CN110405981B

CN110405981B - 用于制造单向纤维增强带的铺展元件

Info

Publication number: CN110405981B
Application number: CN201910371279.7A
Authority: CN
Inventors: 里纳斯·普林斯; 杰勒德·德·韦尔德
Original assignee: Fibre Reinforced Thermoplastics BV
Current assignee: Fibre Reinforced Thermoplastics BV
Priority date: 2015-03-10
Filing date: 2016-03-10
Publication date: 2021-11-16
Anticipated expiration: 2036-03-10
Also published as: CN110405981A; JP2021191915A; JP6807854B2; US20180043580A1; CN107428035A; EP3698934B1; EP3268520A1; JP2018507942A; KR102406662B1; US10953569B2; CN107405797B; US20180044827A1; JP6640239B2; US10864657B2; CN107428034A; US11465315B2; CN107428035B; WO2016142781A1; EP3268214A1; CN107405797A

Abstract

本发明公开了纤维增强复合材料及其制造方法和装置。一些纤维增强复合材料包含包括热塑性材料的基质材料和含有分散在基质材料中的多根连续纤维的非织造纤维区域，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，其中所述非织造纤维区域的平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65‑90，和变异系数(COV)(％)为3‑20，和其中所述多根连续纤维中的每一个基本上与所述纤维增强复合材料的长度对齐。

Description

用于制造单向纤维增强带的铺展元件

本申请为申请号201680014984.6、申请日为2016年3月10日、发明名称为“用于制造单向纤维增强带的铺展元件”的发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年3月10日提交的题为“具有均匀致密纤维层的单向纤维增强带及其制造装置和方法”的美国临时专利申请号62/131,002的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明一般性地涉及单向(UD)纤维增强复合材料及其制造装置和方法。特别地，一些UD纤维增强复合材料具有非织造纤维区域或层，所述区域或层包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维，其中非织造纤维区域具有基本均匀的密度，如通过平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)和相关变异系数(COV)(％)所定义的。聚合物基质可以是热塑性或热固性聚合物基质。

背景技术

复合材料可以包括分散在树脂/聚合物基质中的纤维。这种复合材料可用于各种行业，例如在消费电子产品、弹道学、航空航天和运输工业中。UD复合材料是具有在基本上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个方向或维度上变化的性质的制品。

UD复合材料的一个实例是UD带或预浸料，其可以表征为浸渍有聚合物树脂的连续UD纤维(例如玻璃纤维、碳纤维等)的薄条或带。这样的UD带可以具有1至15cm的宽度，可能更宽，和小于1mm的厚度。这样的UD带可以设置在线轴或卷轴上。UD带描述于Bompard等人的美国专利号6,919,118以及Li等人的美国公开号2014/0147620中。

理论上，UD复合材料中的所有纤维应均匀、平行和连续；然而，在实践中，这些性质难以实现。例如，通常可获得的UD带可以具有纤维区域或层，其包括纤维的不均匀布置、气穴或空隙、断裂的纤维等。已经有很多尝试来解决这些问题。

授予给Wai的美国专利号5,496,602尝试通过将UD纤维放置在一对环氧热固性树脂膜之间并加热纤维和膜来形成UD带来解决这些问题。UD带随后被注射聚合物以填充纤维之间的间隙。由于在应用膜期间的纤维移动，所得到的UD带可能包括纤维的非均匀布置以及气穴或空隙。此外，Wai的方法包括许多相对复杂的步骤以及引入可能不希望的材料诸如环氧树脂。

解决这些问题的一些尝试包括使用纤维铺展装置。授予Narihito的美国专利号5,101,542描述了这样一种纤维铺展装置，它包括多个滚筒元件，每个滚筒元件具有在其中心凸出的连续凸状外表面。授予给Meyer的美国专利号8,191,215描述了一种旋转的纤维铺展装置，其包括翼，每个翼具有在横截面上连续凸起的最外侧的铺展边缘。Jung等人的美国专利号8,470,114和美国公开号2013/0164501分别描述了通过使纤维在一系列凸状杆上通过来铺展纤维的方法。Bompard等人的美国专利号6,585,842描述了通过使纤维在一系列弯曲(例如香蕉形)滚筒上通过来铺展纤维的方法。

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纤维层可移动通过其中的聚合物溶液浴。在这种方法中，可以使用滚筒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。这些方法中的每一个都是类似的，因为它们涉及将聚合物树脂材料压入纤维层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带仍然具有不均匀的纤维布置和在基质材料中的气穴或空隙。例如，图1包括使用扫描电镜获得的市售UD复合材料的横截面图像。这些市售的UD复合材料具有纤维区域，所述纤维区域具有不均匀的纤维布置，因此具有不均匀的密度，以及在聚合物基质中的空隙和气穴。

发明内容

已经做出了解决或至少减轻在UD复合带中纤维不均匀分布、空隙和气穴等问题的发现。特别地，本公开的纤维增强复合材料可以具有包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维的非织造纤维区域或层。聚合物基质可以是热固性聚合物基质，或更优选热塑性聚合物基质。热塑性聚合物基质可以在一定温度以上可模塑和可弯曲，并可在低于该温度下固化。一旦固化或交联，热固性聚合物基质倾向于失去随着温度升高而变得可模塑或可弯曲的能力。聚合物基质可以包括在具有热塑性或非热塑性聚合物、添加剂等的组合物中。非织造纤维区域可以具有基本均匀的密度，如通过如下所定义的：平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65-90和变异系数(COV)(％)为3-20，优选地平均RFAC(％)为69-90和COV(％)为3-15，或更优选平均RFAC(％)为75-90和COV(％)为3-8。本公开的纤维增强复合材料，至少由于具有这种基本上均匀的密度，可以包括小于5％，优选小于3％，或更优选小于1％的空隙体积分数。本公开的纤维增强复合材料可用于各种制品中。

还公开了将纤维束或丝束铺展成铺展纤维层和/或用基质材料浸渍铺展纤维层的系统和方法，以制备本公开的纤维增强复合材料。一些系统包括铺展单元和浸渍单元，其中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)的铺展单元，所述两个表面在(例如圆形)边缘相交，从而将纤维从纤维束以有效且均匀的方式铺展成铺展的或平坦化的纤维层。这种浸渍单元可以被配置成容纳至少两个铺展的或平坦化的纤维层，在两个纤维层之间放置热塑性或热固性聚合物树脂，并将所述两个纤维层压入树脂中，从而形成本公开的复合材料的非织造纤维区域。两个铺展的或平坦化的纤维层中的每一个可以包括来自一个或多个纤维束的纤维，例如1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多个纤维束。

一方面，公开了一种纤维增强复合材料，其包括聚合物基质和包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维的非织造纤维区域，所述非织造纤维区域具有基本均匀的密度，如由平均RFAC(％)为65-90和COV(％)为3-20所定义的。在更优选的实施方案中，非织造纤维区域的平均RFAC(％)为69-90和COV(％)为3-15。在另外更优选的实施方案中，非织造纤维区域的平均RFAC(％)为75-90和COV(％)为3-8。非织造纤维区域的宽度和长度可分别基本上与纤维增强复合材料的宽度和长度相似，多根连续纤维可以单向取向并基本平行于第一轴线，并且纤维增强复合材料可以包括按体积计至少35至70％，优选40至65％，或更优选45至55％的多根连续纤维。纤维增强复合材料可以具有高达6米的宽度和高达10,000米的长度。

