CN110177679A - 纤维增强复合材料、包括其的层合体、以及制造这种层合体的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开包括纤维增强复合材料、包括该纤维增强复合材料的层合体、以及用于制造这种层合体的系统和方法。

Description

纤维增强复合材料、包括其的层合体、以及制造这种层合体的 系统和方法
发明背景
A.发明领域
本发明一般涉及纤维增强复合材料，并且更具体地说，但不作为限制，涉及(例如，单向(UD))纤维增强复合材料、包括其的层合体、以及制造这种层合体的系统和方法。
B.相关技术的描述
复合材料可包括分散在树脂/聚合物基体中的纤维。这种复合材料可用于各种工业，例如消费性电子产品、弹道学、航空航天和运输工业。UD复合材料是具有基本在一个方向上延伸的纤维的复合材料。具有各向异性特性的UD复合材料可用于制造具有在一个或多于一个方向或维度上变化的性质的制品。
UD复合材料的实例是UD带或预浸料，其特征可以为浸渍有聚合物树脂的连续UD纤维(例如玻璃纤维、碳纤维和/或类似物)的薄条状物或带。这种UD带可以具有1cm至15cm的宽度，可以更宽，并且厚度小于1mm。可以在线轴或卷轴上提供这种UD带。UD带在Bompard等人的美国专利第6919118号和Li等人的美国公开第2014/0147620号中有所描述。
理论上，UD复合材料中的所有纤维应该是均匀的、平行的和连续的；然而，在实践中，这些特性很难实现。例如，通常可用的UD带可具有包括不均匀的纤维排列、气穴或空隙和/或断裂的纤维等的纤维区域或层。已经有许多尝试来解决这些问题。
Wai的美国专利第5496602号通过在成对环氧热固性树脂膜之间放置UD纤维并加热纤维和膜来形成UD带来试图解决这些问题。之后向UD带注入聚合物以填充纤维之间的间隙。由于在施加膜期间的纤维移动，所得UD带可能包括不均匀的纤维排列以及气穴或空隙。此外，Wai的方法包括许多相对复杂的步骤以及可能引入例如环氧树脂的不期望的材料。
解决这些问题的一些尝试包括使用纤维铺展装置。Narihito的美国专利第5101542号描述了这种包括多个辊元件的纤维铺展装置，每个辊元件具有在其中心凸起的连续凸出的外表面。Meyer的美国专利第8191215号描述了一种包括翼的旋转纤维铺展装置，每个翼具有最外部的铺展边缘，该边缘在横截面上是连续凸起的。Jung等人的美国专利第8470114号和美国公开第2013/0164501号分别描述了通过使纤维通过一系列凸起的杆来铺展纤维的方法。Bompard等人的美国专利第6585842号描述了一种通过使纤维通过一系列弯曲(例如香蕉形)辊而使纤维铺展的方法。
解决上述问题的一些尝试包括使用浸渍装置。典型的浸渍方法包括使用聚合物溶液浴，纤维层可通过该聚合物溶液浴移动。在这种方法中，可以使用辊将聚合物溶液压入纤维层中。如上所述，Wai的方法通过将层的相对侧上的聚合物膜压入层中来浸渍纤维层。这些方法中的每一种都类似，因为它们涉及将聚合树脂材料压入纤维层中以实现纤维层的浸渍。
虽然这种纤维铺展和浸渍装置和方法可用于制备UD带，但是这种UD带仍然在基体材料中存在不均匀的纤维排列和气穴或空隙。例如，图1包括使用扫描电子显微镜获得的可商购获得的UD复合材料的横截面图像。这些可商购获得的UD复合材料具有纤维排列不均匀的纤维区域，因此具有不均匀的密度以及聚合物基体中的空隙和气穴。
发明概述
已经做出了发现，其解决或至少减轻了UD复合带中纤维的不均匀分布、空隙和气穴等问题。特别地，本发明的纤维增强复合材料可具有非织造纤维区域或层，所述非织造纤维区域或层包含分散在聚合物基体中的多个连续纤维。聚合物基体可以是热固性聚合物基体，或更优选地是热塑性聚合物基体。热塑性聚合物基体在一定温度以上可以是可塑的和柔性的，并且可以在低于该温度下固化。固化或交联后，热固性聚合物基体往往失去随着温度升高而变得可塑和柔性的能力。聚合物基体可包含在具有热塑性或非热塑性聚合物和/或添加剂等的组合物中。非织造纤维区域可具有基本均匀的密度，其限定为平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65至90和方差系数(COV)(％)为3至20，优选平均RFAC(％)为69至90和COV(％)为3至15，或更优选平均RFAC(％)为75至90和COV(％)为3至8。至少通过具有这种基本均匀的密度，本公开的纤维增强复合材料可以包括体积分数小于5％，优选小于3％，或更优选小于1％的空隙。本公开的纤维增强复合材料可用于各种制品。
还公开了用于将纤维束或纤维捆铺展成铺展纤维层和/或用基体材料浸渍铺展纤维层以产生本公开的纤维增强复合材料的系统和方法。一些系统包括铺展单元和浸渍单元，浸渍单元位于铺展单元的下游。这种铺展单元可以利用具有两个不同表面(例如，凸面和凹面或平面)的铺展元件，这两个不同表面在(例如圆形的)边缘相遇，以有效和均匀的方式将纤维从纤维束铺展成铺展的或平整的纤维层。这种浸渍单元可以配置成接收至少两个铺展或平整的纤维层，将热塑性或热固性聚合物树脂定位在两个纤维层之间，并将两个纤维层压入树脂中，从而形成本发明复合材料的非织造纤维区域。两个铺展的或平整的纤维层中的每一个都可以包括来自一个或多于一个纤维束的纤维，例如1个、2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或多于10个纤维束。
在一个方面，公开了一种纤维增强复合材料，其包括聚合物基体和非织造纤维区域，该非织造纤维区域包含分散在聚合物基体中的多个连续纤维，并且具有基本均匀的密度，其限定为平均RFAC(％)为65至90和COV(％)为3至20。在更优选的实施方案中，非织造纤维区域的平均RFAC(％)为69至90，COV(％)为3至15。在更进一步优选的实施方案中，非织造纤维区域的平均RFAC(％)为75至90，COV(％)为3至8。非织造纤维区域的宽度和长度可以分别基本上接近于纤维增强复合材料的宽度和长度，多个连续纤维可以是单向取向的并且基本上平行于第一轴，并且纤维增强复合材料可包括至少35体积％至70体积％，优选40体积％至65体积％，或更优选45体积％至55体积％的多个连续纤维。纤维增强复合材料的宽度可达6米且长度可达10000米。
在一些纤维增强复合材料中，第一纤维层和第二纤维层被压制或挤压在一起以形成非织造纤维区域。非织造纤维区域可包括来自多个纤维束的纤维，每个纤维束包括1000个至60000个单丝。单丝的平均横截面积可以为7μm2至800μm2。连续纤维的非限制性实例包括玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维、钢纤维或其组合。这种玻璃纤维的平均单丝横截面积可以为75μm2至460μm2，且这种碳纤维的平均单丝横截面积可以为7μm2至60μm2。
在一些纤维增强复合材料中，聚合物基体可以是热塑性基体或热固性基体，优选热塑性基体。纤维增强复合材料的聚合物基体可以配置成使得纤维增强复合材料具有第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域，其中非织造纤维区域位于第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域之间。聚合物富集区域包括具有小于10体积％、小于5体积％或小于1体积％的连续纤维的区域。聚合物富集区域的宽度和长度可分别基本上接近于相应纤维增强复合材料的宽度和长度。在一个实施方案中，第一聚合物富集区域的厚度和第二聚合物富集区域的厚度彼此相同或彼此相差在10％以内，优选5％以内，更优选1％以内。在一个实施方案中，第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域的厚度相对于彼此变化超过10％、15％或20％。第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域中的每一个可以在整个聚合物富集区域中具有基本均匀的密度(例如，每单位体积的质量)。
本公开的纤维增强复合材料的聚合物基体可包括热塑性聚合物、热固性聚合物、其共聚物或其共混物。热塑性聚合物的非限制性实例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚(亚苯基氧化物)(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲醇酯)(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、聚砜磺酸酯(PSS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚物或其共混物。更优选的热塑性聚合物包括聚丙烯、聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二酯、聚(苯醚)(PPO)、聚醚酰亚胺、聚乙烯、其共聚物、或其共混物。甚至更优选的热塑性聚合物包括聚丙烯、聚乙烯、聚酰胺、聚碳酸酯(PC)、其共聚物、或其共混物。
适合用作本发明纤维增强复合材料中的基体材料的热固性聚合物的非限制性实例包括不饱和聚酯树脂、聚氨酯、胶木、Duroplast、脲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯基酯、聚酰亚胺、氰酸酯或聚氰尿酸酯、双环戊二烯、酚醛塑料、苯并嗪、其共聚物、或其共混物。本发明纤维增强复合材料之一的聚合物基体可与一种或多于一种添加剂一起包含在组合物中。这些添加剂的非限制性实例包括促进聚合物基体和连续纤维之间黏合的偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂、流动改性剂、阻燃剂、UV稳定剂、UV吸收剂、抗冲改性剂、交联剂、着色剂或其组合。
一些本发明的纤维增强复合材料不包括聚丙烯，也不包括玻璃纤维。一些本发明的纤维增强复合材料不包括聚乙烯，也不包括玻璃纤维。一些本发明的纤维增强复合材料包括聚丙烯和/或聚乙烯，但不包括玻璃纤维。一些本发明的纤维增强复合材料包括玻璃纤维，但不包括聚丙烯或聚乙烯。
还公开了包括本公开的纤维增强复合材料的层合体。这种层合体可包括2层、3层、4层、5层、6层、7层、8层、9层、10层或多于10层，其中一层可由本公开的一种纤维增强复合材料组成。在一些层合体中，至少两层被定位成使得它们各自的纤维基本上平行于第一轴。在一些层合体中，至少两层被定位成使得它们各自的纤维彼此不平行。例如通过卷绕和/或铺层技术，本发明的纤维增强复合材料和层合体可以组装或加工成二维或三维结构。
还公开了一种制品，其包含本公开的任何纤维增强复合材料或层合体。这种制品的非限制性实例包括机动车部件(例如门、发动机罩、保险杠、A柱、B柱、电池壳体、白车身、加强件、横梁、座椅结构、悬架部件和/或软管等)、编织结构、织造结构、细丝缠绕结构(例如管道和/或压力容器等)、飞行器部件(例如翼、主体、尾部、和/或稳定器等)、风力涡轮机叶片、船体、船甲板、轨道车、体育用品、窗框线(window lineals)、桩、码头、加固木梁、改装混凝土结构、增强挤出或注塑成型、硬盘驱动器(HDD)或固态驱动器(SSD)壳体、电视框架、智能手机中框架、智能手机一体式壳体、平板电脑中框架、平板电脑一体式壳体、电视架或桌子、笔记本电脑壳体、绳索、电缆、防护服(例如防割手套和/或头盔等)、盔甲和/或板等。
本发明包括铺展单元，其配置成将一个或多于一个纤维束铺展成一个或多于一个铺展纤维层，每个纤维束具有多个纤维。纤维束可以在垂直于纤维束长度的方向上铺展，从而形成铺展或平整的纤维层。铺展单元可包括具有至少一个凸角(lope)的铺展元件，该凸角包括具有凸出的第一轮廓的第一表面和具有与第一轮廓不同的第二轮廓的第二表面，其中第一表面和第二表面相遇以形成(例如，圆形的)边缘，并且其中凸角配置成当多个纤维接触第一表面和边缘时，在横向方向上从纤维束铺展多个纤维。这种第二轮廓可以基本上是直的或凹的。可以定位铺展元件，使得多个纤维接触第二表面并过渡到第一表面(例如，越过边缘)。铺展元件可以定位成使得多个纤维接触第一表面并过渡到第二表面(例如，越过边缘)。对于包括两个或多于两个凸角的铺展元件，两个或多于两个凸角的第二表面可以是连续的，使得例如，当第二表面是平面时，第二表面配合以形成连续的平表面。
在一些铺展单元中，铺展元件可以相对于多个纤维旋转，该多个纤维由铺展元件沿铺展元件的纵向轴铺展，这种旋转可以是振荡形式的。铺展元件可以配置为相对于由铺展元件铺展的多个纤维并且在基本垂直于多个纤维长度的方向上振荡。这种振荡的振幅可以是0.1mm至20mm，优选0.1mm至10mm，频率可以是0.1Hz至5Hz，优选0.5Hz至2Hz。
在一些铺展单元中，一个或多于一个固定元件可以定位在铺展元件的上游和/或下游，其中每个固定元件配置成当多个纤维通过铺展元件铺展时减少多个纤维的横向移动。这种固定元件可各自包括一个或多于一个配置成接收多个纤维的凹槽。
