纤维增强聚合物材料的产品的已知制造方法包括将纤维布置成期望的几何形状、用树脂浸泡或浸渍纤维并固化树脂。在固化过程结束时，树脂转化为聚合物基质。在这种制造过程中使用的典型树脂是环氧树脂。取决于所使用的树脂，可以有几种启动固化过程的可能性。广泛的固化方式是热固化，即将树脂加热到发生聚合的温度。在环氧树脂的情况下，该固化温度约为180℃。固化过程通常在烘箱中进行。在某些情况下，可能需要施加高压或真空，使得该过程需要在热压罐中进行。成形器或模具将纤维和树脂保持在期望的几何形状，直到聚合物固化并使所得产品稳定。将成形器或模具与浸泡在树脂中的纤维一起放入烘箱中。这样的成形器或模具通常由钢或铝制成，因为它们应提供机械稳定性，应能承受树脂固化温度左右的温度，并且不应妨碍热从烘箱流入树脂。
本发明的目的是提供一种制造包含纤维增强聚合物的产品的改进方法。
该目的由根据权利要求1的方法来实现。
根据本发明的方法是制造包含纤维增强聚合物材料的产品的方法。该方法包括以下步骤：
-首先，提供嵌入在热固性树脂中的碳纤维；
-其次，通过流过碳纤维的至少一部分的电流将热固性树脂加热至其固化温度；
-第三，将热固性树脂转化为热固性聚合物。
发明人已经认识到，通过采用碳纤维作为增强元件，可以通过向碳纤维施加电流来直接加热工件。碳纤维具有足够的导电性，以允许通过让电流流过它们来进行电阻加热。所得产品包含碳纤维增强聚合物(CFRP)材料。其他类型的纤维(包括诸如玻璃纤维之类的电隔离纤维)可以与所述碳纤维组合。由于热固性树脂非常接近碳纤维，碳纤维中产生的热量直接到达需要引起从树脂转化为聚合物的地方。因此，根据本发明的方法比在烘箱中进行的传统热固化过程需要更少的功率。
利用根据本发明的方法，根本不需要传统意义上的烘箱。这可以导致制造成本显著降低。特别是在制造大型产品(例如，具有几米尺寸的产品)的情况下，该方法增加了选择制造地点的灵活性，因为不需要具有足够尺寸的烘箱。利用根据本发明的方法，嵌入在热固性树脂中的碳纤维可以形成期望的形状，然后复合材料可以原位固化。因此，该方法可被视为制造自加热CFRP工件的方法。
由于碳纤维具有低重量和优异的机械特性，将它们作为加热元件包括在工件中对于在轻质构造中特别期望的其它特性没有不利影响。它们可以实现加热部件的功能以及结构元件的功能。
并非所有在该方法的第一步骤中提供的碳纤维都需要参与电阻加热。例如，将在产品的表面延伸的一层碳纤维制备成连接至电流源就可以足够了。
根据所使用的热固性树脂和产品的尺寸，可以采用以预定时间顺序包括温度斜坡和温度平台的特定固化循环。温度传感器可以布置在树脂中或其附近，以便监测温度条件或通过作用于所施加的加热电流上的负反馈回路来控制温度。
加热过程可分为几个子加热过程，直到完成聚合。
根据本发明的方法的其他实施方式由权利要求2至18的特征产生。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，该方法还包括将碳纤维布置在成形器的表面上或模具中而限定所述产品的形状的前一步骤。
在将热固性树脂加热至其固化温度的同时，通常在某一中间温度下，树脂具有低粘度，导致尚未固化的复合材料的稳定性较低。成形器或模具在制造过程的这个阶段中提供必要的稳定性。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，在将热固性树脂加热至其固化温度之后，从成形器或模具移除包含碳纤维和部分固化树脂的结构。
利用该实施方式，可以更频繁地使用同一个成形器或模具。一旦由碳纤维和部分固化树脂构成的结构已经获得其自身的一些稳定性，根据本发明的方法就通过使电流流过碳纤维而提供独立于烘箱且独立于成形器或模具来加热工件的先前未知的可能性。这样，热固性树脂到热固性聚合物的剩余转化可以在该方法的单独步骤中完成，而不需要成形器或模具。在从成形器或模具移除之后，包含碳纤维和部分固化树脂的结构可被加热到该结构与成形器或模具接触时不允许的温度，因为这样的温度可能会损害成形器或模具的完整性。这种采用高温的后固化步骤可用于赋予最终的碳纤维增强聚合物产品更好的高温特性。在该过程的后期阶段，可以应用简单的支撑结构(例如，支撑或限定界面点或表面的位置的金属框架)来代替成形器或模具。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，在将碳纤维布置在成形器的表面上或布置在模具中之前，通过热固性树脂预浸渍所述碳纤维。