在一些纤维增强复合材料中，第一纤维层和第二纤维层被按压或挤压在一起以形成非织造纤维区域。非织造纤维区域可以包括来自多个纤维束的纤维，每个束包括1,000至60,000根单丝。单丝的平均截面积可以为7μm²-800μm²。连续纤维的非限制性实例包括玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺(aramid)纤维、聚乙烯纤维、聚酯纤维、聚酰胺纤维、玄武岩(basalt)纤维、钢纤维或其组合。这样的玻璃纤维的平均长丝截面积可以为75μm²-460μm²，且这样的碳纤维的平均长丝截面积可为7μm²-60μm²。

在一些纤维增强复合材料中，聚合物基质可以是热塑性基质或热固性基质，其中优选热塑性基质。纤维增强复合材料的聚合物基质可以构造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和第二聚合物富集区域之间。聚合物富集区域包括具有按体积计少于10％、少于5％或少于1％的连续纤维的那些。聚合物富集区域的宽度和长度可以基本上分别类似于各自的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在相差10％、优选5％和更优选1％以内。在一个实施方案中，第一和第二聚合物富集区域的厚度相对于另一个变化大于10％、15％或20％。第一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内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质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基酯(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亚甲基酯)(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)、聚对苯二甲酸丁二醇酯、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。

适合用作本发明的纤维增强复合材料中的基质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(bakelite)、脲醛(duroplast)、脲-甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯酯、聚酰亚胺、多氰脲酸酯的氰酸酯、二环戊二烯、酚醛(phenolics)、苯并噁嗪、其共聚物或其共混物。本发明的纤维增强复合材料之一的聚合物基质可与一种或多种添加剂一起包含在组合物中。这种添加剂的非限制性实例包括用以促进聚合物基质和连续纤维之间粘合的偶联剂、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，并且不包括玻璃纤维。一些本发明的纤维增强复合材料不包括聚乙烯，并且不包括玻璃纤维。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压体。这种层压体可以包括2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多层片(plies)，其中一个层片可以由本公开的一种纤维增强复合材料组成。在一些层压体中，定位至少两个层片，使得它们各自的纤维基本上平行于第一轴线。在一些层压体中，定位至少两个层片，使得它们各自的纤维彼此不平行。本公开的纤维增强复合材料和层压体可以组装或加工成二维或三维结构，例如通过卷绕和/或铺叠(lay-up)技术。

还公开了包括本公开的任何纤维增强复合材料或层压体的制品。这种制品的非限制性实例包括汽车部件(例如门、罩、缓冲器、A梁、B梁、电池壳体、白车身、加强件、横梁、座椅结构、悬架部件、软管等)、编织(braided)结构、织造结构、长丝缠绕结构(例如管、压力容器等)、飞机部件(例如机翼、主体、尾部、稳定器等)、风力涡轮机叶片、船体、船甲板、轨道车、运动用品、窗口线(lineals)、桩、船坞、加强木梁、改装混凝土结构、增强挤压或注塑成型品、硬盘驱动器(HDD)或固态驱动器(SSD)外壳、电视机架、智能手机中间框架、智能手机一体式外壳、平板电脑中间框架、平板电脑一体式外壳、电视架或桌子、笔记本电脑外壳、绳索、电缆、防护服(如防切割手套、头盔等)、盔甲、板等。

本公开包括铺展单元，其被配置为将一个或多个纤维束(每个具有多根纤维)铺展成一个或多个铺展纤维层。纤维束可以在与纤维束的长尺寸垂直的方向上铺展，从而形成铺展的或平坦化的纤维层。铺展单元可以包括具有至少一个叶片(lobe)的铺展元件，所述至少一个叶片包括具有凸起的第一剖面的第一表面和具有不同于第一剖面的第二剖面的第二表面，其中第一和第二表面相交以形成(例如圆形)边缘，并且其中所述叶片被配置为当来自纤维束的多根纤维接触所述第一表面和所述边缘时沿着横向方向铺展所述多根纤维。这样的第二剖面可以是基本上直的或凹的。铺展元件可以被定位成使得多根纤维接触第二表面并且转换到第一表面(例如跨越边缘)。铺展元件可以被定位成使得多根纤维接触第一表面并且转换到第二表面(例如跨越边缘)。对于包括两个或更多个叶片的铺展元件，所述两个或更多个叶片的第二表面可以是相连的，使得例如如果第二表面是平面的，则第二表面协作以形成连续的平坦表面。

在一些铺展单元中，铺展元件可以相对于由铺展元件铺展的多根纤维并围绕铺展元件的纵向轴线旋转；这种旋转可以是以振荡的方式。铺展元件可以被配置为相对于由铺展元件铺展的多根纤维并在基本上垂直于多根纤维的长尺寸的方向振荡。这种振荡的幅度可以是0.1-20mm，优选为0.1-10mm，且频率可以为0.1-5Hz，优选为0.5-2Hz。

在一些铺展单元中，一个或多个保持元件可以位于铺展元件的上游和/或下游，其中每个保持元件被配置成当多根纤维被铺展元件铺展时减少多根纤维的横向移动。这种保持元件可以各自包括被配置以容纳多根纤维的一个或多个凹槽。

本公开的铺展单元可以包括至少第一铺展元件和第二铺展元件，其中第二铺展元件位于第一铺展元件的下游。第二铺展元件的叶片可以大于第一铺展元件的叶片(例如，大于1、2、3、4、5、6、7、8、9、10％或更多)(例如在长度、宽度、高度、半径、横向尺寸等方面)。第一和第二铺展元件可以协作以将一个或多个纤维束铺展成一个或多个纤维层。第一铺展元件可以包括至少第一叶片和第二叶片，并且第二铺展元件可以包括至少第三叶片和第四叶片，其中第一和第三叶片被配置成铺展第一纤维束，并且第二和第四叶片被配置成铺展第二纤维束。这样的铺展单元可以

铺展单元可以包括具有至少第五叶片和第六叶片的第三铺展元件和具有至少第七叶片和第八叶片的第四铺展元件，其中第五和第七叶片被配置成铺展第三纤维束，第六和第八叶片被配置成铺展第四纤维束。铺展单元可以被配置以从第一和第二纤维束形成第一平坦化纤维层和从第三和第四纤维束形成第二平坦化纤维层。

一个或多个张紧器可以定位在铺展单元的上游，每个张紧器被被配置以在纤维束铺展期间张紧一个或多个纤维束。热源可以设置在铺展单元的上游和/或下游，所述热源被配置以加热由铺展单元铺展的多根纤维。热源可以包括红外热源、加热的铺展元件、加热的保持元件等。纤维束进料单元可以位于铺展单元的上游，所述纤维束进料单元被配置以向铺展单元提供一个或多个纤维束。

还公开了一种从一个或多个纤维束生产至少一个平坦化纤维层的方法，每个纤维束均具有多根纤维。这样的纤维束可以包括1,000、2,000、3,000、4,000、5,000、10,000、20,000、30,000、40,000、50,000、60,000或更多的单丝。这样的平坦化纤维层可以以1-50m/min，优选2-25m/min，更优选8-15m/min的速度制造。