本公开的铺展单元可包括至少第一铺展元件和第二铺展元件，第二铺展元件位于第一铺展元件的下游。第二铺展元件的凸角可以大于第一铺展元件的凸角(例如，在长度、宽度、高度、半径和/或横向尺寸等方面)(例如，大于1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％或多于10％)。第一铺展元件和第二铺展元件可以配合以将一个或多于一个纤维束铺展为一个或多于一个纤维层。第一铺展元件可包括至少第一凸角和第二凸角，第二铺展元件可包括至少第三凸角和第四凸角，其中第一凸角和第三凸角配置成铺展第一纤维束，第二凸角和第四凸角配置为铺展第二纤维束。这样的铺展单元可以
铺展单元可包括具有至少第五凸角和第六凸角的第三铺展元件和具有至少第七凸角和第八凸角的第四铺展元件，其中第五凸角和第七凸角配置成铺展第三纤维束且第六凸角和第八凸角配置成铺展第四纤维束。铺展单元可以配置成由第一纤维束和第二纤维束形成第一平整纤维层，并且由第三纤维束和第四纤维束形成第二平整纤维层。
一个或多于一个张紧器可以定位在铺展单元的上游，每个张紧器配置成在纤维束铺展期间张紧一个或多于一个纤维束。热源可以设置在铺展单元的上游和/或下游，该热源配置为加热由铺展单元铺展的多个纤维。热源可包括红外热源、加热的铺展元件和/或加热的固定元件等。纤维束进料单元可以位于铺展单元的上游，纤维束进料单元配置成将一个或多于一个纤维束提供给铺展单元。
还公开了一种由一个或多于一个纤维束制备至少一个平整纤维层的方法，每个纤维束具有多个纤维。这种纤维束可包括1000个、2000个、3000个、4000个、5000个、10000个、20000个、30000个、40000个、50000个、60000个或多于60000个单丝。这种平整纤维层可以以1米/分钟至50米/分钟，优选2米/分钟至25米/分钟，更优选8米/分钟至15米/分钟的速率产生。
还公开了一种用于将多个纤维分散于热塑性或热固性聚合物基体材料中的浸渍单元。浸渍单元可包括：第一平整纤维层进料，其包含第一平整纤维层；第二平整纤维层进料，其包含第二平整纤维层；热塑性或热固性聚合物基体材料进料，其包含热塑性或热固性聚合物基体材料并配置为将基体材料设置在第一平整纤维层和第二平整纤维层之间；以及压制装置，其配置成将第一平整纤维层和/或第二平整纤维层压入基体材料中。这种浸渍单元可以包括一个、两个、三个或多于三个摩擦元件，其配置成在将铺展纤维层压入基体材料之后接触第一铺展纤维层和第二铺展纤维层中的至少一个并且在基本垂直于铺展纤维层长度的方向上振荡。这种摩擦元件可以以0.1mm至20mm，优选0.1mm至10mm的振幅振荡，并且以0.1Hz至5Hz，优选0.5Hz至2Hz的频率振荡。每个摩擦元件可包括沿其纵向轴横向定位的多个圆形部分、凸角或凸起。
聚合物基体材料进料可包括配置成挤出在第一平整纤维层和第二平整纤维层之间的基体材料(例如，作为片或膜；例如，从缝模中挤出)的挤出机。这种挤出机可以减少与滴落相关的浪费。挤出机可以配置成将材料直接提供到第一平整纤维层和/或第二平整纤维层上。
还公开了将多个纤维分散到热塑性或热固性聚合物基体材料中的方法。一些方法包括获得第一平整纤维层、第二平整纤维层和设置在第一平整纤维和第二平整纤维之间的热塑性或热固性聚合物基体材料的堆叠，并将第一平整纤维层和/或第二平整纤维层压制进入基体材料中。可以使用固定或旋转的辊、销、杆和/或板等来进行这种压制。
本系统和方法可用于以1米/分钟至50米/分钟，优选2米/分钟至25米/分钟，更优选8米/分钟至15米/分钟的速率产生本公开的纤维增强复合材料。
还公开了一种组合物，其包括：包含来自第一纤维束的多个纤维的第一平整纤维层、包含来自第二纤维束的多个纤维的第二平整纤维层、以及位于第一平整纤维层和第二平整纤维层之间的热塑性或热固性聚合物基体材料，其中第一平整纤维层和/或第二平整纤维层是使用本公开的铺展元件形成的。热塑性或热固性聚合物基体材料可包括片或膜，第一铺展纤维层和第二铺展纤维层可压入其中以形成纤维增强复合材料。
还公开了实施方案1至实施方案41。实施方案1是一种形成层合体的方法，该方法包括结合第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一种包括含有热塑性材料的基体材料和非织造纤维区，该非织造区包括分散在基体材料中的多个连续纤维，其中非织造纤维区的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度，其中非织造纤维区的平均RFAC(％)为65至90和COV(％)为3至20，并且其中多个连续纤维中的每一个基本上与纤维增强复合材料的长度对齐。
实施方案2是实施方案1，其中平均RFAC(％)为69至90且COV(％)为3至15。实施方案3是实施方案2，其中平均RFAC(％)为75至90且COV(％)为3至8。实施方案4是实施方案3，其中平均RFAC(％)约为80。
实施方案5是实施方案1，其中热塑性材料包括聚丙烯，多个连续纤维包括玻璃纤维，平均RFAC(％)约为82且COV(％)约为4。实施方案6是实施方案1，其中热塑性材料包括高密度聚乙烯，多个连续纤维包括玻璃纤维，平均RFAC(％)约为80且COV(％)约为7。实施方案7是实施方案1，其中热塑性材料包括聚酰胺6，多个连续纤维包括玻璃纤维，平均RFAC(％)约为69且COV(％)约为8。
实施方案8是实施方案1至4中任一项，其中热塑性材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚(苯醚)(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲醇酯)(PCT)、聚酰胺(PA)、聚砜磺酸酯(PSS)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)、其共聚物、或其混合物。
实施方案9为实施方案1至4和8中任一项，其中多个连续纤维包括玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩纤维、钢纤维或其组合。
实施方案10为实施方案1至9中任一项，其中基体材料包括促进热塑性材料与多个连续纤维之间的黏合的偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂、流动改性剂、阻燃剂、UV稳定剂、UV吸收剂、抗冲改性剂、交联剂、着色剂或其组合。
实施方案11是实施方案1至10中的任一项，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一个包括第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域，每个区具有少于10体积％的多个连续纤维，该多个连续纤维的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度，其中非织造纤维区设置在第一含聚合物区和第二聚合物富集区域之间，并且其中第一聚合物富集区域的厚度和第二聚合物富集区域的厚度之和为纤维增强复合材料厚度的15％至25％。实施方案12是实施方案11，其中第一聚合物富集区域的厚度基本上等于第二聚合物富集区域的厚度。
实施方案13是实施方案1至12中任一项，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包含35体积％至70体积％的多个连续纤维。实施方案14是实施方案13，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包括40体积％至60体积％的多个连续纤维。实施方案15是实施方案14，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包含45体积％至55体积％的多个连续纤维。
实施方案16是实施方案1至15中任一项，其中纤维增强复合材料包含小于5体积％的空隙。
实施方案17是实施方案1至16中任一项，其中使用压力机进行结合。
实施方案18是实施方案1至16中的任一项，包括使用机械臂的末端执行器将第一纤维增强复合材料置于基材上，并使用末端执行器将第二纤维增强复合材料置于基材上，使得第二纤维增强复合材料覆盖第一纤维增强复合材料或与第一纤维增强复合材料相邻。实施方案19是实施方案18，其中至少通过加热第二纤维增强复合材料和/或向第二纤维增强复合材料施加压力来进行结合。
实施方案20是由至少第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料形成层合体的方法，每种复合材料包含分散在基体材料中的纤维，该方法包括：使用机械臂的末端执行器将第一纤维增强复合材料置于基材上，并使用末端执行器将第二纤维增强复合材料置于基材上，使得第二纤维增强复合材料覆盖第一纤维增强复合材料或与第一纤维增强复合材料相邻，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包括设置在纤维增强复合材料相对侧的第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域，每个区域具有小于10体积％的纤维，其中每个聚合物富集区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度，并且聚合物富集区域的厚度之和为纤维增强复合材料的厚度的15％至25％。
实施方案21是实施方案20，其中至少一种纤维增强复合材料的基本所有纤维基本上彼此平行。实施方案22是实施方案20或21，其中至少一种纤维增强复合材料的基体材料包括热塑性材料。
实施方案23是实施方案20至22中的任一项，包括至少通过加热第二纤维增强复合材料和/或向第二纤维增强复合材料施加压力来结合第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料。
实施方案24是用于由至少第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料形成层合体的方法，每种复合材料包含分散在基体材料中的纤维，该方法包括：至少通过相对于基材平移和/或旋转末端执行器来使用机械臂的末端执行器来将第一纤维增强复合材料置于基材上，至少通过相对于基材平移和/或旋转末端执行器而使用末端执行器来将第二纤维增强复合材料置于基材上，其中放置第二纤维增强复合材料以使得第二纤维增强复合材料覆盖第一纤维增强复合材料或与第一纤维增强复合材料相邻，至少通过加热第二纤维增强复合材料并向第二纤维增强复合材料施加压力来结合第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料，并且至少部分地基于以下中的一项或多于一项来调节末端执行器相对于基材的平移和/或旋转速度、向第二纤维增强复合材料提供的热量、和/或施加到第二纤维增强复合材料上的压力：第二纤维增强复合材料的颜色、第二纤维增强复合材料的基体材料的组成、第二纤维增强复合材料的纤维的组成、第二纤维增强复合材料的厚度、以及第二纤维增强复合材料的宽度。
实施方案25是实施方案24，其中至少一种纤维增强复合材料的基本所有纤维基本上彼此平行。实施方案26是实施方案24或25，其中至少一种纤维增强复合材料的基体材料包括热塑性材料。
实施方案27是实施方案19、23或24至26中的任一项，其中使用包括激光器、红外热源、和/或超声波焊接机的热源进行加热。实施方案28是实施方案27，其中热源连接到末端执行器。
实施方案29是实施方案19、23或实施方案24至28中的任一项，其中使用压制元件施加压力。实施方案30是实施方案29，其中压制元件包括辊。实施方案31是实施方案29或30，其中压制元件连接到末端执行器。
实施方案32是实施方案18至31中的任一项，其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料经由一个或多于一个柔性管道供应到末端执行器。
实施方案33是实施方案18至32中任一项，其中基材包括模具。
实施方案34是一种用于由一种或多于一种纤维增强复合材料形成层合体的系统，每种纤维增强复合材料包括分散在基体材料中的纤维，该系统包括：配置为向一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种提供热量的热源；配置为捕获指示以下至少一项数据的一个或多于一个传感器：一种或多于一种纤维增强复合材料中至少一种的颜色、一种或多于一种纤维增强复合材料中至少一种的基体材料的组成、一种或多于一种纤维增强复合材料中至少一种的纤维组成、一种或多于一种纤维增强复合材料中至少一种的厚度、以及一种或多于一种纤维增强复合材料中至少一种的宽度；配置为至少部分地基于由一个或多于一个传感器捕获的数据来改变由热源提供的热量的处理器。实施方案35是实施方案34，其中热源包括激光器、红外热源和/或超声波焊接机。