通过热固性树脂预浸渍的碳纤维(称为预浸料)可作为半成品商购获得。树脂可能已经部分固化，使预浸料具有一定的稳定性并且易于处理。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，在将碳纤维布置在模具中之后，将热固性树脂注入模具中。
可以仅在将碳纤维布置在模具中之后添加热固性树脂，或者在已经使用预浸渍纤维的情况下，添加附加树脂，例如填补空下来的空间。通过使用模具和注入热固性树脂可以实现精确限定的几何形状。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，该方法还包括提供包括绝热材料(特别是木材、软木、陶瓷、玻璃、矿棉、聚合物泡沫)的成形器或模具和/或用多层绝缘体覆盖成形器或模具的步骤。
使用包含绝热材料的成形器或模具具有在工件中较长时间地保持热的优点。如在根据本发明的方法中，工件自身加热，包含绝热材料的成形器或模具有助于减少固化树脂所需的总能量。为了运行由其斜率的陡度限定的预定温度斜坡，如果成形器或模具包含绝热材料，则需要较低的功率。通过附加的绝缘元件(诸如多层绝缘体)包围成形器或模具进一步减少了所需的总能耗和电力。
由木材(例如胶合板)建造的成形器或模具具有便宜、易于操作和二氧化碳排放量小的额外优势。在大型产品的情况下，木材具有进一步的优点，即通常可以在当地也可以在外地大量地获得。木材可承受与典型树脂的固化温度相对应的温度，该固化温度约为120℃至200℃。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，该方法还包括使碳纤维的一部分的远端区段与电源的电极导电接触的前一步骤。
碳纤维的远端区段可以是涉及电流加热的碳纤维的相对端。这些端可以从模具中引出，以使它们与电极接触，然后在最终产品的表面处切割吊。另选地，可以在沿着纤维的中间区段处建立与布置在成形器上或者在模具中的碳纤维接触的区域。这样，只有位于与电极接触的区段之间的纤维部分用于电阻加热。
碳纤维可以足够长，使得碳纤维部分中的单根碳纤维与远端区段中的两个电极两者导电接触。从一个电极到另一个电极的电流路径也可以经由多根碳纤维建立，所述多根碳纤维彼此之间具有电接触并且形成从一个电极到另一个电极的串联连接。在后一种情况下，可以使用较短的碳纤维，特别是长度小于电极之间距离的碳纤维。碳纤维之间的电接触可以通过扭转成束的碳纤维以形成纱线和/或通过沿纵向和横向方向将碳纤维编织成织物来增强。
电源的电极可以例如由铜、铜合金(诸如黄铜)或石墨制成。作为电极材料，可以想到所有形式的导电或半导电材料，无论是金属的、有机的还是无机的。
电源也可以提供交流电(AC)作为直流电(DC)。电源可以包括控制器，或者可以由外部控制器控制，从而能够对输送的功率或温度进行开环控制或闭环控制。这种控制器可以从布置在工件上的一个或多个温度传感器接收输入信号。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，电极被夹持到碳纤维，特别是其中所述电极具有实心棒构造。
通过夹持，可以与所述电极建立具有低接触电阻的电连接。可能需要预先清洁与碳纤维的接触区域(例如通过将碳纤维浸入涂料稀释剂中)，以从碳纤维除去电隔离材料。在使用预浸渍材料的情况下，这种清洁步骤可能是必需的，也可能不是必需的。电极可以例如具有铜板的形式。由于电极具有实心棒构造的形式，可以施加高夹持力并因此实现低接触电阻。这样，加热步骤中所需的电压可以保持较低，并且可以避免在与电极的接触面处的局部过热。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，电极具有金属丝的形式。金属丝被编织成包含碳纤维的织物。优选地，金属丝优选地布置在与碳纤维正交的方向上。