还公开了一种用于将多根纤维分散在热塑性或热固性聚合物基质材料中的浸渍单元。浸渍单元可以包括含有第一平坦化纤维层的第一平坦化纤维层进料部、含有第二平坦化纤维层的第二平坦化纤维层进料部、包含热塑性或热固性聚合物基质材料并被配置以将基质材料设置在第一和第二平坦化纤维层之间的热塑性或热固性聚合物基质材料进料部，以及被配置以将第一和/或第二平坦化纤维层压入基质材料的压入装置。这种浸渍单元可以包括一个、两个、三个或更多个摩擦元件，所述摩擦元件被配置以在铺展纤维层被压入基质材料之后接触第一和第二铺展纤维层中的至少一个，并在基本上垂直于铺展纤维层的长尺寸方向上振荡。这种摩擦元件的振荡幅度可以是0.1-20mm，优选为0.1-10mm，和频率可为0.1-5Hz，优选为0.5-2Hz。每个摩擦元件可以包括沿其纵向轴线横向定位的多个圆形片段、叶片或凸部。

聚合物基质材料进料部可以包括挤出机，所述挤出机被配置以在第一和第二平坦化纤维层之间挤出基质材料(例如作为片材或膜；例如从狭缝模出来)。这样的挤出机可以减少滴液相关的浪费。挤出机可以被配置以将材料直接提供到第一和/或第二平坦化纤维层上。

还公开了将多根纤维分散到热塑性或热固性聚合物基质材料中的方法。一些方法包括获得第一平坦化纤维层、第二平坦化纤维层和布置在第一和第二平坦化纤维之间的热塑性或热固性聚合物基质材料的堆叠体，以及将第一和/或第二平坦化纤维层压入基质材料。这种压入可以使用静止或旋转的辊、销(pin)、棒、板等进行。

本发明的系统和方法可用于以1至50m/min，优选2至25m/min，更优选8至15m/min的速率生产本公开的纤维增强复合材料。

还公开了一种组合物，其包括含有来自第一纤维束的多根纤维的第一平坦化纤维层、含有来自第二纤维束的多根纤维的第二平坦纤维层以及位于第一和第二平坦化纤维层之间的热塑性或热固性聚合物基质材料，其中已经使用本公开的铺展元件形成所述第一和/或第二平坦化纤维层。热塑性或热固性聚合物基质材料可以包括片或膜，在其中可压入第一和第二铺展的纤维层，以形成纤维增强复合材料。

术语“联接”被定义为连接，虽然不一定是直接的，并且不一定是机械的；“联接”的两个物体可能是相互一体的。术语“一(a或an)”被定义为一个或多个，除非本公开明确另外要求。术语“基本上”被定义为大体上但不一定完全是所指定的内容(并且包括指定的内容；例如，基本上90度包括90度并且基本上平行包括平行)，如本领域普通技术人员所理解的那样。在任何公开的实施方案中，术语“基本上”、“大约”和“约”可以用在指定内容的“某一百分比”以内代替，其中百分比包括0.1、1、5和10％。

术语“平坦化”和“铺展”在本申请中是同义词。如本公开中所使用的那样，“平坦化的”，“平坦化”，“铺展的”和“铺展”可以与用以将纤维束在横向方向或基本垂直于纤维束的长尺寸的方向上加宽的过程相关使用，所述加宽过程使得例如当从侧面观察时纤维束变薄。通常，纤维束可以平坦化或铺展，使得所得到的平坦化或铺展的纤维层平均具有1至8根长丝，优选3至6根长丝，和更优选4至5根长丝的厚度或深度。然而，也可以预期其它厚度或深度。

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，非织造纤维区域可以包括与其它长丝交叉的长丝。可能影响纤维区域密度的这种交叉不会改变纤维区域的非织造性质。

术语“层片(ply)”是指单层，“多个层片(plies)”是层片的复数形式。

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摄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、光学成像或其它成像技术)并且将基质材料的横截面积除以复合材料的横截面积来确定。纤维区域中的纤维可以包含在基质材料的横截面积中。为了便于基质材料的鉴定，可以将有色和/或荧光染料加入到基质材料中。

术语“包含(comprise)”(和包含的任何形式，例如“包含(comprises)”和“包含(comprising)”)、“具有(have)”(和具有的任何形式，例如“具有(has)”和“具有(having)”)，和“包括(include)”(和包括的任何形式，如“包括(includes)”和“包括(including)”)是开放式连接动词。因此，“包含”、“具有”或“包括”一个或多个元件的装置拥有这些一个或多个元件，但不限于仅拥有这些一个或多个元件。类似地，“包含”、“具有”或“包括”一个或多个步骤的方法具有这些一个或多个步骤，但不限于仅具有这些一个或多个步骤。

任何装置、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-而不是包含/具有/包括任何所描述的步骤、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”可以替代为上述任何开放式连接动词，以便将给定权利要求的范围从否则使用开放式连接动词的范围进行改变。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其基本均匀的密度，如其平均RFAC(％)和COV(％)所定义的。

此外，以某种方式配置的装置或系统至少以这种方式配置，但是也可以以除了具体描述的那些之外的其它方式来配置。

一个实施方案的特征可以应用于其它实施方案，即使没有描述或示出，除非本公开或实施方案的性质明确禁止。

附图说明

以下附图通过举例而非限制的方式进行了说明。为了简洁和清晰，给定结构的每个特征并不总是标记在该结构出现的每个附图中。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特征或具有类似功能的特征，如可以是不相同的附图标记。附图是按比例绘制的(除非另有说明)，意味着所示元件的尺寸对于至少附图中所示的实施方案而言彼此相对精确。

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、宽度和厚度可以分别沿着轴线E₁、E₂和E₃测量。

图4A是三个单向纤维增强复合材料的堆叠体或铺叠体的示意图，其中所述三个复合材料的纤维基本上彼此平行。

图4B是两个单向纤维增强复合材料的堆叠体或铺叠体的剖示图，其中所述两个复合材料的纤维沿不同方向取向。

图4C是单向纤维增强复合材料的堆叠体或铺叠体的示意图，包括保护涂层。

图5是制造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立体图。

图6B是沿着图6A的线6B-6B截取的图6A的铺展单元的横截面侧视图。

图6C-6G分别是图6A的铺展单元的侧视图、顶视图、底视图、前视图和后视图。

图7A是本公开的铺展元件的立体图。

图7B是沿着图7A的线7B-7B截取的图7A的铺展元件的横截面端视图。

图7C-7F分别是图7A的铺展元件的前视图、顶视图、底视图和立体图。

图8A-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8E是使用本公开的铺展单元铺展的纤维束的立体图。

图9是描绘用于加工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10B分别是本公开的摩擦元件的立体图和前视图。

图11是描绘用于加工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12-14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15-17是与本公开的单向纤维增强复合材料可比较的单向纤维增强复合材料的横截面共聚焦显微镜图像。