实施方案36是实施方案34或35，包括具有末端执行器的机械臂，该末端执行器配置成至少通过相对于基材平移和/或旋转来将一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种置于基材上。实施方案37是实施方案36，其中热源连接到末端执行器。实施方案38是实施方案36或37，其中处理器配置为至少部分地基于由一个或多于一个传感器捕获的数据来改变末端执行器相对于基材的平移和/或旋转速度。
实施方案39是实施方案36至38中的任一项，其中末端执行器包括压制元件，该压制元件配置成向一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种施加压力。实施方案40是实施方案39，其中压制元件包括辊。实施方案41是实施方案39或40，其中处理器配置为至少部分地基于由一个或多于一个传感器捕获的数据来改变由压制元件施加的压力。
术语“连接”被定义为连结，但不一定是直接连结，也不一定是机械连结；“连接”的两个物品可以彼此为一体。除非本公开另有明确要求，否则不使用数量词被定义为一个/种或多于一个/种。术语“基本上”被定义为在很大程度上但不一定完全是被指定的内容(并且包括被指定的内容；例如，基本上90度包括90度，基本上平行包括平行)，如本领域普通技术人员所理解的。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”、“大约”和“约”可以用“[某百分比]内”的被指定的内容代替，其中该百分比包括0.1％、1％、5％和10％。
术语“平整的”和“铺展的”在本申请中是同义词。如在本公开中所使用的，“平整的”和“铺展的”可分别与在横向方向上或基本垂直于纤维束的长维度的方向上扩展纤维束的过程结合使用，以使得例如当从侧面观察时，纤维束变薄。通常，纤维束可以是平整的或铺展的，使得所得的平整或铺展纤维层平均具有1个至8个单丝，优选3个至6个单丝，更优选4个至5个单丝的厚度或深度。然而，也可以考虑其他厚度或深度。
术语“非织造”用于描述由不具有织造结构的连续纤维制成的结构。在本公开的纤维增强复合材料中，非织造纤维区可包括与其他丝交叉的丝。这种交叉可能影响纤维区密度，但不会改变纤维区的非织造性质。
术语“层(ply)”是指单层且“积层(plies)”是复数形式的层。
术语“空隙”是指纤维增强复合材料内的气穴。复合材料的空隙体积分数可以通过获取复合材料的横截面图像(例如，使用扫描电子显微镜、共聚焦显微镜、光学成像或其他成像技术)并将基体材料的横截面积除以复合材料的横截面积来确定。纤维区中的纤维可包括在基体材料的横截面区中。为了便于识别基体材料，可以将着色染料和/或荧光染料添加到基体材料中。
术语“包括”、“具有”和“包含”是开放式连接动词。因此，“包括”、“具有”或“包含”一个或多于一个元件的装置具有那些一个或多于一个元件，但不限于仅具有那些一个或多于一个元件。同样，“包括”、“具有”或“包含”一个或多于一个步骤的方法具有那些一个或多于一个步骤，但不限于仅具有那些一个或多于一个步骤。
任何设备、系统和方法的任何实施方案可以由或基本上由任何所描述的步骤、元件和/或特征组成，而不是包括/具有/包含任何所描述的步骤、元件和/或特征。因此，在任何权利要求中，术语“由……组成”或“基本上由……组成”可以代替上述任何开放式连接动词，以改变给定权利要求的范围而使其不同于使用开放式连接动词时权利要求的范围。关于术语“基本上由……组成”，本公开的纤维增强复合材料的基本和新颖特征是如其平均RFAC(％)和COV(％)所限定的其基本均匀的密度。
此外，以特定方式配置的设备或系统至少以该方式配置，但是它也可以以不同于具体描述的其他方式配置。
除非本公开或实施方案的性质明确禁止，否则即使没有描述或示出，一个实施方案的特征也可以应用于其他实施方案。
附图的简要说明
以下附图通过举例而非限制的方式示出。为了简洁和清楚起见，并不总是在出现该结构的每个图中标记给定结构的每个特征。相同的附图标记不一定表示相同的结构。而是，相同的附图标记可以用于指示相似的特征或具有相似功能的特征，不同的附图标记也可如此。附图按比例绘制(除非另有说明)，意味着至少对于附图中描绘的实施方案，所描绘的元件的尺寸相对于彼此是准确的。
图1包括现有技术的单向纤维增强复合材料的横截面图像。
图2是本公开的单向纤维增强复合材料的横截面共聚焦显微镜图像。
图3是本公开的单向纤维增强复合材料的示意图，其中复合材料的长度、宽度和厚度可分别沿轴E1、E2和E3测量。
图4A是三种单向纤维增强复合材料的堆叠或铺层的示意图，其中三种复合材料的纤维基本上彼此平行。
图4B是两种单向纤维增强复合材料的堆叠或铺层的剖视图，其中两种复合材料的纤维沿不同方向取向。
图4C是包括保护涂层的单向纤维增强复合材料的堆叠或铺层的示意图。
图5是用于制备本公开的单向纤维增强复合材料的系统的示意图。
图6A是本公开的铺展单元的透视图。
图6B是沿图6A的6B至6B线截取的图6A的铺展单元的横截面侧视图。
图6C至图6G分别是图6A的铺展单元的侧视图、俯视图、仰视图、前视图和后视图。
图7A是本公开的铺展元件的透视图。
图7B是沿着图7A的7B至7B线截取的图7的铺展元件的横截面端视图。
图7C至图7F分别是图7A的铺展元件的正视图、俯视图、仰视图和透视图。
图8A至图8C是使用本公开的铺展元件铺展的纤维束的示意图。
图8D和图8E是使用本公开的铺展单元铺展的纤维束的透视图。
图9是描绘用于处理铺展纤维层以形成单向纤维增强复合材料的一个实施方案的示意图。
图10A和图10B分别是本公开的摩擦元件的透视图和正视图。
图11是描绘用于处理铺展纤维层以形成单向纤维增强复合材料的一个实施方案的示意图。
图12是可以使用一种或多于一种本发明的纤维增强复合材料形成的层合体的分解示意图。
图13是可适用于形成一些本发明层合体的压力机的示意图。
图14是包括机械臂的系统的示意图，该机械臂可适合于形成一些本发明的层合体。
图15是可适用于一些本发明系统的机械臂末端执行器的示意图。
图16是显示根据一些用于形成层合体的本发明方法的纤维增强复合材料的相对位置的示意图。
图17至图19是本公开的单向纤维增强复合材料的横截面共聚焦显微镜图像。
图20至图22是与本公开的那些对比的单向纤维增强复合材料的横截面共聚焦显微镜图像。
图23和图24分别是测试样品的正视图和侧视图，每个测试样品包括由本公开的单向带形成的层合体。
图25描绘了适用于测试图23和图24的测试样品的设备。
图21和图22描绘了测试后的图23和图24的测试样品。
详细说明
目前可用的纤维增强复合材料可能具有纤维不均匀排列和空隙的问题，这会使复合材料变弱并且易于产生裂纹和破裂，这最终可能导致包括这种复合材料的零件、部件、装置等的失效。相比之下，本公开的纤维增强复合材料包括具有基本均匀密度的非织造纤维区，该密度由平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)和方差系数(COV)(％)限定。与目前可用的复合材料相比，本公开的复合材料具有改进的结构特征。
用于铺展和/或浸渍纤维的常规设备的缺陷是不能提供足够均匀的纤维间隔和/或不能充分防止纤维在浸渍过程中移动。这种不均匀的间隔和纤维移动可导致所得复合材料中的不均匀的纤维排列和空隙。相反，如上所述，本公开的铺展单元和浸渍单元可用于制备具有基本均匀的密度的纤维增强复合材料。
在以下部分中更详细地讨论了本发明的这些和其他非限制性方面。
A.纤维增强复合材料
本公开的纤维增强复合材料可具有热塑性或热固性聚合物基体和包含分散在聚合物基体中的多个连续纤维的非织造纤维区。通常，非织造纤维区的宽度和长度分别基本上接近于纤维增强复合材料的宽度和长度。这种纤维增强复合材料可以包括至少35体积％至70体积％的多个连续纤维。
这种非织造纤维区可具有基本均匀的密度，其限定为平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65至90和方差系数(COV)(％)为3至20，优选平均RFAC(％)为69至90和COV(％)为3至15，最优选平均RFAC(％)为75至90和COV(％)为3至8。
1.确定密度均匀性
通过使用以下程序确定本公开的复合材料的密度均匀性：
1.通过光学显微镜(例如共聚焦显微镜)获得热塑性或热固性纤维增强带/复合材料的横截面图像。横截面图像垂直于纤维的纵轴取得，并且具有至少1500μm的长度和至少160μm的宽度(例如，沿着带/复合材料的厚度测量)。在实施例中，使用具有50x透镜的Keyence VK-X200相机(Keyence VK-X200,Elmwood,新泽西州,USA)；但也可以使用其他相机或成像设备。
2.绘制十字准线，其将横截面图像的长度和宽度平分。
3.以十字准线为中心绘制第一方框，其边长等于带/复合材料厚度的40％。
4.绘制两组5个相邻的方框，每个方框具有与第一方框相同的尺寸，使得每组位于垂直或宽度方向的十字准线的相应侧，与第一个方框相邻，并以水平或长度方向的十字准线为中心。共有11个框，从而提供11个数据点。
5.测量11个方框中每个方框中的纤维表面积或纤维占据的面积，并且对于每个方框，其表示为方框总面积的百分比，称为面积覆盖率(AC)(％)。
6.通过将方框的AC除以理论上最大可能的AC(可以假设圆形细丝紧密堆积)并乘以100来确定11个方框中的每一个的相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)。通过取11个方框RFAC的平均值来确定平均RFAC(％)。
7.通过将AC的标准偏差(σ)除以AC的平均值并乘以100来确定方差系数(COV)(％)。
在实施例部分中使用上述步骤来计算本公开的纤维增强复合材料和三种可商购获得的对比复合材料的平均RFAC值和COV值。
2.纤维增强复合材料尺寸
图2和图3描绘了单向纤维增强复合材料200。纤维增强复合材料(例如，200)可具有任何宽度(例如，沿轴线E2测量)和任何长度(例如，沿轴线E1测量)。例如，纤维增强复合材料(例如，200)可具有至多6m或大于6m、或0.01m至6m、0.5m至5m、或1m至4m的宽度，或其间的任何范围的宽度，以及至多10000m或大于10000m、或5m至1000m、10m至100m的长度，或其间的任何范围的长度。复合材料(例如，200)的宽度可以是0.01m、0.05m、0.10m、0.15m、0.20m、0.25m、0.30m、0.35m、0.40m、0.45m、0.50m、0.55m、0.60m、0.65m、0.70m、0.75m、0.80m、0.85m、0.90m、0.95m、1.0m、1.5m、2.0m、2.5m、3.0m、3.5m、4.0m、4.5m、5.0m、5.5m、6.0m或大于6.0m。复合材料(例如，200)的长度可以是1m、10m、100m、500m、1000m、1500m、2000m、2500m、3000m、3500m、4000m、4500m、5000m、5500m、6000m、6500m、7000m、7500m、8000m、8500m、9000m、9500m、10000m或大于10000m。
3.纤维区
纤维增强复合材料200包括分散在聚合物基体204中的非织造纤维区202。非织造纤维区202包括多个纤维206，该纤维206是单向取向的并且基本上平行于第一轴线(例如，轴线E1，图3)。复合材料(例如，200)的纤维(例如，206)占复合材料的35体积％至70体积％，优选40％至65％，更优选45％至55％，或其间的任何范围。纤维区202可以由第一平整纤维层和第二平整纤维层形成，该第一平整纤维层和第二平整纤维层已经被压制(例如，如图9中所示和描述的那样)进入基体材料。纤维206可以是玻璃纤维、碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、陶瓷纤维、玄武岩纤维或钢纤维、或其组合。纤维206可具有7μm2至800μm2的平均单丝横截面积，对于圆形纤维，其等于3微米至30微米的平均单丝直径。
复合材料(例如，200)的纤维(例如，206)可以以束的形式提供(例如，碳纤维束、陶瓷纤维束、碳前体纤维束、陶瓷前体纤维束和/或玻璃纤维束等)。这种束可包括任何数量的纤维，例如400个、750个、800个、1375个、1000个、1500个、3000个、6000个、12000个、24000个、50000个、60000个或多于60000个纤维。束中的纤维可具有5微米、6微米、7微米、8微米、9微米、10微米、11微米、12微米、13微米、14微米、15微米、16微米、17微米、18微米、19微米、20微米、21微米、22微米、23微米、24微米、或多于24微米(例如，5微米至24微米、10微米至20微米、12微米至15微米、或其间的任何范围)的平均单丝直径。纤维可以具有涂层(例如有机聚合物涂层，有机聚合物例如有机硅烷)和/或颜料等。