金属丝可以是例如铜丝。它们可以横跨在纵向包含碳纤维的预浸织物带的宽度编织。这样，在带的整个宽度上，即与位于带的纵向方向上的所有碳纤维，都实现了良好的电接触。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，碳纤维布置在多个层片中并且层片平并联接到电源。
通过将几个碳纤维层片并联连接到电源，可以增加碳纤维的有效横截面，并且可以相应地减小电极之间的总电阻率。这样，可以调节总电阻率，使得为了达到预定的加热功率而需要施加的电压处于电源的合适范围内。例如，可以调节电阻率，使得电网可用的电压(诸如110V或230V)足以驱动加热电流；也可以施加较低的电压。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，碳纤维以至少在纵向方向上包含碳纤维的带状织物的形式提供。
这样的织物或层片允许容易地处理和布置碳纤维。织物可以用热固性树脂预浸渍。织物的带状形状允许以有效的方式将碳纤维卷绕在心轴上或者将碳纤维铺设在成形器上。在卷绕或布置带之后，可以在带的相对两端处建立电接触。带状织物可以在纵向方向上以及在相对于带状形状的横向方向或对角线方向上包含碳纤维。织物可以完全由碳纤维制成，或者它也可以包含不同的纤维，诸如玻璃纤维或金属丝。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，该方法用于制造层叠结构，并且该方法包括以下步骤：将带状织物或层片平行于层叠结构的表面布置并覆盖表面。
层叠结构是主要沿着可能弯曲的表面延伸并且在与该表面正交的方向上具有多个层的结构。在层叠结构中，碳纤维可以布置在具有不同纤维方向的层中，以使最终产品实现高机械定向强度和/或刚度。在该实施方式中，带平坦地布置并平行于表面，并且带以沿着其路径覆盖层叠结构的整个表面的方式布置。这样，可以确保在固化步骤中实现整个层叠结构的均匀加热。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，该方法是用于制造复合夹层板结构的方法。复合夹层板结构包括位于第一面板和第二面板之间的芯，其中第一面板和第二面板中的至少一者包括嵌入在热固性聚合物中的碳纤维。
根据该方法的实施方式制造的复合夹层板结构包括具有不同结构或包含与两个面板不同的材料的芯。面板可以各自由一层组成，或者可以由多层组成，或者可以由多层材料构成。第一面板和第二面板可具有彼此镜像对称的层堆叠或结构。第一面板和第二面板可以在材料或尺寸(诸如层片的厚度或数量)方面彼此不同。面板的不同层可以由不同的材料组成。这些面板中的至少一个面板包含碳纤维，在该方法的加热步骤中所述碳纤维被电加热。因此，至少一个面板层是导电的。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，第一面板和第二面板中的至少一者包含位于碳纤维和芯之间和/或位于碳纤维和复合夹层板结构的外部之间的电绝缘层。
位于所述面板中的一个面板中的碳纤维和芯之间的电绝缘层可以防止与导电芯发生电接触。位于所述面板中的一个面板中的碳纤维和复合夹层板结构的外部之间的电绝缘层可以防止错误地碰到处于电压下的部件，并且出于安全原因这可能是必要的。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，复合夹层板结构的芯是不导电的。
在该实施方式中，可能不需要位于碳纤维和芯之间的诸如玻璃纤维层片或其他无机层片之类的电绝缘层。不导电的芯可以例如包含介电物质。它可以包括诸如泡沫塑料、木材、软木等有机材料或由这种有机材料组成。这些材料可实现轻质构造。它可以包括例如陶瓷或半导电材料之类的无机材料或由这种无机材料组成。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，复合夹层板结构在其表面处包括电接触元件，该电接触元件与碳纤维电接触并被设计成实心棒构造。