图18和19分别是测试样品的前视图和侧视图，每个测试样品包括由本公开的单向带形成的层压体。

图20描绘了适于测试图18和19的测试样品的装置。

图21和图22描绘了测试之后的图18和19的测试样品。

具体实施方式

目前可获得的纤维增强复合材料可能会遭受纤维不均匀布置和空隙，这可能使得复合材料变弱并易于产生裂纹和断裂，从而可最终导致包括这种复合材料的零件、部件、装置等的故障。相比之下，本公开的纤维增强复合材料包括具有如由平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)和变异系数(COV)(％)定义的基本均匀密度的非织造纤维区域。与目前可获得的复合材料相比，本公开的复合材料具有改进的结构特征。

用于铺展和/或浸渍纤维的常规装置遭受不能提供足够均匀的纤维间距和/或不能充分防止纤维在浸渍期间移动的缺陷。这种不均匀的间距和纤维移动可导致所得复合材料中的纤维布置不均匀和空隙。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密度的纤维增强复合材料。

本发明的这些和其它非限制性方面在以下部分中进一步详细讨论。

A.纤维增强复合材料

本公开的纤维增强复合材料可以具有热塑性或热固性聚合物基质和包含分散在聚合物基质中的多根连续纤维的非织造纤维区域。通常，非织造纤维区域的宽度和长度基本上分别类似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按体积计至少35-70％的多根连续纤维。

这种非织造纤维区域可以具有基本均匀的密度，如通过如下所定义的：平均相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)为65-90和变异系数(COV)(％)为3-20，优选地平均RFAC(％)为69-90和COV(％)为3-15，和最优选平均RFAC(％)为75-90和COV(％)为3-8。

1.测定密度均匀性

本公开的复合材料的密度均匀性通过使用以下程序确定：

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。横截面图像被垂直于纤维的纵向轴线摄取，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，使用带有50x透镜的Keyence VK-X200相机(Keyence VK-X200，Elmwood，New Jersey，USA)；然而，可以使用其他相机或成像装置。

2.绘制平分横截面图像的长度和宽度的十字线。

3.以十字线为中心绘制第一个方形框，所述方形框具有等于带/复合材料厚度的40％的边。

4.绘制两组5个相邻方形框，每个方形框具有与第一方形框相同的尺寸，使得每个组在垂直或横向方向的十字线的相应侧上，与第一方形框相邻，且以水平或纵向十字线为中心。将存在共有11个框，由此提供11个数据点。

5.测量11个方形框中的每一个中的纤维表面积或纤维所占的面积，并且对于每个方形框，以方形框总面积的百分比表示，称为面积覆盖率(AC)(％)。

6.通过将方形框的AC除以理论最大可能AC(这可以假设圆形丝的密集填充)并乘以100来确定11个方形框中的每一个的相对纤维面积覆盖率(RFAC)(％)。通过平均11个方形框的RFAC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来确定变异系数(COV)(％)。

在实施例部分中使用上述程序来计算本公开的纤维增强复合材料和三种对比的市售复合材料的平均RFAC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)可以具有任何宽度(例如，沿轴线E₂测量)和任何长度(例如，沿着轴线E₁测量)。例如，纤维增强复合材料(例如，200)可以具有高达6m或更大，或0.01至6m，0.5至5m，或1至4m，或其间任何范围的宽度，和高达10,000m或更大，或5至1,000m，10至100m，或其间任何范围的长度。复合材料(例如200)的宽度可以是0.01、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.40、0.45、0.50、0.55、0.60、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0m或更大。复合材料(例如200)的长度可以是1、10、100、500、1,000、1,500、2,000、2,500、3,000、3,500、4,000、4,500、5,000、5,500、6,000、6,500、7,000、7,500、8,000、8,500、9,000、9,500、10,000m或更大。

3.纤维区域

纤维增强复合材料200包括分散在聚合物基质204中的非织造纤维区域202。非织造纤维区域202包括单向定向并且基本上平行于第一轴线(例如，轴线E₁，图3)的多根纤维206。复合材料(例如200)的纤维(例如206)按体积计构成复合材料的35至70％，优选40至65％，更优选45至55％或其间的任何范围。纤维区域202可以由已被压入基质材料(例如，如图9所示和描述的)的第一平坦化纤维层和第二平坦化纤维层形成。纤维206可以是玻璃纤维、碳纤维、芳族聚酰胺纤维、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可以具有7μm²至800μm²的平均长丝横截面积，对于圆形纤维，其等于3至30微米的平均长丝直径。

复合材料(例如200)的纤维(例如206)可以以束(例如碳、陶瓷、碳前体、陶瓷前体、玻璃等纤维的束)提供。这种束可以包括任何数量的纤维，例如400、750、800、1,375、1,000、1,500、3,000、6,000、12,000、24,000、50,000、60,000或更多根纤维。束中的纤维可以具有5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24或更多微米(例如5至24微米、10至20微米、12至15微米或其间的任何范围)的平均长丝直径。纤维可以具有涂层(例如有机聚合物如有机硅烷的涂层)、颜料等。

玻璃纤维束(例如纤维玻璃纱束)可从PPG Industries(Pittsburg，PA，USA)以商品名

商购、从巨石集团有限公司(中国)和Kripa International(印度)商购获得。玻璃纤维束可以具有10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24微米或更大(例如10至24微米、12至20微米、13至15微米或其间的任何范围)的平均长丝直径。碳纤维或改性碳纤维束(例如碳纤维丝束)可从ACP Composites(Livermore，CA，USA)，TorayIndustries，Inc.(JAPAN)和ZOLTEK(Bridgeton，MO，USA)以商品名

购得。碳纤维束的平均长丝直径可以为3至8微米，6至7微米，或其间的任何范围。

芳族聚酰胺纤维束(例如芳族聚酰胺纤维纱束)由DuPont^TM(Wilmington，DE，USA)以商品名

出售。陶瓷纤维束(例如金属氧化物纤维束)可从3M(美国)以商品名3M^TM Nextel^TM连续陶瓷氧化物纤维商购获得。玄武岩纤维束可从Kamenny Vek(Moscow，RUSSIA)以商品名

或从Sudaglass Fiber Technology以商品名Sudaglass(RUSSIA)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TORAYCA^TM商购获得。不希望受理论束缚，据信当使用本公开的方法和装置将纤维加工成纤维增强复合材料时，纤维的物理性能基本上不变化。

聚合物基质(例如204)可以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基酯(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亚甲基酯)(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、脲醛、脲-甲醛、邻苯二甲酸二烯丙酯、环氧树脂、环氧乙烯酯、聚酰亚胺、多氰脲酸酯的氰酸酯、二环戊二烯、酚醛、苯并噁嗪、其共聚物或其共混物。

纤维区域202具有如上所定义的基本均匀的密度。如所示，复合材料200的空隙体积分数为小于5％，例如小于4、3、2或1％，0-5％，0.1-4％，或1-3％。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纤维区域，所述纤维区域尽管包括一致的密度部分102，但具有不一致的密度部分104和空隙106。

4.聚合物富集区域

如所示，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包括少于10体积％的纤维206。聚合物富集区域(例如208、210等)可包含少于9、8、7、6、5、4、3、2、1、0.5或0.1体积％的纤维(例如206)。第一和第二聚合物富集区域208和210中每一个的宽度和长度分别基本上类似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％。第一和第二聚合物富集区域208和210具有基本上相同的厚度(例如厚度在彼此的10％以内)；然而，在其它实施方案中，聚合物富集区域(例如208和210)可以具有不同的厚度(例如，相对彼此的厚度变化大于10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20％或更大)。第一和第二聚合物富集区域208和210中的每一个可以在整个聚合物富集区域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质(例如204)以将纤维(例如206)保持就位来增强复合材料(例如200)的强度，并且便于处理复合材料(例如通过覆盖和包含复合材料内的纤维)和复合材料与其它复合材料或结构的粘合。