玻璃纤维束(例如，玻璃纤维纱束)可以商品名从PPG Industries(Pittsburg,PA,USA)、Jushi Group Co.,Ltd.(CHINA)、以及Kripa International(INDIA)商购获得。玻璃纤维束可具有10微米、11微米、12微米、13微米、14微米、15微米、16微米、17微米、18微米、19微米、20微米、21微米、22微米、23微米、24微米、或多于24微米(例如，10微米至24微米、12微米至20微米、13微米至15微米、或其间的任何范围)的平均单丝直径。碳纤维或改性碳纤维束(例如，碳纤维捆)可从ACP Composites(Livermore,CA,USA)、TorayIndustries,Inc.(JAPAN)、以及以商品名从ZOLTEK(Bridgeton,MO,USA)商购获得。碳纤维束的平均单丝直径可为3微米至8微米、6微米至7微米、或其间的任何范围。
芳香族聚酰胺纤维束(例如芳香族聚酰胺纤维纱束)由DuPontTM(威尔明顿,DE,USA)以商品名出售。陶瓷纤维束(例如金属氧化物纤维束)可以商品名3MTMNextelTM Continuous Ceramic Oxide Fibers从3M(美国)商购获得。玄武岩纤维束可以商品名从Kamenny Vek(莫斯科,俄罗斯)或以商品名Sudaglass(俄罗斯)从Sudaglass Fiber Technology商购获得。聚酯纤维束、聚酰胺纤维束、聚苯硫醚纤维束和聚丙烯纤维束可从Toray Industries以商品名TORAYCATM商购获得。不希望受理论束缚，认为当使用本公开的方法和设备处理纤维以形成纤维增强复合材料时，纤维的物理性质基本上不会改变。
聚合物基体(例如，204)可包含任何合适的材料，例如热塑性聚合物和/或热固性聚合物。这种热塑性聚合物的非限制性实例包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)、聚(1,4-亚环己基环己烷-1,4-二羧酸酯)(PCCD)、二醇改性的聚对苯二甲酸环己酯(PCTG)、聚(苯醚)(PPO)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚乙烯亚胺或聚醚酰亚胺(PEI)或其衍生物、热塑性弹性体(TPE)、对苯二甲酸(TPA)弹性体、聚(对苯二甲酸环己烷二甲醇酯)(PCT)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰胺(PA)、聚砜磺酸酯(PSS)、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯硫醚(PPS)、其共聚物、或其共混物。这种热固性聚合物的非限制性实例包括不饱和聚酯树脂、聚氨酯、胶木、Duroplast、脲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯基酯、聚酰亚胺、氰酸酯或聚氰尿酸酯、双环戊二烯、酚醛塑料、苯并嗪、其共聚物、或其共混物。
纤维区202具有如上定义的基本均匀的密度。如图所示，复合材料200的空隙体积分数小于5％，例如小于4％、小于3％、小于2％或小于1％、0％至5％、0.1％至4％、或1％至3％。一些纤维增强复合材料，例如复合材料200，可以基本上没有空隙。相比之下，图1的现有技术复合材料具有的纤维区域虽然包括密度一致的部分102，但也具有密度不一致的部分104和空隙106。
4.聚合物富集区域
如图所示，非织造纤维区域202位于第一聚合物富集区域208和第二聚合物富集区域210之间。聚合物富集区域208和210包括小于10体积％的纤维206。聚合物富集区域(例如，208和/或210等)可包含少于9体积％、8体积％、7体积％、6体积％、5体积％、4体积％、3体积％、2体积％、1体积％、0.5体积％、或0.1体积％的纤维(例如，206)。第一聚合物富集区域208和第二聚合物富集区域210中的每一个的宽度和长度分别基本上接近于纤维增强复合材料200的宽度和长度。对于纤维增强复合材料200，第一聚合物富集区域208的厚度和第二聚合物富集区域210的厚度之和为复合材料厚度的15％至25％。第一聚合物富集区域208和第二聚合物富集区域210具有基本相同的厚度(例如，厚度彼此相差在10％之内)；然而，在其他实施方案中，聚合物富集区域(例如，208和210)可以具有不同的厚度(例如，相对于彼此，厚度变化超过10％、11％、12％、13％、14％、15％、16％、17％、18％、19％、20％、或多于20％)。第一聚合物富集区域208和第二聚合物富集区域210中的每一个可以在整个聚合物富集区域中具有基本均匀的密度。这种聚合物富集区域(例如，208和210)可以通过提供足够的聚合物基体(例如，204)以使纤维(例如，206)保持就位来提高复合材料(例如，200)的强度，以及可以有利于复合材料的处理(例如，通过在复合材料中覆盖和包含纤维)和有利于复合材料与其他复合材料或结构的结合。
5.由积层制成的纤维增强复合材料
图4A至图4C是本发明的纤维增强复合材料的堆叠或积层的示意图，其可用于形成层合体。这种堆叠或积层可包括两个或多于两个(例如，2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、或多于10个)纤维增强复合材料(例如，200)，并且这种纤维增强复合材料可以在堆叠或铺层内以任何合适的方式相对于彼此取向。例如，图4的堆叠400包括三个UD纤维增强复合材料200、402和404。如图所示，每个UD复合材料200、402和404的纤维406基本上彼此平行且与轴E1平行(例如，堆叠400可以表述为UD堆叠)。又例如，图4B的堆叠400包括两个UD纤维增强复合材料200和402。如图所示，UD复合材料200的纤维206相对于UD复合材料402的纤维406成角度地设置(例如，90度)。复合材料、铺层、堆叠和层合体可以具有保护涂层。例如，图4C描绘了两个UD纤维增强复合材料408和410的堆叠，其具有保护涂层或层412和414。还考虑了具有非纤维或非UD层、积层或膜的铺层或堆叠。这种层、积层、或膜的实例包括纯热塑性树脂和/或与各种添加剂复合的热塑性聚合物等。
6.添加剂
所公开的聚合物组合物和基体还可以包含一种或多于一种任选的添加剂组分，例如包括选自以下的一种或多于一种添加剂：促进基体材料和纤维之间黏合的偶联剂、抗氧化剂、热稳定剂、流动改性剂、阻燃剂、UV稳定剂、UV吸收剂、抗冲改性剂、交联剂、着色剂、或其组合。适合用作所公开组合物中的添加剂组分的偶联剂的非限制性实例包括可从Chemtura商购获得的3150顺丁烯二酸酐接枝聚丙烯、可从DuPont商购获得的P613顺丁烯二酸酐接枝聚丙烯、顺丁烯二酸酐乙烯、或其组合。适合用作所公开组合物中的添加剂组分的示例性流动改性剂可包括但不限于可从PolyvelInc.商购获得的CR20P过氧化物母粒。适合用作所公开组合物中的添加剂组分的非限制性的示例性稳定剂可包括但不限于可从BASF商购获得的B225。在另一个方面，可以引入纯聚丙烯作为任选的添加剂。阻燃剂的非限制性实例包括基于卤素和不基于卤素的聚合物改性剂和添加剂。UV稳定剂的非限制性实例包括受阻胺光稳定剂、羟基二苯甲酮、羟基苯基苯并三唑、氰基丙烯酸酯、草酰苯胺、羟基苯基三嗪及其组合。UV吸收剂的非限制性实例包括4-取代的-2-羟基二苯甲酮及其衍生物、水杨酸芳基酯、二酚的单酯例如间苯二酚单苯甲酸酯、2-(2-羟基芳基)-苯并三唑及其衍生物、2-(2-羟基芳基)-1,3,5-三嗪及其衍生物、或其组合。抗冲改性剂的非限制性实例包括溶解在形成基体的单体中的弹性体/软嵌段，例如本体HIPS、本体ABS、反应器改性PP、Lomod和/或Lexan EXL等、通过复合而分散在基体材料中的热塑性弹性体例如二嵌段共聚物、三嵌段共聚物和多嵌段共聚物、和/或(官能化的)烯烃(共)聚合物等、通过复合而分布在基体材料中的预先限定的核-壳(基材-接枝)颗粒例如MBS、ABS-HRG、AA、ASA-XTW和/或SWIM、或其组合。交联剂的非限制性实例包括二乙烯基苯、过氧化苯甲酰、二(甲基)丙烯酸亚烷基二醇酯例如二丙烯酸乙二醇酯等和/或类似物、亚烷基三醇三(甲基)丙烯酸酯、聚二(甲基)丙烯酸酯、双丙烯酰胺、氰尿酸三烯丙酯、异氰脲酸三烯丙酯、(甲基)丙烯酸烯丙酯、顺丁烯二酸二烯丙酯、富马酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯、柠檬酸的三烯丙酯、磷酸的三烯丙酯、或其组合。
B.用于制备纤维增强复合材料的系统、方法和设备
图5是用于制备本公开的纤维增强复合材料200的系统500的示意图。系统500可包括纤维束的线轴502、退绕单元504、纤维准备工段506、铺展工段508、浸渍工段510、成形单元512和卷绕机514。纤维束502的线轴可以定位在退绕单元504上，退绕单元504可以将纤维束516从线轴展开，使得纤维束可以被提供给纤维准备工段506。在一些情况下，可以提供卷绕纤维束(例如，来自供应商)而没有线轴；在这种情况下，在将卷绕的纤维束定位在退绕单元504上之前，可以将线轴插入卷绕的纤维束中。纤维束516可以是未经过任何纤维铺展操作的纤维束。纤维准备工段506可包括本领域已知的单元以使纤维束516准备好铺展。例如，纤维准备工段506可包括一个或多于一个张紧器(例如，张力器张力控制系统和/或一个或多于一个辊等)用于张紧、稳定，并且在一些情况下用于引导纤维束516。这种张紧器可在纤维束516与铺展元件604A至604D接触期间向纤维束516提供张力，这可有助于在纤维束的铺展或平整期间将纤维束保持在适当位置。在一些情况下，退绕单元504可以与纤维准备工段506和/或铺展工段508隔开(例如，距离1m、2m、3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m或多于10m)，以使得例如纤维束516的重量用于张紧纤维束。又例如，纤维准备工段506可以配置成对纤维束516加热和/或喷射(例如，以除去可能存在于纤维束上的任何涂层)。
在铺展工段508中，纤维束516可以铺展或平整成铺展纤维层518(如下面更详细描述的)。可以将铺展纤维层518提供给浸渍工段510，其中纤维层可以分散到基体材料中以形成纤维增强复合材料520(例如，图2中的纤维增强复合材料200)。浸渍工段510可包括挤出机、浴和/或涂布系统等。纤维增强复合材料520可以进入成形单元512，其中纤维增强复合材料可以形成带522或片。带522可以被提供给卷绕机514，卷绕机514可以将带缠绕在线轴上(例如，以便于带的存储和/或运输等操作)。
I.铺展工段
铺展工段508可以包括一个或多于一个铺展单元600，每个铺展单元600配置为将一个或多于一个纤维束516铺展成一个或多于一个铺展纤维层518。铺展工段508还可以包括操作铺展单元600所需的一个或多于一个辊、马达和/或电连接件等。
i.铺展单元
参考图6A至图6G，描绘了铺展单元600。如下面将更详细描述的，铺展单元600可以包括各种部件，例如，一个或多于一个固定元件(例如，602A至602D)、一个或多于一个铺展元件(例如，604A至604D)、一个或多于一个热源(例如，加热的铺展元件)、以及可选地一个或多于一个辊(例如，606)。铺展单元600的部件可由耐腐蚀的材料和/或对制备纤维层或纤维增强复合材料中使用的材料(例如，纤维和/或基体材料等)有耐受性的材料例如不锈钢和/或其他合金等材料制成。铺展单元600的部件可以连接到框架608。铺展单元600的一个或多于一个部件可以可拆卸地连接到框架608，例如以便于铺展单元的维护和/或重新配置(例如，通过用具有不同凸角的其他铺展元件替换铺展元件、和/或用其他具有不同的纤维固定部分和/或半径等的固定元件替换固定元件等)。框架608可包括轮或其他特征以增强铺展单元600的便携性。
ii.固定元件
固定元件602A至602D各自包括设置在固定元件端部612之间的纤维固定部分610(图6F)。对于每个固定元件，纤维固定部分610可以表征为包括多个凹槽614或多个凸起616。如图所示，每个纤维固定部分610包括七(7)个凹槽614；然而，在其他实施方案中，纤维固定部分(例如，610)可以包括任何数量的凹槽(例如，614)，并且可以基于待用铺展单元(例如，600)铺展的纤维束(例如，516)的数量和/或待用铺展单元产生的铺展纤维层(例如，518)的数量等来选择凹槽的数量。纤维固定部分610的凹槽614可各自具有与彼此相同、基本相似或不同的尺寸(例如，宽度和深度)。固定元件602A至602D的每个都包括杆(例如，固定元件是杆状的)；然而，在其他实施方案中，固定元件(例如，602A至602D)可包括板。