利用该实施方式，可以将高夹持力施加到电接触元件，从而可以实现低接触电阻。这样，加热步骤期间所需的电压可以保持较低，并且可以避免在与电极的接触面处发生局部过热。为了建立与电源的接触，可以将连接到电源的可移除电极夹持到电接触元件。两个对应物(即电接触元件以及可移除电极)可以被设计为实心棒构造。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，复合夹层板结构在其表面处包括电接触元件，该电接触元件与碳纤维电接触，并且该电接触元件包含导电纤维。
导电纤维可以是金属纤维，诸如铜丝。导电纤维可以是碳纤维。电接触元件可以布置在结构接口处，例如，布置在结构接口环处。电接触元件可以是或可以不是最终整体的一部分。它们可用于形成电极组件的一部分，用于向碳纤维施加电流。在将热固性树脂转化为热固性聚合物之后，可以移除电接触元件。
在根据本发明的方法的一个实施方式(该实施方式可以与先解决的任何实施方式以及仍待解决的任何实施方式组合，除非相互矛盾)中，复合夹层板结构包括边缘增强件，该边缘增强件被构造为包含玻璃纤维和导电纤维的整体构造。
在该实施方式中，边缘增强件有助于夹持导电面。它在关键区域处提供高机械稳定性，并且可以直接在边缘增强件处建立电气连接。
进一步在本发明的范围内的是一种用于执行如权利要求19所限定的根据本发明的方法的装置。该装置包括：
-包含热绝缘和电绝缘材料的成形器或模具；
-用于将碳纤维连接到电源的电极，所述电极布置在成形器上或模具中。
这种装置易于处理用于制造包含纤维增强复合材料的产品的工具。电极可以集成到成形器或模具中，以在成形器或模具的表面上的预定位置处与碳纤维建立接触。电极可以例如由铜、铜合金(诸如黄铜)或石墨制成。作为电极材料，可以想到所有形式的导电或半导电材料，无论是金属的、有机的还是无机的。
本发明还涉及一种根据权利要求20的复合夹层板结构。它是根据本发明所述方法制造的复合夹层板结构。
在复合夹层板结构的一个实施方式中，该结构包括内面板、蜂窝结构和外面板，所述内面板、所述蜂窝结构和所述外面板全部都包含热固性聚合物，其中碳纤维被布置成沿着均匀地覆盖所述内面板和/或所述外面板的路径。
由于根据本发明的复合夹层板结构包含均匀覆盖夹层结构的面板中的至少一个面板的碳纤维，这些碳纤维可用于均匀加热整个结构，以固化嵌入有加热的碳纤维的热固性树脂以及蜂窝结构和另一个面板中的热固性树脂，以便将热固性树脂转化为最终复合夹层板中的热固性聚合物。因此，通过根据本发明的制造方法，可以有效地并且以节能的方式生产这种复合夹层板结构。
这种复合夹层板结构可具有板或圆柱形、圆锥球形表面或其组合的形式。它们可用于航空航天应用，例如，作为飞机的外壳或运载火箭的有效载荷整流罩。
在已经提到的方法中，内面板可以是第一面板或第二面板。因此，外面板可以是第一面板和第二面板中的另一者。内面板和外面板的作用由结构的几何形状或应用来限定。具有蜂窝结构并嵌入在两个面板之间的芯特别适用于必须支撑高机械载荷的轻质结构。
现在将借助附图进一步例示本发明。图中示出：
图1是根据本发明的方法的流程图；
图2是该方法的一个实施方式的流程图；
图3.a)是产品在制造期间的立体示意图；
图3.b)是在如图3.a)所示进行制造之后所得的产品的立体图；
图4是穿过模具和工件的横截面；
图5是穿过复合夹层板结构的示意横截面；
图6是复合夹层板结构的剖视图；
图7是产品在制造期间的立体示意图。
图1示出了根据本发明的方法的流程图。在开始制造方法之后，第一步骤10在于提供嵌入在热固性树脂中的碳纤维。第二步骤20在于通过流过所述碳纤维的至少一部分的电流将热固性树脂加热至其固化温度。在第三步骤30中，将热固性树脂转化为热固性聚合物。当聚合完成时，过程结束。
图2示出了该方法的一个实施方式的流程图，示出了附加的中间步骤。将碳纤维11布置在成形器上或模具中可以与向纤维中添加热固性树脂13'、13”以提供嵌入在热固性树脂中的碳纤维独立地进行。以时间顺序，热固性树脂的添加可以例如通过使用预浸料或在卷绕过程中润湿纤维而在布置碳纤维之前进行(如附图标记13'所示)。在将电极接触碳纤维(如附图标记13”所示)之后添加热固性树脂可能是有利的，以避免额外的清洁步骤。不同的可能顺序由连续的虚线或点划线箭头表示。通过向之前与碳纤维接触的电极施加21电压，电流开始流过碳纤维。通过碳纤维的电阻加热，进行将树脂加热22直至其固化温度。将热固性树脂保持在固化温度或高于固化温度足够长的时间，以使树脂转化为热固性聚合物，即实现完全聚合。在完全转化30热固性树脂的步骤之前，根据本发明方法的一个实施方式，此时的工件是包括碳纤维和部分固化树脂的结构，可以从成形器或模具中移除该结构。