5.由多层片制成的纤维增强复合材料

图4A-4C是可用于形成层压体的本发明的纤维增强复合材料的堆叠体或铺叠体的示意图。这种堆叠体或铺叠体可以包括两个或更多个(例如2、3、4、5、6、7、8、9、10或更多种)纤维增强复合材料(例如200)，并且这样的纤维增强复合材料可以在堆叠体或铺叠体内相对于彼此以任何合适的方式定向。例如，图4A的堆叠体400包括三个UD纤维增强复合材料200、402和404。如所示，每个UD复合材料200、402和404的纤维406基本上彼此平行和与轴线E₁平行(例如堆叠体400可以表征为UD堆叠体)。为了进一步的示例，图4B的堆叠体400包括两个UD纤维增强复合材料200和402。如所示，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(例如以90度)。复合材料、多层片、堆叠体和层压体可以设有保护涂层。例如，图4C描绘了具有保护涂层或层412和414的两个UD纤维增强复合材料408和410的堆叠体。也可以考虑具有非纤维或非UD层、层片或膜的铺叠体或堆叠体。这种层、层片或膜的实例包括纯热塑性树脂、具有各种添加剂的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质可以进一步包含一种或多种任选的添加剂组分，包括例如一种或多种选自以下的添加剂：用于促进基质材料和纤维之间的粘合的偶联剂、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。适用于在所公开组合物中作为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马来酸酐接枝的聚丙烯、可从DuPont购得的

P613马来酸酐接枝的聚丙烯、马来酸酐乙烯或其组合。适用于在所公开组合物中作为添加剂组分的示例性流动改性剂可以包括但不限于可从Polyvel Inc.商购的CR20P过氧化物母料。适用于在所公开组合物中作为添加剂组分的非限制性示例性稳定剂可包括但不限于可从BASF商购获得的

B225。在另一方面，纯聚丙烯可以作为任选的添加剂引入。阻燃剂的非限制性实例包括卤素和非卤素基聚合物改性剂(modifications)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-2-羟基二苯甲酮及其衍生物、水杨酸芳基酯、二元酚的单酯，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基质形成单体中的弹性体/软嵌段，例如本体HIPS、本体ABS、反应器改性PP、Lomod、Lexan EXL等，通过配混而分散在基质材料中的热塑性弹性体，例如二-、三-和多嵌段共聚物、(官能化的)烯烃(共)聚合物等，通过配混而分布在基质材料中的预定义的核-壳(底物-接枝)颗粒，例如MBS、ABS-HRG、AA、ASA-XTW、SWIM等，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，例如二醇二丙烯酸酯等，三(甲基)丙烯酸亚烷基三醇酯、聚酯二(甲基)丙烯酸酯、二丙烯酰胺、氰尿酸三烯丙酯、异氰脲酸三烯丙酯、(甲基)丙烯酸烯丙酯、马来酸二烯丙酯、富马酸二烯丙酯、己二酸二烯丙酯、柠檬酸三烯丙酯、磷酸三烯丙酯或其组合。

B.制造纤维增强复合材料的系统、方法和装置

图5是用于制造本公开的纤维增强复合材料200的系统500的示意图。系统500可以包括纤维束卷轴502、退绕单元504、纤维制备部分506、铺展部分508、浸渍部分510、成形单元512和卷绕器514。纤维束卷轴502可以位于退绕单元504上，其可以从卷轴退绕纤维束516，使得纤维束可以被提供到纤维制备部分506。在一些情况下，可以提供卷绕的纤维束(例如来自供应商)而没有卷轴；在这种情况下，在将卷绕的纤维束定位在退绕单元504之前，可将卷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。纤维制备部分506可以包括本领域已知的单元以制备用于铺展的纤维束516。例如，纤维制备部分506可以包括用于张紧、稳定和在一些情况下引导纤维束516的一个或多个张紧器(例如，浮辊张力控制系统、一个或多个辊等)。这种张紧器可以在与铺展元件604A-604D接触期间向纤维束516提供张力，这可以有助于在纤维束的铺展或平坦化期间将纤维束保持就位。在一些情况下，退绕单元504可以与纤维制备部分506和/或铺展部分508间隔开(例如间隔1、2、3、4、5、6、7、8、9、10m或更多)，使得例如纤维束516的重量用于张紧纤维束。为了进一步的示例，纤维制备部分506可以被配置以加热纤维束516和/或喷射纤维束(例如，以去除可能存在于纤维束上的任何涂层)。

在铺展部分508中，纤维束516可以铺展或平坦化成铺展纤维层518(如下面更详细描述的)。铺展纤维层518可以提供给浸渍部分510，在其中纤维层可以分散在基质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)。浸渍部分510可以包括挤出机、浴、涂布系统等。纤维增强复合材料520可以进入成形单元512，在其中纤维增强复合材料可以形成为带522或片。带522可以被提供到卷绕器514，卷绕器514可以围绕卷轴卷绕所述带(例如，以便于所述带的存储、运输等)。

1.铺展部分

铺展部分508可以包括一个或多个铺展单元600，每个铺展单元600被配置以将一个或多个纤维束516铺展成一个或多个铺展纤维层518。铺展部分508还可以包括操作铺展单元600所需的一个或多个辊、马达、电连接等。

i.铺展单元

参考图6A-6G，描绘了铺展单元600。如将在下面更详细描述的，铺展单元600可以包括各种组件，例如一个或多个保持元件(例如602A-602D)、一个或多个铺展元件(例如604A-604D)、一个或多个热源(例如加热的铺展元件)以及任选地，一个或多个辊(例如606)。铺展单元600的组件可以由耐腐蚀材料和/或耐受用于制造纤维层或纤维增强复合材料(例如纤维、基质材料等)的材料的材料制成，例如，不锈钢、其它合金等。铺展单元600的组件可以联接到框架608。铺展单元600的一个或多个组件可以可移除地联接到框架608，以便例如便于铺展单元的维护和/或重新配置(例如，通过用具有不同叶片的其它铺展元件替换铺展元件，用具有不同纤维保持部分、半径等的其它保持元件替换保持元件等)。框架608可以包括轮子或其它特征以增强铺展单元600的便携性。

ii.保持元件

保持元件602A-602D各自包括设置在保持元件端部612之间的纤维保持部分610(图6F)。对于每个保持元件，纤维保持部分610可以被表征为包括多个槽614或多个突起(projections)616。如所示，每个纤维保持部分610包括七(7)个槽614；然而，在其它实施方案中，纤维保持部分(例如610)可以包括任何数量的槽(例如614)，并且可以基于通过铺展单元(例如600)待铺展的纤维束(例如516)数量、由铺展单元待产生的铺展的纤维层(例如518)数量等来选择槽的数量。纤维保持部分610的槽614可以各自具有彼此相同、基本相似或不同的尺寸(例如宽度和深度)。保持元件602A-602D各自包括杆(例如保持元件为棒状)；然而，在其它实施方案中，保持元件(例如602A-602D)可以包括板。