固定元件602A至602D各自可以配置成当多个纤维进入铺展单元，经过铺展元件和/或离开铺展单元等时，减少多个纤维(例如，在纤维束516或铺展纤维层518中)不期望的横向移动。例如，对于纤维固定部分610，凹槽614的宽度可各自对应于纤维固定部分所配置接收的多个纤维的宽度(例如，沿相应固定元件的纵向轴线测量)。配置成接收纤维束516的固定元件602A和602C的凹槽614可以各自具有比固定元件602B和602D的凹槽614的宽度更小的宽度，固定元件602B和602D配置成从铺展元件604A和604C接收铺展的纤维。更具体地，固定元件602A和602C的凹槽614可各自具有4mm至8mm的宽度，优选地约6mm，并且固定元件602B和602D的凹槽614可各自具有8mm至12mm，优选地约10mm的宽度。
铺展单元600包括四(4)个固定元件602A至602D和四(4)个铺展元件604A至604D。每个铺展元件可以与固定元件配对，并且对于每对，固定元件可以定位在铺展元件的上游。
iii.铺展元件
另外参考图7A至图7F，示出了铺展元件604，其可以代表铺展元件604A至604D。铺展元件604配置为将多个纤维铺展成铺展纤维层518(例如，无论是在纤维束516中铺展纤维还是在铺展纤维层518中进一步铺展纤维)。铺展元件604包括垂直于铺展元件的纵向轴线截取的轮廓、限定轮廓的凸起部分的第一表面626、以及限定轮廓的直的或凹陷的部分的第二表面628。第一表面626可以是椭球面的和/或第二表面628可以是平面的或凹面的。第一表面626和第二表面628可以在边缘630处相遇，边缘630可以是圆形的(例如，边缘可以是圆角的)，以减轻纤维经过边缘时的剐断或撕裂。在这些方式和其他方式中，当多个纤维经过铺展元件604(例如，沿箭头632指示的方向接近铺展元件)时，纤维可以从第一表面626过渡到第二表面628(例如，跨越边缘630，如果存在的话)，从而使纤维铺展。铺展元件604通常是直的；例如，铺展元件的纵向轴线延伸穿过铺展元件端部622以及位于纵向端部的中间的部分铺展元件。铺展元件604包括杆(例如，是棒状的)；然而，在其他实施方案中，铺展元件(例如，604A至604D)可包括板。
铺展元件604包括沿铺展元件的纵向轴线设置的两个或多于两个凸角620。每个凸角620可包括第一表面626和第二表面628(例如，如上所述)。凸角620可以沿着铺展元件的纵向轴线设置，使得两个或多于两个凸角的第二表面628是连续的。如图所示，铺展元件604包括7个凸角；然而，在其他实施方案中，铺展元件(例如，604)可包括任何合适数量的凸角(例如，620)，例如1个至100个、2个至50个、3个至25个、5个至20个凸角，优选5个、6个、7个、8个、9个或10个凸角。
铺展元件604A至604D可各自相对于多个纤维移动，所述多个纤维通过铺展单元600在基本垂直于纤维长度的方向上铺展(例如，通常在箭头605所示的方向上)，这可以是增强纤维的铺展。例如，每个铺展元件604A至604D可以连接到框架608，使得铺展元件可以在与铺展元件的纵向轴线基本对齐的方向上相对于框架移动。在一些实施方案中，包括框架(例如，608)和铺展元件(例如，604A至604D)的整个铺展单元(例如，600)可以配置为相对于由铺展单元铺展的多个纤维移动。
更具体地，铺展元件604A至604D可以配置为相对于通过铺展单元600铺展的多个纤维振荡。这种振荡可以具有任何合适的振幅，例如，0.1mm至20mm、0.1mm至10mm、0.5mm至8mm、1mm至5mm、或0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm、0.7mm、0.8mm、0.9mm、1.0mm、1.1mm、1.2mm、1.3mm、1.4mm、1.5mm、1.6mm、1.7mm、1.8mm、1.9mm、2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3.0mm、3.1mm、3.2mm、3.3mm、3.4mm、3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4.0mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm、5.0mm、5.1mm、5.2mm、5.3mm、5.4mm、5.5mm、5.6mm、5.7mm、5.8mm、5.9mm、6.0mm、6.1mm、6.2mm、6.3mm、6.4mm、6.5mm、6.6mm、6.7mm、6.8mm、6.9mm、7.0mm、7.1mm、7.2mm、7.3mm、7.4mm、7.5mm、7.6mm、7.7mm、7.8mm、7.9mm、8.0mm、8.1mm、8.2mm、8.3mm、8.4mm、8.5mm、8.6mm、8.7mm、8.8mm、8.9mm、9.0mm、9.1mm、9.2mm、9.3mm、9.4mm、9.5mm、9.6mm、9.7mm、9.8mm、9.9mm、10.0mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm或20mm。这种振荡可以以任何合适的频率进行，例如，0.1Hz至5Hz，0.5Hz至2Hz，或0.1Hz、0.2Hz、0.3Hz、0.4Hz、0.5Hz、0.6Hz、0.7Hz、0.8Hz、0.9Hz、1.0Hz、1.1Hz、1.2Hz、1.3Hz、1.4Hz、1.5Hz、1.6Hz、1.7Hz、1.8Hz、1.9Hz、2.0Hz、2.5Hz、3.0Hz、3.5Hz、4.0Hz、4.5Hz或5.0Hz。当纤维通过铺展元件时，铺展元件604A至604D的这种振荡可以有助于使多个纤维并列。每个铺展元件604A至604D可以以相同或不同的幅度和/或频率振荡。
铺展元件604A至604D可以各自围绕铺展元件的纵向轴线，并且相对于通过铺展单元600铺展的多个纤维旋转。例如，铺展元件604A至604D各自连接到框架608，使得铺展元件可相对于框架围绕铺展元件的纵向轴线旋转。通过铺展元件的这种旋转，可以调节多个纤维与铺展元件接触的位置(例如，沿着第一表面626或第二表面628或在边缘630处)以提供纤维的最佳铺展。在一些实施方案中，铺展元件的这种旋转可以是循环的或振荡的。
可以以任何合适的方式完成铺展元件(例如，604A至604D)的移动(例如，平移和/或旋转)。例如，每个铺展元件604A至604D的铺展元件端部622分别包括连接元件618A至618D，每个连接元件配置成连接到马达或驱动器(未示出)。
另外参考图8A，示出了用于制备铺展纤维层的方法。具有初始宽度(Wi)的纤维束802可以进入铺展单元600，并且在一些情况下，通过固定元件(例如，602A至602D)。纤维束802可以在第一表面626处与铺展元件604A接触(例如，在箭头607所示的方向上行进)，并且过渡到第二表面628(例如，跨越边缘630)，从而被铺展成铺展纤维层804。在一些情况下，在经过固定元件(例如，602A至602D)之后，铺展纤维层804可以在第一表面626处与可以振荡的铺展元件604B接触并且过渡到第二表面628(例如，跨越边缘630)，从而被铺展成铺展纤维层806，该纤维层806的宽度(W1)大于纤维束802的初始宽度。
虽然未示出，但是铺展元件604B(例如，凸角620C的)的第一表面626的(例如，主要和/或次要)半径可以大于铺展元件604A(例如，凸角620A的)的第一表面626的对应半径。这样的配置可以有助于铺展元件604B进一步铺展来自铺展元件604A的铺展纤维层804。铺展元件604B的第一表面626的半径可以比铺展元件604A的第一表面626的相应半径大1％、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、或多于10％。在一些实施方案中，第一铺展元件(例如，604A)的第一表面(例如，626)可具有10mm至50mm、20mm至40mm、25mm至35mm或约30mm的半径，并且第一铺展元件的下游的第二铺展元件(例如，604B)的第一表面(例如，626)可以具有50mm至100mm、50mm至90mm、55mm至65mm、或约60mm的半径。
在一些实施方案中，可以使用一个以上的纤维束(例如，516)来制备单个铺展纤维层(例如，518)。例如，并且另外参考图8B至图8E，纤维束802和808可以通过铺展单元600分别铺展成铺展纤维层806和810(例如，以与上述纤维束802相同或相似的方式)。如图所示，铺展元件604A和604B，更具体地其凸角620A至620D，可以相对于彼此定位，使得铺展纤维层806和810形成单个铺展纤维层812。铺展纤维层812的宽度可以等于或大于铺展纤维层806的宽度和铺展纤维层810的宽度(W2)之和。类似地，铺展纤维层812可以由纤维束816和818形成(图8C)。在一些情况下，来自纤维束802和808的铺展纤维层812可以与来自纤维束816和818的铺展纤维层812组合以形成具有来自纤维束802、808、816和818的纤维的铺展纤维层812。
这种铺展纤维层(例如，806、810和/或812等)可以以任何合适的速率生产，例如，1米/分钟至50米/分钟、2米/分钟至25米/分钟、或8米/分钟至15米/分钟。来自铺展工段508的铺展纤维层(例如，806、810和/或812等)可以被提供给浸渍工段510以在基体材料中分散。
2.浸渍工段
浸渍工段510可包括挤出机906、一个或多于一个压制元件(例如，908、914、918、922和/或923等)、一个或多于一个摩擦元件(例如，916、920和/或924等)和/或一个或多于一个热源(例如，915、加热的压制元件和/或加热的摩擦元件等)等。浸渍工段510还可包括操作浸渍工段所需的一个或多于一个辊、马达和/或电连接件等。浸渍工段510的至少一些部件可以统称为浸渍单元，即使这些部件可能不是彼此物理连接的。
参考图9，可以通过一个或多于一个辊606(例如，如果存在的话，其可以被认为是铺展工段的部件和/或浸渍的部件)将来自铺展工段508的铺展纤维层引导至浸渍工段510，其中铺展纤维层可以在基体材料中分散。例如，浸渍工段510包括挤出机906，该挤出机906配置成将基体材料的片或膜供应到铺展纤维层；然而，在其他实施方案中，可以使用任何合适的结构向铺展纤维层提供基体材料。
浸渍工段510包括一个或多于一个压制元件(例如，908、914、918、922和/或923等)，每个压制元件设置在挤出机906的下游并且配置成将至少一个铺展纤维层压入基体材料。例如，每个压制元件可以包括凸起表面，当铺展纤维层与基体材料接触且在张力下通过凸起表面时，该凸面配置成将至少一个铺展纤维层压入基体材料中。通过调节铺展纤维层接近或离开压制元件的角度和/或铺展纤维层的张力等，可以改变压制元件施加到铺展纤维层的压力。在一些情况下，可以将压制元件(例如，908、914、918、922和/或923等)加热到不同的温度。在这些方式和其他方式中，这种压制元件可以提供足够的压力和/或温度以将一个或多于一个铺展纤维层压入基体材料中。在一些情况下，可以提供例如红外热源的热源915以促进压制过程(例如，通过加热基体材料和/或铺展纤维层)。压制元件(例如，908、914、918、922和/或923等)可包括任何合适的结构，例如，杆、板和/或辊(例如，静止的或旋转的)等。在使用旋转压制元件或者与纤维接触的任何其他旋转元件的情况下，防护装置、阻挡物或叶片可以定位为紧靠于旋转元件，以防止纤维缠绕在旋转元件周围。
浸渍工段510包括一个或多于一个摩擦元件(例如，916、920和/或924等)，其配置为促进一个或多于一个铺展纤维层在基体材料内的分散。图10A和图10B描绘了摩擦元件1200，其可以代表摩擦元件916、920和924。摩擦元件1200包括沿摩擦元件的纵向轴线1204设置的两个或多于两个凸起1206。由于凸起1206，摩擦元件1200可具有的轮廓平行于纵向轴线1204并包括可共同形成轮廓较大部分的弯曲部分，该轮廓较大部分的弯曲部分的特征可为波动和/或起伏(例如，沿纵轴的方向)。摩擦元件1200的凸起1206各自包括椭球形表面；然而，摩擦元件(例如，1200)的凸起(例如，1206)可具有任何合适的形状。摩擦元件1200包括杆(例如，摩擦元件是杆状的)；然而，在其他实施方案中，摩擦元件可包括板。
一个或多于一个摩擦元件(例如，916、920和/或924等)可各自相对于由浸渍工段510加工的铺展纤维层、在基本垂直于铺展纤维层长度的方向上移动。例如，浸渍工段510可包括框架，一个或多于一个摩擦元件可连接到该框架，并且每个摩擦元件可相对于框架在基本上与摩擦元件的纵向轴线对齐的方向上移动。摩擦元件可以配置为例如在上面针对铺展元件604A至604D描述的任何幅度和频率下振荡。每个摩擦元件(例如，916、920和/或924等)配置成在将一个或多于一个铺展纤维层压入基体材料之后接触铺展纤维层中的至少一个。