图3.a)示出了在根据一个实施方式的制造方法期间的产品的立体示意图。嵌入在热固性树脂303中的碳纤维布置在成形器320上，成形器320限定了最终产品的几何形状。涂覆刷330象征性地表示包含树脂的表面。用树脂涂覆该表面只是提供嵌入在热固性树脂中的碳纤维的几种可能性之一。将树脂施加到干燥织物上的其他手段(例如通过喷嘴)也是一种选择。可以替代地使用预浸渍的纤维、纱线、织物等。包含碳纤维的带状织物的末端301、302从产品的形状突出并被夹持到电极311、312，电极311、312连接到电源310。电流I从一个电极流过碳纤维到达另一个电极。在所示的实施方式中，带状织物可以被电隔离层包围，电隔离层可以是介电材料的织物，以确保电流沿着带流动。
以这种方式制造的产品可以例如是运载火箭的有效载荷整流罩的一个元件。该图中的物体不是按比例的，特别是电源、电极、支撑结构的部分和涂覆刷与成形器320的尺寸相比可能太大或太小，对于运载火箭的有效载荷整流罩的元件，该成形器320的长度可以例如为20米。根据本发明的方法适用于制造多种尺寸的各种产品，诸如船体、赛车车身、转子翼、体育用品等。
图3.b)示出了在如图3.a)所示的布置中固化热固性树脂之后并在切断包含碳纤维的带状织物的末端之后的最终产品300。
图4示出了在根据本发明的方法的一个实施方式中穿过模具和工件304的横截面，同时将热固性树脂转化为热固性聚合物。在基板401上布置有木制模具402，该木制模具402支撑工件304。软木元件403可以是形状限定模具的一部分和/或可以用作热保护，并且包围工件的外表面。模具的木质部分和软木部分是绝热部件，这些绝热部件有助于保持由流过工件中的碳纤维的电流产生的热。软木板404布置在基板上，以进一步减少朝向底板的辐射热损失。覆盖或包围模具的多层绝缘体405减少了对流和辐射热损失。多层绝缘体405通过气隙410与模具的软木元件隔开，该气隙可以选择为窄的，以减少对流。木制模具402是中空的并且填充空气410。图4中所示的绝热元件可以添加到如图3.a)所示的布置中。这里示出的工件304可以是复合夹层板结构，该复合夹层板结构包括内面板、外面板和位于其间的蜂窝结构。在这种构造中，通过流过布置在例如内面板中的碳纤维的电流就足以加热内面板，以使整个复合夹层板结构中的热固性树脂聚合。
图5示出了根据本发明方法的一个实施方式制造的复合夹层板结构500的示意性横截面。芯503嵌入在第一面板501和第二面板502的中间。可选地，电隔离层510可以存在于第一面板与芯之间和/或第二面板与芯之间。第一面板和第二面板可以构建为多个层片的堆叠，这里在两个面板的每一个中象征性地显示为三个层片520。一些或所有层片520可包含碳纤维，所述碳纤维用于在制造过程中加热夹层构造。这里所示的夹层结构的面板相对于芯是对称的。
图6示出了根据本发明方法的一个实施方式制造的复合夹层板结构600的剖视图。在这里所示的实施方式中，第一面板601具有与第二面板602完全不同的层堆叠，第二面板602对应于该图中所示的最下层。第二面板602可仅包括嵌入在热固性聚合物中的碳纤维织带层片。复合夹层板结构的芯603布置在第一面板和第二面板之间。在本剖视图中，所示的芯603的部分略大于层堆叠中的其他元件的所示部分，使得可以看到芯结构609。该芯结构象征性地显示为交叉影线。芯结构可以例如实施为蜂窝结构，其中蜂窝垂直于面板定向。作为另一个例子，芯结构可以是泡沫结构。作为第一面板的一部分并与芯直接相邻，存在增强层604。该增强层可包括嵌入在热固性聚合物中的碳纤维或玻璃纤维。内部电隔离层605提供层片620朝向芯侧的电隔离。包含碳纤维的两个层片620与电接触元件606接触。电接触元件606可以布置在夹层构造的边缘处，使得无论从端面(从本图中的右侧)还是从与夹层的层正交的一侧(从本图中的上方)都可以容易地建立从电源到碳纤维的连接。在后一种情况下，电接触元件上方的层可以局部移除或不施加，以便能够自由接近电接触元件。外部电隔离层607布置在包含碳纤维的层片620的顶部上。外部电隔离层607提供朝向复合夹层板结构600的外部的电隔离。涂层608完成层堆叠。本图中所示的层堆叠中的层的厚度不是按比例的，特别地，涂层的厚度可以远小于其他层的厚度。这里仅示出了更大的复合夹层板结构的一个小的剖视图。复合夹层板结构可以沿着弯曲表面延伸，在该剖视图中看不到曲率。