保持元件602A-602D可以各自被配置以当多个纤维进入铺展单元、通过铺展单元、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)的不需要的横向移动。例如，对于纤维保持部分610，槽614可以各自具有对应于纤维保持部分被配置以接收的多根纤维宽度的宽度(例如沿着相应的保持元件的纵轴测量)。被配置以接收纤维束516的保持元件602A和602C的槽614可以各自具有比保持元件602B和602D(其被配置以从铺展元件604A和604C接收铺展的纤维)的槽614的宽度更小的宽度。更具体地，保持元件602A和602C的槽614可以各自具有4至8mm，优选约6mm的宽度，并且保持元件602B和602D的槽614可以各自具有8至12mm的宽度，优选约10mm的宽度。

铺展单元600包括四(4)个保持元件602A-602D和四个(4)铺展元件604A-604D。每个铺展元件可以与保持元件配对，并且对于每一对，保持元件可以位于铺展元件的上游。

iii.铺展元件

另外参考图7A-7F，示出了铺展元件604，其可以代表铺展元件604A-604D。铺展元件604被配置以将多根纤维铺展成铺展纤维层518(例如，无论是铺展纤维束516中的纤维或进一步铺展铺展纤维层518中的纤维)。铺展元件604包括垂直于铺展元件的纵向轴线截取的剖面，限定所述剖面的凸起部分的第一表面626和限定所述剖面的直线或凹入部分的第二表面628。第一表面626可以是椭圆形的，和/或第二表面628可以是平面的或凹的。第一表面626和第二表面628可以在边缘630处相交，边缘630可以是圆形的(例如，边缘可以被切割)，以减轻纤维在通过边缘时的钩丝或撕裂。以这些方式和其它方式，当多根纤维通过铺展元件604(例如沿箭头632所示的方向接近铺展元件)时，纤维可以从第一表面626转换到第二表面628(例如，跨过边缘630，如果存在的话)，从而铺展纤维。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以及铺展元件的在纵向端部之间的中间部分。铺展元件604包括杆(例如棒状)；然而，在其它实施方案中，铺展元件(例如604A-604D)可以包括板。

铺展元件604包括沿着铺展元件的纵向轴线设置的两个或更多个叶片620。每个叶片620可以包括第一表面626和第二表面628(例如，如上所述)。叶片620可以沿着铺展元件的纵向轴线布置，使得两个或更多个叶片的第二表面628是相连的。如所示，铺展元件604包括7个叶片；然而，在其它实施方案中，铺展元件(例如604)可以包括任何合适数量的叶片(例如620)，例如1至100个、2至50个、3至25个、5至20个叶片，其中5、6、7、8、9或10个叶片是优选的。

铺展元件604A-604D可以各自相对于由铺展单元600铺展的多根纤维沿基本上垂直于纤维的长尺寸的方向(例如，通常在箭头605所指示的方向)可移动，这可以增强纤维的铺展。例如，每个铺展元件604A-604D可以联接到框架608，使得铺展元件在与铺展元件的纵向轴线基本对齐的方向上相对于框架可移动。在一些实施方案中，包括框架(例如608)和铺展元件(例如604A-604D)的整个铺展单元(例如600)可以被配置以相对于被铺展单元铺展的多根纤维移动。

更具体地，铺展元件604A-604D可以被配置以相对于被铺展单元600铺展的多根纤维振荡。这种振荡可以处于任何合适的振幅，例如，0.1-20mm、0.1-10mm、0.5-8mm、1-5mm，或0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4、2.5、2.6、2.7、2.8、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4.0、4.1、4.2、4.3、4.4、4.5、4.6、4.7、4.8、4.9、5.0、5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8、5.9、6.0、6.1、6.2、6.3、6.4、6.5、6.6、6.7、6.8、6.9、7.0、7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9、9.0、9.1、9.2、9.3、9.4、9.5、9.6、9.7、9.8、9.9、10.0、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20mm。这种振荡可以处于任何合适的频率，例如，0.1-5Hz、0.5-2Hz，或0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5或5.0Hz。当纤维通过铺展元件时，铺展元件604A-604D的这种振荡可以有助于并置多根纤维。每个铺展元件604A-604D可以以相同或不同的振幅和/或频率振荡。

铺展元件604A-604D可以各自围绕铺展元件的纵向轴线和相对于由铺展单元600铺展的多根纤维可旋转。例如，铺展元件604A-604D各自联接到框架608，使得铺展元件可以围绕铺展元件的纵向轴线相对于框架旋转。通过铺展元件的这种旋转，可以调节多根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。

铺展元件(例如604A-604D)的移动(例如平移和/或旋转)可以以任何合适的方式完成。例如，每个铺展元件604A-604D的铺展元件端部622分别包括联接元件618A-618D，每个被配置为联接到马达或驱动器(未示出)。

另外参考图8A，示出了用于生产铺展纤维层的方法。具有初始宽度(W_i)的纤维束802可以进入铺展单元600，并且在一些情况下，通过保持元件(例如602A-602D)。纤维束802可以与可能振荡的铺展元件604A(例如，沿箭头607所示的方向上行进)在第一表面626处接触并转换到第二表面628(例如跨过边缘630)，从而被铺展成铺展纤维层804。在一些情况下，铺展纤维层804可以在通过保持元件(例如602A-602D)之后与可能振荡的铺展元件604B在第一表面626处接触，并且转换到第二表面628(例如跨过边缘630)，从而铺展成具有比纤维束802的初始宽度大的宽度(W₁)的铺展纤维层806。

尽管未示出，铺展元件604B(例如叶片620C)的第一表面626的(例如主和/或次)半径可以大于铺展元件604A(例如叶片620A)的第一表面626的对应半径。这种配置可以促进铺展元件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％或更多。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)可以具有10至50mm、20至40mm、25至35mm或约30mm的半径，并且在第一铺展元件下游的第二铺展元件(例如604B)的第一表面(例如626)可以具有50至100mm、50至90mm、55至65mm或约60mm的半径。

在一些实施方案中，可以使用多于一个纤维束(例如516)来制造单个铺展的纤维层(例如518)。例如，另外参考图8B-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，以与上述用于纤维束802的相同或相似的方式)。如所示，铺展元件604A和604B，更具体地，它们的叶片620A-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可以具有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)之和的宽度。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、812等)可以以任何合适的速率生产，例如1-50m/min，2-25m/min，或8-15m/min。来自铺展部分508的铺展纤维层(例如806、810、812等)可以提供给浸渍部分510以分散到基质材料中。

2.浸渍部分

浸渍部分510可以包括挤出机906、一个或多个压入元件(例如908、914、918、922、923等)、一个或多个摩擦元件(例如916、920、924等)、一个或多个热源(例如915，加热的压入元件、加热的摩擦元件等)等。浸渍部分510还可以包括操作浸渍部分所需的一个或多个辊、马达、电连接等。浸渍部分510的至少一些组件可以统称为浸渍单元，即使这些组件可能没有物理上彼此连接。