如图9所示，铺展纤维层901和902可以由辊606(如果存在的话)引导至挤出机906。铺展纤维层901和902可包括相同或不同类型的纤维并且可具有相同或不同的宽度。挤出机906可以将基体材料的片或膜供应到铺展纤维层901和902中的至少一个上，例如铺展纤维层902的上表面，以形成涂覆的铺展纤维层910。可以使铺展纤维层901与涂覆的铺展纤维层910接触并且可以通过经过压制元件908将铺展纤维层901压入基体材料中。涂覆的铺展纤维层910可以通过经过压制元件914压入基体材料中。通过基体材料连接的铺展纤维层可以通过摩擦元件916，该摩擦元件916可以是振荡的，以促进铺展纤维层分散到基体材料中。在该实施例中，连接的铺展纤维层可以进一步经过压制元件918，经过摩擦元件920，经过压制元件922，经过摩擦元件924，并经过压制元件923。在一些情况下，连接的铺展纤维层可以经过板925和/或被引导到包括一个或多于一个固结辊928的压制装置926。来自浸渍工段510的纤维增强复合材料200可以由成形单元512加工和/或提供至卷绕机514。在一些实施方案中，浸渍工段510仅加工一个铺展纤维层(例如，901或902)。
现在参考图11，在一些实施方案中，浸渍工段510包括基体材料浴1002。如图所示，铺展纤维层902可以穿过基体材料浴1002，这可以通过固定或旋转辊(例如，1004和/或1006等)来促进，以形成涂覆的铺展纤维层1008。涂覆的铺展纤维层1008可以例如通过压制(例如，通过固结辊1010)来固结，以形成纤维增强复合材料200。纤维增强复合材料200可以通过溶剂回收浴1004以除去任何游离的基体材料，这可以通过固定或旋转辊(例如1012等)来促进。
C.包括纤维增强复合材料的层合体以及制备该层合体的系统和方法
图12是可以使用一种或多于一种本发明的纤维增强复合材料形成的层合体1300的示意性分解图。例如，层合体1300可包括一种或多于一种纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)，每种复合材料包含分散在基体材料1312内的纤维1308。层合体1300的每种纤维增强复合材料可以是本公开的纤维增强复合材料或其他纤维增强复合材料。
作为示例提供，层合体1300可包括纤维增强复合材料1304a和纤维增强复合材料1304b，纤维增强复合材料1304a具有沿第一方向1316a排列的纤维1308，纤维增强复合材料1304b具有沿第二方向1316b排列的纤维1308，第二方向1316b相对于第一方向成角度地设置。第一方向1316a和第二方向1316b之间的最小角度1320可以是大约5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、85度、或90度。更具体地，层合体1300可包括六(6)种纤维增强复合材料1304a至1304f，各个复合材料分别具有相对于纤维增强复合材料和/或层合体的长度成大约0度、45度、-45度、-45度、45度和0度角设置的纤维1308。其他层合体可包括任何合适数量的纤维增强复合材料，各个纤维增强复合材料具有相对于纤维增强复合材料和/或层合体的长度以任何合适的角度成角度设置的纤维，例如，约-90度、-85度、-80度、-75度、-70度、-65度、-60度、-55度、-50度、-45度、-40度、-35度、-30度、-25度、-20度、-15度、-10度、-5度、0度、5度、10度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度、50度、55度、60度、65度、70度、75度、80度、85度和/或90度。虽然层合体1300的纤维增强复合材料1304a至1304f各自包括单向纤维增强复合材料(例如，其中基本上所有的纤维1308基本上彼此平行)，但是其他层合体可以包括的纤维增强复合材料具有限定织造结构的纤维(例如，平面、斜纹、缎纹、席纹、纱罗、充纱罗等织物组织)。可以以对称(例如，图12)或不对称的配置堆叠层合体(例如，1300)的纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)。
一些层合体(例如，1300)可包括具有聚合物富集区域(例如，208和/或210等)的纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)。包括这种聚合物富集区域(例如，设置在纤维增强复合材料的一侧或两侧上)的纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)可以特别适合用于形成层合体(例如，1300)。为了说明，这种聚合物富集区域可以促进纤维增强复合材料与另一种纤维增强复合材料或结构(例如，下面描述的基材1508)的结合，例如通过在纤维增强复合材料的一侧或两侧提供增加量的基体材料(例如，1312)进行结合。为了进一步说明，这种聚合物富集区域可以通过例如在纤维增强复合材料内覆盖和包含纤维(例如，1308)来促进纤维增强复合材料的处理，如果放置不当，纤维增强复合材料会伤害工人、在纤维增强复合材料处理设备(例如，线轴1516、管道1520和/或末端执行器1512等，如下所述)中缠绕和/或堵塞和/或削弱纤维增强复合材料等。
可以以任何合适的方式形成本公开的层合体(例如，1300)。例如，图13描绘了用于由一种或多于一种纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)形成层合体(例如，1300)的压力机1400。压力机1400可包括两个或多于个压制部分(例如，1404a和1404b)，每个压制部分限定压制表面1408。压力机1400可以通过压制部分的相对运动在打开位置和关闭位置之间移动，其中压制表面1408配合以压制设置在压制表面之间的纤维增强复合材料。为了说明，在压力机1400中，压制部分1404a可相对于压制部分1404b移动(例如，沿箭头1406所示的方向)，以使压力机在打开和关闭位置之间移动。每个压制表面1408可以包括平面的、成角度的、凸起的和/或凹陷的等部分，并且可以基于由压力机1400形成的层合体的期望形状来选择。压力机1400在打开和关闭位置之间的移动可以通过例如一个或多于一个液压、电动和/或气动等致动器1410来促进。
压力机1400可以包括热源1412和/或可以与热源1412结合使用。例如，在压力机1400中，热源1412包括加热元件，该加热元件配置成加热至少一个压制部分。然而，热源(例如，1412)可包括任何合适的热源，例如激光器和/或红外热源等。这种热源(例如，1412)可以通过例如软化和/或熔化用于形成层合体的一种或多于一种纤维增强复合材料的基体材料来促进层合体的形成。
为了说明，当压力机(例如，1400)处于打开位置时(例如，图13)，一种或多于一种纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)可以放置在压力机的一个或多于一个压制表面(例如，1408)上。可以由工人和/或机械臂(例如，1504，如下所述)等将纤维增强复合材料放置在压制表面上。然后可以将压力机移动到闭合位置，从而在压制表面之间压制纤维增强复合材料，以由纤维增强复合材料形成层合体(例如，1300)。在压力机从打开位置移动到关闭位置之前、期间和/或之后，可以加热纤维增强复合材料(例如，使用热源1412)。
又例如，图14描绘了用于由一种或多于一种纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)形成层合体(例如，1300)的系统1500。更具体地，系统1500可包括具有末端执行器1512的机械臂1504，该末端执行器1512配置成将纤维增强复合材料放置在基材1508上以形成层合体。纤维增强复合材料可以通过与基材接触或通过与一种或多于一种与基材接触的其他纤维增强复合材料接触而“放置”在基材上。基材1508可以包括模具、模板、平台和/或表面等，层合体可以从这些部件中移除，或者基材可以与层合体一起保留，使得基材和层合体形成部件(例如机动车部件和/或飞机部件等)(例如，使得可以放置层合体以局部增强部件)。
系统1500可包括线轴1516，纤维增强复合材料(例如，1304a至1304f)可围绕线轴1516缠绕。线轴1516可位于温控壳体1518内，以降低纤维增强复合材料过早软化和/或熔化的风险，否则这可能导致纤维增强复合材料黏到其自身上或系统1500的部件上。系统1500可包括管道1520，该管道1520配置成将纤维增强复合材料从线轴1516输送到末端执行器1512。管道1520可以是柔性的，例如在末端执行器相对于基材1508移动期间，帮助纤维增强复合材料从线轴1516移动到末端执行器1512。管道1520可以是(例如，空气冷却的和/或液体冷却的)，这可以提供与壳体1518提供的那些类似的益处。另外参考图15，末端执行器1512可包括一个或多于一个辊1524，其配置成从管道1520拉出纤维增强复合材料。
系统1500可以配置成张紧纤维增强复合材料。为了说明，线轴1516可以配置成通过例如抵抗线轴旋转来抵抗纤维增强复合材料从线轴的退绕。线轴1516对旋转的这种阻力可以通过摩擦和/或连接到线轴1516的马达等来提供。进一步说明，系统1500可以配置为(例如，通过连接到线轴和至少一个辊的马达)允许控制线轴1516和至少一个辊1524的旋转位置和/或速度，该辊1524可以被调节以张紧纤维增强复合材料。纤维增强复合材料的张紧可以降低纤维增强复合材料在系统1500内变形和/或卡住等风险。
末端执行器1512可包括压制元件1528，该压制元件1528配置成将纤维增强复合材料压靠在基材1508上。可以通过末端执行器的一个或多于一个辊、销、和/或管道等通过末端执行器1512将纤维增强复合材料引导至压制元件1528。在末端执行器1512中，压制元件1528包括辊；然而，在其他实施方案中，压制元件(例如，1528)可包括销和/或(例如弯曲的)板等。这种压制元件(例如，1528)可包括柔性材料，以例如促进纤维增强复合材料压靠基材(例如，1508)的弯曲部分。
系统1500可包括配置以加热纤维增强复合材料的热源1532，其可连接到末端执行器1512。在系统1500中，热源1532包括激光器；然而，在其他实施方案中，热源(例如，1532)可包括配置成加热压制元件(例如，1528)的加热元件、红外热源和/或超声波焊接机等。通过使纤维增强复合材料压靠基材1508和/或连接到基材的其他纤维增强复合材料、和/或加热纤维增强复合材料，纤维增强复合材料可以结合到基材和/或其他纤维增强复合材料。
末端执行器512可相对于基材1508移动，使得末端执行器可在基材的期望位置并沿着基材期望方向放置纤维增强复合材料。例如，在系统1500中，末端执行器1512可相对于基材1508绕轴1536a、1536b和/或1536c旋转和/或平移(例如，以六个自由度)。末端执行器1512相对于基材1508的这种移动可以以任何合适的方式实现，并且仅通过说明的方式提供以下描述。机械臂1504可包括基座1540和连接在基座和末端执行器1512之间的一个或多于一个臂(例如，1544a和/或1544b等)。末端执行器1512的移动可以通过基座1540的至少一部分相对于于其上设置机械臂1504的底板的移动(例如，旋转和/或平移)、一个或多于一个臂的至少一部分相对于基座的至少一部分的移动(例如，旋转和/或平移)、和/或末端执行器1512的至少一部分相对于一个或多于一个臂的至少一部分的移动(例如，旋转和/或平移)来实现。基座1540、一个或多于一个臂和/或末端执行器1512的这种相对运动可以通过例如电动、液压和/或气动等致动器来促进。在一些实施方案中，基材(例如，1508)可相对于其上设置基材的底板移动(例如，可旋转和/或可平移)(例如，以便于在基材的期望位置并沿着基材的期望方向放置纤维增强复合材料)。
末端执行器1512可包括切割器1548，该切割器1548配置成切割纤维增强复合材料，以例如将期望长度的纤维增强复合材料放置到基材1508上。为了说明，末端执行器1512可以将第一长度的纤维增强复合材料施加到基材1508上，切割器1548可以切割纤维增强复合材料，并且末端执行器可以将第二长度的纤维增强复合材料施加到基材上(例如，在基材上的不同位置和/或沿基材的不同方向)。纤维增强复合材料被切割后，纤维增强复合材料的分离部分被称为分离的纤维增强复合材料(例如，第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料)。
虽然系统1500描述了关于单一纤维增强复合材料进料(例如，来自单个线轴1516)，但是其他实施方案可以包括任何合适数量的纤维增强复合材料进料并且可以包括相应数量的线轴(例如，1516)、管道(例如，1520)、辊(例如，1524)、压制元件(例如，1528)、热源(例如，1532)和/或切割器(例如，1548)等。