图7示出了在类似于图3.a)的情况下在制造期间产品的立体示意图。几个电极311、312、313、314、315被夹持到嵌入在热固性树脂303中的碳纤维上。这些电极具有大的横截面，以便承受夹持力并避免在传送电流时电极本身过度加热。每个电极都具有与电源310的导电连接。电流I流过碳纤维层片的重叠区段，如几个箭头象征性地所示。为了在该图的左侧部分所示的产品的更复杂部分中实现均匀加热，具有电极分段312、313、314的电极构造沿着左侧的边缘连接。类似地，电极分段311、315附接在右侧的圆柱形部分的边缘附近。不可见的另外的电极分段可以附接在相反侧。各个电极分段与电源具有自己的连接。可以在不同的电极分段中单独控制电流、电压或占空比。可以按时间顺序将电压施加到各个电极分段。这可以通过使用可编程电源310来实现。考虑到由相应的温度传感器(未示出)在每个区段中测量的温度，可以在负反馈回路中控制不同区段中的加热功率。
由该制造方法的该实施方式得到的产品可以看作是图3.b)中所示的产品。以这种方式制造的产品可以例如是运载火箭的有效载荷整流罩的一个元件。该图中的物体不是按比例的，特别是电源、电极、支撑结构的部分和涂覆刷与成形器320的尺寸相比可能太大或太小，例如，对于运载火箭的有效载荷整流罩的元件，该成形器320的长度为20米。根据本发明的方法适用于制造多种尺寸的各种产品，诸如船体、赛车车身、转子翼、体育用品等。
回到所使用的电极配置，可以存在围绕包含碳纤维或其他导电纤维的表面的周边布置的电极，以微调电流注入和提取。这种电极布置可以与所述方法或用于执行该方法的装置的任何实施方式组合使用。
附图标记列表
10 提供嵌入在热固性树脂中的碳纤维的步骤
11 布置碳纤维的步骤
12 接触电极的步骤
13'、13” 添加热固性树脂的步骤
20 通过流过所述碳纤维的至少一部分的电流将热固性树
脂加热到其固化温度的步骤
21 向电极施加电压的步骤
22 将树脂加热至其固化温度的步骤
30 使热固性树脂转化为热固性聚合物的步骤
300 包含纤维增强聚合物材料的产品
301、302 包含碳纤维的带状织物的末端
303 嵌入在热固性树脂中的碳纤维
304 工件
310 电源
311、312、313、314、315 电极
320 成形器
330 涂覆刷(表示包括树脂的表面)
401 基板
402 木制模具
403 软木元件
404 软木板
405 多层绝缘体
410 空气
500 复合夹层板结构
501 第一面板
502 第二面板
503 芯
510 电隔离层(可选的)
520 层片
600 复合夹层板结构
601 第一面板
602 第二面板
603 芯
604 增强层
605 内部电隔离层
606 电接触元件
607 外部电隔离层
608 涂层
609 芯结构(从上方看)
620 层片
I 电流

Claims (21)

1.一种制造包含纤维增强聚合物材料的产品(300)的方法，该方法包括以下步骤：
-提供(10)嵌入在热固性树脂中的碳纤维；
-通过流过所述碳纤维的至少一部分的电流将所述热固性树脂加热(20)至其固化温度；
-将所述热固性树脂转化(30)为热固性聚合物。
2.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括将所述碳纤维布置在成形器的表面上或模具中而限定所述产品的形状的前一步骤。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，在将所述热固性树脂加热至其固化温度之后，从所述成形器或所述模具移除包含碳纤维和部分固化树脂的结构。