参考图9，来自铺展部分508的铺展纤维层可以被一个或多个辊606(例如，如果存在的话，它可以被认为是铺展部分的组件和/或浸渍部分的组件)引导到浸渍部分510，在其中铺展纤维层可以分散在基质材料中。例如，浸渍部分510包括被配置以将基质材料片或膜供应到铺展纤维层的挤出机906；然而，在其它实施方案中，可以使用任何合适的结构将基质材料提供给铺展纤维层。

浸渍部分510包括一个或多个压入元件(例如908、914、918、922、923等)，每个压入元件设置在挤出机906的下游，并且被配置以将至少一个铺展纤维层压入基质材料中。例如，每个压入元件可以包括凸形表面，该凸形表面被配置以随着铺展纤维层(当与基质材料接触时)在张力下通过凸形表面时将至少一个铺展纤维层压入基质材料中。可以通过调节铺展纤维层接近或离开压入元件的角度、铺展纤维层的张力等来改变由压入元件施加到铺展纤维层的压力。在某些情况下，压入元件(例如908、914、918、922、923等)可以被加热到不同的温度。以这些方式和其它方式，这些压入元件可以提供足够的压力和/或温度以将一个或多个铺展纤维层压入基质材料。在一些情况下，可以提供热源915，例如红外热源，以便于压入过程(例如通过加热基质材料和/或铺展的纤维层)。压入元件(例如908、914、918、922、923等)可以包括任何合适的结构，例如杆、板、辊(例如，无论静止或旋转)等。在使用旋转压入元件或者与纤维接触的任何其它旋转元件的情况下，防护件、阻挡件或刀片可以抵靠旋转元件定位，以防止纤维缠绕在旋转元件周围。

浸渍部分510包括一个或多个被配置以有助于将一个或多个铺展纤维层分散在基质材料内的摩擦元件(例如916、920、924等)。图10A和10B示出了可以代表摩擦元件916、920和924的摩擦元件1200。摩擦元件1200包括沿着摩擦元件的纵向轴线1204设置的两个或多个凸部1206。由于凸部1206，摩擦元件1200可以具有平行于纵向轴线1204的截取的剖面，所述剖面包括弯曲部分，所述弯曲部分可以共同地形成剖面的较大部分，其可以被表征为波动和/或起伏(例如，离纵向轴线一定的距离中)。摩擦元件1200的凸部1206每一个包括椭圆面；然而，摩擦元件(例如1200)的凸部(例如1206)可以具有任何合适的形状。摩擦元件1200包括杆(例如摩擦元件为棒状)；然而，在其它实施方案中，摩擦元件可以包括板。

一个或多个摩擦元件(例如916、920、924等)每一个可以相对于被浸渍部分510处理的铺展纤维层在基本垂直于铺展纤维层长尺寸的方向上可移动。例如，浸渍部分510可以包括所述一个或多个摩擦元件与其可以联接的框架，并且每个摩擦元件可以相对于框架在基本上与摩擦元件的纵向轴线对齐的方向可移动。摩擦元件可以被配置以例如以上述对于铺展元件604A-604D所描述的任何幅度和频率振荡。每个摩擦元件(例如916、920、924等)被配置以在铺展纤维层被压入基质材料之后接触所述一个或多个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)引导到挤出机906。铺展纤维层901和902可以包括相同或不同类型的纤维，并且可以具有相同或不同的宽度。挤出机906可以向铺展纤维层901和902中的至少一个提供基质材料片或膜，例如向铺展纤维层902的上表面上提供以形成涂覆的铺展纤维层910。铺展纤维层901可以与涂覆的铺展纤维层910接触，并且可以通过经过压入元件908而被压入基质材料。涂覆的铺展纤维层910可以通过经过压入元件914而被压入基质材料。通过基质材料联接的铺展纤维层可以通过摩擦元件916(其可以是振荡的)，以便于将铺展纤维层分散到基质材料中。在该实例中，联接的铺展纤维层可以进一步通过压入元件918、通过摩擦元件920、通过压入元件922、通过摩擦元件924以及通过压入元件923。在一些情况下，联接的铺展纤维层可以通过板925和/或被引导到包括一个或多个固结辊928的压入装置926。来自浸渍部分510的纤维增强复合材料200可以由成形单元512处理和/或提供给卷绕机514。在一些实施方案中，只有一个铺展纤维层(例如901或902)被浸渍部分510加工。

现在参考图11，在一些实施方案中，浸渍部分510包括基质材料浴1002。如所示，铺展纤维层902可以通过基质材料浴1002(其可以通过静止或旋转的辊(例如1004,1006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可以例如通过压入(例如，通过固结辊1010)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以去除任何自由基质材料，这可以通过静止或旋转的辊(例如1012等)促进。

实施例

将使用具体实施例更进一步详细地描述本发明。提供如下实施例仅仅是为了示意性目的，不旨在以任何方式限制本发明。本领域技术人员将容易认识到各种可以进行变化或改进以实现基本上相同的结果的非关键性参数。

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1-3或S1-S3)。对于S1-S3，玻璃纤维的平均直径为17μm。对于S1，用于形成基质的聚合物是聚丙烯，对于S2，用于形成基质材料的聚合物是高密度聚乙烯，和对于S3，用于形成基质材料的聚合物是聚酰胺6(

H8202NLB)。图12-14分别是S1、S2和S3的横截面共聚焦显微镜图像，其中图像是由具有50x透镜的Keyence VK-X200相机获得的。

还分析了三种可比较的市售玻璃纤维带(对比带1-3或C1-C3)。样品C1的平均长丝直径为13μm，样品C2和C3的平均长丝直径为17μm。图15-17分别是C1、C2和C3的横截面共聚焦显微镜图像。

S1-S3和C1-C3的均匀密度以上面在“测定密度均匀性”的说明书部分中所述的方式测定。对于S1，RFAC(％)和COV(％)值分别为82.3和4.0。对于S2，RFAC(％)和COV(％)值分别为80.4和7.0。对于S3，RFAC(％)和COV(％)值分别为69.7和8.0。对于C1，RFAC(％)和COV(％)值分别为47.3和25.3。对于C2，RFAC(％)和COV(％)值分别为65.7和32.4。对于C3，RFAC(％)和COV(％)值分别为55.5和9.2。

表1-3分别提供了S1-S3的数据点，和表4-6分别提供了C1-C3的数据点。假设圆形长丝在正方形内紧密填充的理论最大可能覆盖率为78.5％，这是以圆形长丝的面积除以正方形面积计算的。例如，对于在具有边为“2r”的正方形内具有半径“r”的圆形长丝，覆盖率等于πr²/(2r)²。

表1

(样品S1数据点)

*方框1-11的平均值为64.6。因此，(64.6/78.5)x100＝RFAC为82.3。方框1-11的标准偏差为2.6。因此，(2.6/64.4)x100＝COV为4.0。

表2

(样品S2数据点)

*方框1-11的平均值为63.1。因此，(63.1/78.5)x100＝RFAC为80.4。方框1-11的标准偏差为4.4。因此，(4.4/63.1)x100＝COV为7.0。

表3

(样品S3数据点)

*方框1-11的平均值为54.7。因此，(54.7/78.5)x100＝RFAC为69.7。方框1-11的标准偏差为4.4。因此，(4.4/54.7)x100＝COV为8.0。

表4

(对比样品C1数据点)