例如，本方法的一些实施方案包括使用机械臂(例如1504)的末端执行器(例如1512)将第一纤维增强复合材料放置在基材(例如1508)上，并且使用末端执行器将第二纤维增强复合材料放置在基材上。如图16所示，这样的放置可以使得第二纤维增强复合材料覆盖第一纤维增强复合材料(例如，纤维增强复合材料1304h覆盖纤维增强复合材料1304g)和/或使得第二纤维增强复合材料与第一纤维增强复合材料(例如，纤维增强复合材料1304h与纤维增强复合材料1304i相邻)相邻。第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料可以来自相同或不同的纤维增强复合材料进料。一些实施方案包括通过加热(例如，使用热源1532)第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者和/或向第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者施加压力(例如，使用压制元件1528)使第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料结合。
系统1500可包括一个或多于一个传感器1556，其配置成捕获指示纤维增强复合材料性能的数据，例如颜色、基体材料组成、纤维组成、厚度和/或宽度等的数据。这样的传感器(例如，1556)可以包括任何合适的传感器，例如颜色传感器(例如，RBG和/或RBGC等颜色传感器)、基于光的传感器(例如，相机、基于激光的传感器和/或基于红外线的传感器等)和/或超声波传感器等。在系统1500中，传感器1556设置在末端执行器1512上；然而，在其他实施方案中，传感器(例如，1556)可以设置在任何合适的位置，例如在线轴(例如，1516)和/或管道(例如，1520)上或附近。
系统1500可以包括处理器1560，处理器1560配置为至少部分地基于由传感器1556捕获的数据来控制系统部件。例如，处理器1560可以控制热源1532，以至少部分地基于传感器1556捕获的指示纤维增强复合材料性能的数据来改变热源向纤维增强复合材料提供的热量。为了说明，处理器1560可以控制热源1532向颜色较深的纤维增强复合材料提供的热量比向颜色较浅的纤维增强复合材料提供的热量更少(例如，颜色较深的纤维增强复合材料可以比颜色较浅的纤维增强复合材料反射更少的能量)、向具有熔点较高的基体材料的纤维增强复合材料提供的热量比向具有熔点较低的基体材料的纤维增强复合材料提供的热量更多、和/或向较厚和/或较宽的纤维增强复合材料提供的热量比向较薄和/或较窄的纤维增强复合材料提供的热量更多(例如，较厚和/或较宽的纤维增强复合材料可以比较薄和/或较窄的纤维增强复合材料包含更多的基体材料)等。至少部分基于末端执行器1512相对于基材1508的平移和/或旋转速度和/或由压制元件1528施加的压力等，处理器1560可以控制热源1532以改变由热源提供的热量。
又例如，处理器1560可以配置为至少部分地基于由传感器1556捕获的数据来改变末端执行器1512相对于基材1508的平移和/或旋转速度(例如，通过机械臂1504致动器的控制)，该传感器1556捕获的数据指示由末端执行器放置在基材1508上的纤维增强复合材料的特性。为了说明，处理器1560可以配置为当末端执行器放置较厚和/或较宽的纤维增强复合材料相比于当末端执行器放置较薄和/或较窄的纤维增强复合材料时，和/或当末端执行器放置具有较高熔点的基体材料的纤维增强复合材料相比于当末端执行器放置具有较低熔点的纤维增强复合材料时等情况时，相对于基材1508更慢地平移和/或旋转末端执行器1512。处理器1560可以配置成至少部分基于热源1532提供的热量和/或压制元件1528施加的压力等来改变末端执行器1512相对于基板1508的旋转和/或平移速度。
对于又一个实例，处理器1560可以配置为至少部分地基于由传感器1556捕获的数据来改变由压制元件1528施加到纤维增强复合材料的压力(例如，通过机械臂1504致动器的控制)，该传感器1556捕获的数据指示纤维增强复合材料的性质。为了说明，处理器1560可以配置成对具有较高熔点的基体材料的纤维增强复合材料比对具有较低熔点的纤维增强复合材料施加更大的压力、对较厚和/或较宽的纤维增强复合材料比对对较薄和/或较窄的纤维增强复合材料施加更大地压力、和/或类似的。处理器1560可以至少部分地基于由热源1532提供的热量、和/或末端执行器1512相对于基材1508的平移和/或旋转速度等，来改变由压制元件1528施加的压力。
本方法的一些实施方案包括调节末端执行器(例如，1512)相对于基材(例如，1508)的平移和/或旋转速度、(例如，通过热源1532)提供到纤维增强复合材料的热量、和/或(例如，通过压制元件1528)施加到纤维增强复合材料的压力，该调节至少部分地基于以下一项或多于一项：纤维增强复合材料的颜色、纤维增强复合材料的基体材料的组成、纤维增强复合材料的纤维的组成、纤维增强复合材料的厚度、以及纤维增强复合材料的宽度。这种调整可以(例如，考虑由传感器1556捕获的数据)由处理器(例如，1560)(例如，实时地)进行，和/或可以包括(例如，手动地)输入的系统参数。
实施例
将通过具体实施例更详细地描述本发明。提供以下实施例仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易地认识到可以改变或修改以产生基本相同结果的各种非关键参数。
实施例1
(本公开的样品带和对比带)
使用上述铺展和浸渍单元制备本公开的单向玻璃纤维带(样品1至3或S1至S3)。对于S1至S3，玻璃纤维的平均直径为17μm。对于S1，用于形成基体的聚合物是聚丙烯；对于S2，用于形成基体材料的聚合物是高密度聚乙烯；而对于S3，用于形成基体材料的聚合物是聚酰胺6(H8202NLB)。图17至图19分别是S1、S2和S3的横截面共焦显微镜图像，图像是通过具有50×透镜的Keyence VK-X200相机获得的。
还分析了三种对比的可商购获得的玻璃纤维带(对比例1至3或C1至C3)。样品C1的平均单丝直径为13μm，且样品C2和C3的平均单丝直径为17μm。图20至图22分别是C1、C2和C3的横截面共聚焦显微镜图像。
S1至S3和C1至C3的均匀密度以上述说明书标题为“确定密度均匀性”部分中概述的方式确定。对于S1，RFAC(％)值和COV(％)值分别为82.3和4.0。对于S2，RFAC(％)值和COV(％)值分别为80.4和7.0。对于S3，RFAC(％)值和COV(％)值分别为69.7和8.0。对于C1，RFAC(％)值和COV(％)值分别为47.3和25.3。对于C2，RFAC(％)值和COV(％)值分别为65.7和32.4。对于C3，RFAC(％)值和COV(％)值分别为55.5和9.2。
表1至表3分别提供了S1至S3的数据点，表4至表6分别提供了C1至C3的数据点。假设圆形丝在正方形内紧密堆积，理论上的最大可能覆盖率为78.5％，其按圆形丝的面积除以正方形面积计算。例如，对于在边长为“2r”的正方形内的半径为“r”的圆形丝，则覆盖率等于πr2/(2r)2。
表1
(样品S1数据点)
框 纤维数量 纤维面积(cm<sup>2</sup>) 正方形面积(cm<sup>2</sup>) 纤维百分比覆盖率<sup>*</sup>
1 30 6.8094E-05 0.0001 68.1
2 30 6.8094E-05 0.0001 68.1
3 29 6.58242E-05 0.0001 65.8
4 29 6.58242E-05 0.0001 65.8
5 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
6 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
7 28 6.35544E-05 0.0001 63.6
8 28 6.35544E-05 0.0001 63.6
9 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
10 29 6.58242E-05 0.0001 65.8
11 29 6.58242E-05 0.0001 65.8
*框1至11的平均值为64.6。因此(64.6/78.5)×100＝82.3的RFAC。
框1至11的标准偏差为2.6。因此，(2.6/64.4)×100＝4.0的COV。
表2
(样品S2数据点)
框 纤维数量 纤维面积(cm<sup>2</sup>) 正方形面积(cm<sup>2</sup>) 纤维百分比覆盖率<sup>*</sup>
1 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
2 28 6.35544E-05 0.0001 63.6
3 29 6.58242E-05 0.0001 65.8
4 28 6.35544E-05 0.0001 63.6
5 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
6 30 6.80940E-05 0.0001 68.1
7 26 5.90148E-05 0.0001 59.0
8 29 6.58242E-05 0.0001 65.8
9 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
10 31 7.03638E-05 0.0001 70.4
11 24 5.44752E-05 0.0001 54.5
*框1至11的平均值为63.1。因此(63.1/78.5)×100＝80.4的RFAC。
框1至11的标准偏差为4.4。因此，(4.4/63.1)×100＝7.0的COV。
表3
(样品S3数据点)
框 纤维数量 纤维面积(cm<sup>2</sup>) 正方形面积(cm<sup>2</sup>) 纤维百分比覆盖率<sup>*</sup>
1 25 5.6745E-05 0.0001 56.7
2 26 5.90148E-05 0.0001 59.0
3 27 6.12846E-05 0.0001 61.3
4 24 5.44752E-05 0.0001 54.5
5 22 4.99356E-05 0.0001 49.9
6 25 5.67450E-05 0.0001 56.7
7 26 5.90148E-05 0.0001 59.0
8 24 5.44752E-05 0.0001 54.5
9 23 5.22054E-05 0.0001 52.2
10 22 4.99356E-05 0.0001 49.9
11 21 4.76658E-05 0.0001 47.7
*框1至11的平均值为54.7。因此(54.7/78.5)×100＝69.7的RFAC。
框1至11的标准偏差为4.4。因此，(4.4/54.7)×100＝8.0的COV。
表4
(对比样品C1数据点)
框 纤维数量 纤维面积(cm<sup>2</sup>) 正方形面积(cm<sup>2</sup>) 纤维百分比覆盖率<sup>*</sup>
1 32 4.25E-05 0.0001 42.5
2 17 2.26E-05 0.0001 22.6
3 24 3.19E-05 0.0001 31.9
4 31 4.11E-05 0.0001 41.1
5 37 4.91E-05 0.0001 49.1
6 31 4.11E-05 0.0001 41.1
7 21 2.79E-05 0.0001 27.9
8 17 2.26E-05 0.0001 22.6
9 33 4.38E-05 0.0001 43.8
10 35 4.65E-05 0.0001 46.5
11 30 3.98E-05 0.0001 39.8
*框1至11的平均值为37.2。因此(37.2/78.5)×100＝47.3的RFAC。
框1至11的标准偏差为9.4。因此，(9.4/37.2)×100＝25.3的COV。
表5
(对比样品C2数据点)
框 纤维数量 纤维面积(cm<sup>2</sup>) 正方形面积(cm<sup>2</sup>) 纤维百分比覆盖率<sup>*</sup>
1 28 6.36E-05 0.0001 63.6
2 16 3.63E-05 0.0001 36.3
3 30 6.81E-05 0.0001 68.1
4 11 2.5E-05 0.0001 25.0
5 21 4.77E-05 0.0001 47.7
6 28 6.36E-05 0.0001 63.6
7 29 6.58E-05 0.0001 65.8
8 25 5.67E-05 0.0001 56.7
9 29 6.58E-05 0.0001 65.8
10 23 5.22E-05 0.0001 52.2
11 10 2.27E-05 0.0001 22.7
*框1至11的平均值为51.6。因此(51.6/78.5)×100＝65.7的RFAC。
框1至11的标准差为16.7。因此，(16.7/51.6)×100＝32.4的COV。
表6
(对比样品C3数据点)
框 纤维数量 纤维面积(cm<sup>2</sup>) 正方形面积(cm<sup>2</sup>) 纤维百分比覆盖率<sup>*</sup>