4.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在将碳纤维布置在所述成形器的表面上或布置在所述模具中之前，通过所述热固性树脂预浸渍所述碳纤维。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，在将所述碳纤维布置在所述模具中之后，将热固性树脂注入所述模具中。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的方法，该方法还包括提供包含绝热材料特别是包含木材、软木、陶瓷、玻璃、矿棉、聚合物泡沫的所述成形器或所述模具和/或用多层绝缘体覆盖所述成形器或所述模具的步骤。
7.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括使碳纤维的所述一部分的远端区段与电源的电极导电接触的前一步骤。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电极被夹持到所述碳纤维，特别是其中所述电极具有实心棒构造。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所述电极具有金属丝的形式，所述金属丝被编织成包含所述碳纤维的织物，所述金属丝优选地布置在与所述碳纤维正交的方向上。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其中，所述碳纤维布置在多个层片中并且所述层片并联连接到所述电源。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的方法，其中，所述碳纤维以至少在纵向方向上包含碳纤维的带状织物的形式提供。
12.根据权利要求11所述的方法，该方法用于制造层叠结构，并且该方法包括以下步骤：将所述带状织物平行于所述层叠结构的表面布置并覆盖所述表面。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，该方法是用于制造复合夹层板结构(500，600)的方法，所述复合夹层板结构(500，600)包括位于第一面板(501，601)和第二面板(502，602)之间的芯(503，603)，其中所述第一面板和所述第二面板中的至少一者包括嵌入在热固性聚合物中的碳纤维。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一面板和所述第二面板中的所述至少一者包括位于所述碳纤维和所述芯之间和/或位于所述碳纤维和所述复合夹层板结构的外部之间的电绝缘层(510，605，607)。
15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述芯(503，603)是不导电的。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中，所述复合夹层板结构在其表面处包括电接触元件(606)，所述电接触元件与所述碳纤维电接触并被设计成实心棒构造。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述复合夹层板结构在其表面处包括电接触元件(606)，所述电接触元件与所述碳纤维电接触，并且所述电接触元件包含导电纤维。
18.根据权利要求13至16中任一项所述的方法，其中，所述复合夹层板结构包括边缘增强件，该边缘增强件被构造为包含玻璃纤维和导电纤维的整体构造。
19.一种用于执行根据权利要求1至18中任一项所述的方法的装置，该装置包括：
-包含热绝缘和电绝缘材料的成形器或模具；
-用于将碳纤维连接到电源的电极，所述电极布置在所述成形器上或所述模具中。
20.一种根据权利要求13至18中任一项所述的方法制造的复合夹层板结构(500，600)。
21.根据权利要求20所述的复合夹层板结构，该复合夹层板结构包括内面板、蜂窝结构和外面板，所述内面板、所述蜂窝结构和所述外面板全部都包含热固性聚合物，其中碳纤维被布置成沿着均匀地覆盖所述内面板和/或所述外面板的路径。
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Application publication date: 20190816