*方框1-11的平均值为37.2。因此，(37.2/78.5)x100＝RFAC为47.3。方框1-11的标准偏差为9.4。因此，(9.4/37.2)x100＝COV为25.3。

表5

(对比样品C2数据点)

*方框1-11的平均值为51.6。因此，(51.6/78.5)x100＝RFAC为65.7。方框1-11的标准偏差为16.7。因此，(16.7/51.6)x100＝COV为32.4。

表6

(对比样品C3数据点)

*方框1-11的平均值为43.5。因此，(43.5/78.5)x100＝RFAC为55.5。方框1-11的标准偏差为4.0。因此，(4.0/43.5)x100＝COV为9.2。

实施例2(制造S1的工艺)

使用上述铺展和浸渍单元制备样品S1-S3。以下包括用于制备样品S1的程序的非限制性说明。

将所需数量的纤维束引入UD带生产线。将来自纤维束的纤维通过位于生产线末端的牵拉站连续地拉过生产线。将纤维分成两组，其中之一由铺展单元的下部处理，以产生下部的铺展纤维层，另一组由铺展单元的上部处理，以产生上部的铺展纤维层。聚合物基质材料与下部的铺展纤维层的顶表面接触。通过经过一系列销将上部和下部的铺展纤维层组合并压入基质材料中。组合的铺展纤维层被固结成UD带，其围绕卷轴缠绕。用于制备样品S1的线速度为8m/s。

实施例3(包括本公开的带的层压体的测试)

现在参考图18-22，进行包括本公开的带的层压体的压缩测试。制备四个测试样品1104，每个测试样品1104包括具有与层压体的长尺寸对齐的纤维的UD层压体1120。每个层压体1120由本公开的UD带的4mm厚的层叠体形成，每个UD带具有分散在聚丙烯基质材料中的玻璃纤维。使用喷水切割机将每个层压体1120切割成140mm的长度和12mm的宽度。为了制备用于测试的每个层压体1120，使用3M Scotch-Weld DP8005将铝标签1116在相对的层压体端1112粘附到层压体。在铝标签1116粘附之前，将每个层压体端1112打磨并脱脂。对于每个测试样品1104，在相对的一组铝标签1116之间限定了计量(gage)部分1108。

使用Zwick 250kN测试装置1124将样品1104压缩测试直至故障(图20)。样品1104的平均抗压强度为456MPa，标准偏差为45.4MPa。如图21和22所示，对于每个样品1104，在一个层压体端1112而不是在计量部分1108处发生故障，这可能归因于层压体端和相应的铝标签1116之间的去接合。可以预期，通过使用更坚固的标签(例如，用层压体形成标签，将标签成型到层压体上，将标签焊接到层压体上等)，可以实现更高的抗压强度测试结果。

上述说明书和实施例提供了说明性实施方案的结构和用途的完整描述。虽然上面已经以特定程度或者参考一个或多个单独的实施方案来描述了某些实施方案，但是在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以对所公开的实施方案做出许多改变。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。相反，它们包括落在权利要求范围内的所有修改和替换，并且除了所示之外的实施方案可以包括所示实施方案的一些或全部特征。例如，可以省略或组合元素作为整体结构和/或可以代替连接。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可比较或不同的属性和/或功能的另外的实施例，并且解决相同或不同的问题。类似地，应当理解，上述的益处和优点可以涉及一个实施方案或者可以涉及若干实施方案。

权利要求书不旨在包括并且不应被解释为包括手段加功能的限制或步骤加功能的限制，除非在给定的权利要求中分别使用短语“用于...的手段”或“用于...的步骤”明确地叙述了这样的限制。

Claims

1.一种浸渍单元，其被配置以接收至少第一铺展纤维层和第二铺展纤维层，并且将所述第一铺展纤维层和第二铺展纤维层分散到基质材料中，所述浸渍单元包括：

挤出机，其被配置以在第一铺展纤维层和第二铺展纤维层之间供给基质材料的片或膜；

第一压入元件，其被设置在所述挤出机的下游，所述第一压入元件具有被配置以将所述第一铺展纤维层压入所述基质材料中的凸面，第一压入元件被配置为使第一铺展纤维层和第二铺展纤维层彼此接触；和

第二压入元件，其被设置在所述挤出机的下游，所述第二压入元件具有被配置以将所述第二铺展纤维层压入所述基质材料中的凸面。

2.根据权利要求1所述的浸渍单元，其中所述第二压入元件设置在所述第一压入元件的下游。

3.根据权利要求1所述的浸渍单元，其包括：

框架；和

一个或多个摩擦元件，其被联接到框架，每个摩擦元件具有沿着摩擦元件的纵向轴线设置的一个或多个凸部；

其中所述一个或多个摩擦元件中的每一个在与所述摩擦元件的纵向轴线基本对齐的方向上相对于所述框架可移动；和

其中所述一个或多个摩擦元件中的每一个被配置以在铺展纤维层被压入基质材料之后接触所述第一铺展纤维层和第二铺展纤维层中的至少一个。

4.根据权利要求3所述的浸渍单元，其中对于所述一个或多个摩擦元件中的每一个，所述一个或多个凸部中的每一个包括椭圆面。

5.根据权利要求3所述的浸渍单元，其中所述一个或多个摩擦元件中的每一个包括杆或板。

6.根据权利要求3所述的浸渍单元，其中所述一个或多个摩擦元件中的至少一个被配置以被加热。

7.根据权利要求1-3任一项所述的浸渍单元，其中所述第一压入元件和第二压入元件中的每一个包括杆或板。

8.根据权利要求1-3任一项所述的浸渍单元，其中所述第一压入元件和第二压入元件中的至少一个被配置以被加热。

9.根据权利要求1-3任一项所述的浸渍单元，其包括被配置以熔化所述基质材料的片或膜的热源。

10.一种包括根据权利要求1的浸渍单元的系统，其还包括

铺展单元，其被配置以接收一个或多个纤维束，每个纤维束具有多根纤维，和产生一个或多个铺展纤维层，所述铺展单元包括：

框架；和

一个或多个铺展元件，其被配置以将所述一个或多个纤维束铺展成所述一个或多个铺展纤维层，每个铺展元件包括：

垂直于所述铺展元件的纵向轴线截取的剖面；

限定所述剖面的凸部的第一表面；和

限定所述剖面的直形或凹入部分的第二表面；

其中所述第一表面和所述第二表面在边缘相交，

并且其中

每个铺展元件联接到所述框架，使得当所述一个或多个纤维束被所述铺展单元接收时，所述铺展元件的纵向轴线基本上垂直于所述一个或多个纤维束中的至少一个的长尺寸。

11.根据权利要求10所述的系统，其中所述第一表面是椭圆形；和所述第二表面是平面或凹入的。

12.根据权利要求10所述的系统，其中每个铺展元件包括：

沿所述铺展元件的纵向轴线设置的两个或更多个叶片，每个叶片具有：

椭圆形第一表面；和

凹入或平面的第二表面；

其中所述两个或更多个叶片沿着所述纵向轴线布置，使得所述两个或更多个叶片的第二表面是相连的。

13.根据权利要求12所述的系统，其中对于所述两个或更多个叶片中的每一个，所述第一表面和所述第二表面在边缘相交。