1 21 4.77E-05 0.0001 47.7
2 21 4.77E-05 0.0001 47.7
3 19 4.31E-05 0.0001 43.1
4 18 4.09E-05 0.0001 40.9
5 17 3.86E-05 0.0001 38.6
6 18 4.09E-05 0.0001 40.9
7 17 3.86E-05 0.0001 38.6
8 22 4.99E-05 0.0001 49.9
9 19 4.31E-05 0.0001 43.1
10 21 4.77E-05 0.0001 47.7
11 18 4.09E-05 0.0001 40.9
*框1至11的平均值为43.5。因此(43.5/78.5)×100＝55.5的RFAC。
框1至11的标准差为4.0。因此，(4.0/43.5)×100＝9.2的COV。
实施例2
(制备S1的过程)
使用上述铺展单元和浸渍单元制备样品S1至S3。以下包括用于制备样品S1的步骤的非限制性说明。
将所需数量的纤维束引入UD带生产线。来自纤维束的纤维通过位于生产线末端的牵引站连续地拉过生产线。将纤维分成两组，其中一组由铺展单元的下部加工以产生下铺展纤维层，另一组由铺展单元的上部加工以产生上铺展纤维层。使聚合物基体材料与下铺展纤维层的上表面接触。将上铺展纤维层和下铺展纤维层组合并通过经过一系列销压入基体材料中。将组合的铺展纤维层压实成UD带并缠绕在线轴上。用于制作样品S1的线速度为8m/s。
实施例3
(包含本公开的带的层合体的测试)
现在参考图23至图27，进行包含本公开的带的层合体的压缩测试。制备四个测试样品1104，每个测试样品包括UD层合体1120，该UD层合体1120具有与层合体的长度对齐的纤维。每个层合体1120由4mm厚的本公开UD带的铺层形成，每个层合体具有分散在聚丙烯基体材料中的玻璃纤维。使用水射流切割器将每个层合体1120切割成140mm的长度和12mm的宽度。为了准备用于测试的每个层合体1120，使用3M Scotch-Weld DP8005将铝调整片1116在相对的层合体末端1112处黏附到层合体上。在铝调整片1116黏附之前，每个层合体末端1112被打磨和去油污。对于每个测试样品1104，在相对的铝调整片组1116之间限定了计量部分1108。
使用Zwick 250kN测试设备1124对样品1104进行压缩测试直至失效(图25)。样品1104的平均压缩强度为456MPa，标准偏差为45.4MPa。如图26和图27所示，对于每个样品1104，在层合体末端1112之一失效而不是在计量部分1108处失效，这可能是由于层合体末端和相应的铝调整片1116之间的分离。可以预料，通过使用更坚固的调整片(例如，用层合体形成调整片、将调整片模制到层合体上和/或将调整片焊接到层合体上等)，可以获得更高的抗压强度测试结果。
以上说明书和实施例提供了说明性实施方案的结构和使用的完整描述。尽管上面已经在某种程度上特别地或参考一个或多于一个单独的实施方案描述了一些实施方案，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的范围的情况下对所公开的实施方案进行多种改变。因此，方法和系统的各种说明性实施方案不旨在限于所公开的特定形式。而是，它们包括落入权利要求范围内的所有修改和替换，并且除了所示实施方案之外的实施方案可以包括所述实施方案的一些或全部特征。例如，可以省略元件或将元件组合为一体结构和/或可以替换连接方式。此外，在适当的情况下，上述任何实施例的方面可以与所描述的任何其他实施例的方面组合以形成具有相当或不同的性能和/或功能的其他实施例，并且解决相同或不同的问题。类似地，应该理解的是，上述益处和优点可以涉及一个实施方案，或者可以涉及多个实施方案。
权利要求不旨在包括，也不应被解释为包括装置加功能或步骤加功能限定，除非在给定权利要求中分别使用短语“用于……的装置”或“用于……的步骤”明确叙述了这种限定。

Claims (22)

1.一种至少由第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料形成层合体的方法，所述方法包括：
至少通过相对于基材平移和/或旋转机械臂的末端执行器来使用所述末端执行器将第一纤维增强复合材料放置在基材上；
至少通过相对于基材平移和/或旋转末端执行器而使用所述末端执行器将第二纤维增强复合材料放置在基材上，其中第二纤维增强复合材料放置为使得第二纤维增强复合材料覆盖第一纤维增强复合材料或与第一纤维增强复合材料相邻；和
至少通过以下方式使第二纤维增强复合材料与第一纤维增强复合材料结合：
加热第二纤维增强复合材料；和/或
对第二纤维增强复合材料施加压力；
其中第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包括：
基体材料，其包含热塑性材料；和
非织造纤维区域，其包括分散在基体材料中的多个连续纤维；
其中非织造纤维区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度；和
其中非织造纤维区域的平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65至90，方差系数(COV)(％)为3至20。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包括设置在所述纤维增强复合材料的相对侧的第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域，其各自具有小于10体积％的纤维，其中：
每个聚合物富集区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度；和
聚合物富集区域的厚度之和为纤维增强复合材料厚度的15％至25％。
3.根据权利要求1所述的方法，其包括：
使用一个或多于一个传感器捕获指示以下一项或多于一项的数据：
第二纤维增强复合材料的颜色；
第二纤维增强复合材料的基体材料的组成；
第二纤维增强复合材料的厚度；和
第二纤维增强复合材料的宽度；和
使用处理器并且至少部分地基于由一个或多于一个传感器捕获的数据调整末端执行器相对于基材的平移和/或旋转速度、提供给第二纤维增强复合材料的热量和/或施加到第二纤维增强复合材料的压力。
4.一种至少由第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料形成层合体的方法，所述方法包括：
至少通过相对于基材平移和/或旋转机械臂的末端执行器来使用末端执行器将第一纤维增强复合材料放置在基材上；
至少通过相对于基材平移和/或旋转末端执行器而使用末端执行器将第二纤维增强复合材料放置在基材上，其中第二纤维增强复合材料放置为使得第二纤维增强复合材料覆盖第一纤维增强复合材料或与第一纤维增强复合材料相邻；和
至少通过以下方式使第二纤维增强复合材料与第一纤维增强复合材料结合：
加热第二纤维增强复合材料；和/或
对第二纤维增强复合材料施加压力；
其中所述第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包括设置在所述纤维增强复合材料的相对侧的第一聚合物富集区域和第二聚合物富集区域，其各自具有小于10体积％的纤维，其中：
每个聚合物富集区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度；和
聚合物富集区域的厚度之和为纤维增强复合材料厚度的15％至25％。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料中的至少一者包括：
基体材料，其包含热塑性材料；和
非织造纤维区域，其包括分散在基体材料中的多个连续纤维；
其中非织造纤维区域的宽度和长度分别基本上等于纤维增强复合材料的宽度和长度；和
其中非织造纤维区域的平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65至90，方差系数(COV)(％)为3至20。
6.根据权利要求4所述的方法，其包括：
使用一个或多于一个传感器捕获指示以下一项或多于一项的数据：
第二纤维增强复合材料的颜色；
第二纤维增强复合材料的基体材料的组成；
第二纤维增强复合材料的厚度；和
第二纤维增强复合材料的宽度；和
使用处理器并且至少部分地基于由一个或多于一个传感器捕获的数据调整末端执行器相对于基材的平移和/或旋转速度、提供给第二纤维增强复合材料的热量和/或施加到第二纤维增强复合材料的压力。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中至少一种纤维增强复合材料的基本上所有的纤维基本上彼此平行。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中至少一种纤维增强复合材料的基体材料包含热塑性材料。
9.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中使用包括激光器、红外热源和/或超声波焊接机的热源进行加热。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述热源连接到所述末端执行器。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中：
使用连接到末端执行器的压制元件施加压力；和
可选地，所述压制元件包括辊。
12.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述基材包括模具。
13.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述基材包括部件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述部件包括飞机部件或机动车部件。
15.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其中所述第一纤维增强复合材料和第二纤维增强复合材料经由一个或多于一个柔性管道供应到所述末端执行器。
16.一种用于由一种或多于一种纤维增强复合材料形成层合体的系统，每种纤维增强复合材料包含分散在基体材料中的纤维，所述系统包括：
热源，其配置为向一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种提供热量；
一个或多于一个传感器，其配置为捕获指示以下至少一项的数据：
所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种的颜色；
所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种的基体材料的组成；
所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种的纤维的组成；
所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种的厚度；和
所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种的宽度；和
处理器，其配置为至少部分地基于由一个或多于一个传感器捕获的数据来改变由热源提供的热量。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述热源包括激光器、红外热源和/或超声波焊接机。
18.根据权利要求16所述的系统，其包括具有末端执行器的机械臂，所述末端执行器配置成至少通过相对于基材平移和/或旋转来将所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种放置在基材上。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述热源连接于所述末端执行器。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述处理器配置为至少部分地基于由所述一个或多于一个传感器捕获的数据来改变所述末端执行器相对于基材的平移和/或旋转速度。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的系统，其中：
所述末端执行器包括压制元件，所述压制元件配置成向所述一种或多于一种纤维增强复合材料中的至少一种施加压力；和
可选地，所述压制元件包括辊。
22.根据权利要求21所述的系统，其中所述处理器配置为至少部分地基于由所述一个或多于一个传感器捕获的数据来改变由压制元件施加的压力。
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