CN112236301B - 纤维增强型复合材料、以及形成和使用该纤维增强型复合材料的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种形成纤维增强型复合材料的方法。所述方法包括：(a)利用稳定树脂以及(b)与商用碳纤维生产过程在线地将两个或多个碳纤维丝束稳定在一起以形成半成品带；以及在与所述商用碳纤维生产过程离线的过程中用基体树脂浸渍所述半成品带以形成预浸材料。

Description

纤维增强型复合材料、以及形成和使用该纤维增强型复合材 料的方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年3月6日提交的美国临时申请第62/639,409号的权益，其公开内容以引用的方式全部并入本文。

【技术领域】

本公开涉及纤维增强型复合材料、以及形成和使用该纤维增强型复合材料的方法。

【背景技术】

纤维增强型复合材料通常可以包括树脂和增强纤维。在许多情况下，树脂和增强纤维具有不同的特性，使得当将这些组分相组合时，得到的纤维增强型复合材料具有介于树脂和增强纤维之间的特性。例如，树脂可能会强度较低，但可能具有较高的伸长特性，而增强纤维可能强度较高，但可能较脆。得自复合材料的零部件可能具有大于树脂的强度，同时与增强纤维相比又较坚韧。

【发明内容】

在一个实施例中，公开了一种形成纤维增强型复合材料的方法。该方法包括：(a)利用稳定树脂以及(b)与商用碳纤维生产过程在线地将两个或多个碳纤维丝束稳定在一起以形成半成品带；以及在与商用碳纤维生产过程离线的过程中用基体树脂浸渍半成品带以形成预浸材料。

在另一实施例中，公开了一种形成纤维增强型复合材料的方法。该方法包括：(a)利用稳定材料以及(b)与商用碳纤维生产过程在线地稳定丝数大于或等于12K且丝密度小于或等于1,000丝/毫米的碳纤维丝束以形成半成品带；在与商用碳纤维生产过程离线的过程中用基体树脂浸渍半成品带以形成纤维增强型复合材料。

在又一实施例中，公开了一种形成纤维增强型复合材料的方法。该方法包括：分别垂直地将一组或多组碳纤维丝束分开到一个或多个高程上；(a)利用稳定树脂以及(b)与商用碳纤维生产过程在线地在相应的高程处将一组或多组碳纤维丝束稳定在一起以形成一个或多个半成品带；以及在与商用碳纤维生产过程离线的过程中用基体树脂浸渍该一个或多个半成品带以形成预浸材料。

【附图说明】

图1描绘了根据第一实施例的碳纤维生产过程的示意性侧视图。

图2描绘了根据第一实施例的碳纤维生产过程的示意性俯视图。

图3描绘了根据第一实施例的碳纤维高程分开过程的示意性分段透视图。

图4描绘了根据第二实施例的碳纤维生产过程的示意性侧视图。

图5描绘了根据第二实施例的碳纤维生产过程的示意性俯视图。

图6描绘了根据第二实施例的碳纤维高程分开过程的示意性分段透视图。

【具体实施方式】

下面对本公开的实施例进行了描述。然而，要理解，所公开的实施例仅仅是示例并且其它实施例可以采用各种替代形式。图并不一定是按比例绘制而成；一些特征可被放大或缩小以显示特点组件的细节。因此，本文公开的具体结构上和功能上的细节都不应该解释为具有限制性，相反，仅仅是作为用于教导本领域的技术人员按照各种方式采用实施例的代表性基础。如本领域的普通技术人员要理解的，参照任何一个图所图示和描述的各种特征可以与在一个或多个其它图中图示的特征相组合以产生未明确图示或描述的实施例。所图示的特征的组合为典型应用提供了代表性实施例。然而，针对特定应用或实施方式对符合本公开的教导的特征的各种组合和修改都是可以期望的。

术语“约”在本文中可用于描述所公开或请求的实施例。术语“约”可修改在本公开中公开或请求的值。在这种实例中，“约”可表明其所修改的值在该值的±0％、0.1％、0.5％、1％、2％、3％、4％、5％或10％内。

在增强纤维中，碳纤维的具体强度和硬度是最高的。例如，相较于电子级玻璃(一种广泛使用的工业纤维)，碳纤维的比强度可以高出两倍多，而比模量可以高出四倍多。对于节约燃料、性能、和/或温室气体排放高度相关的行业(例如，航天和汽车行业)，碳纤维复合材料(即，由碳纤维制成的纤维增强型复合材料)可能尤其有利。然而，将碳纤维转换成零部件的成本仍然很高并且对碳纤维复合材料的使用提出了难题。因此，进行过程改进以提高效率、消除浪费、和/或减少成本可扩展碳纤维复合材料的价值和市场。

在零部件的生产中，可以将碳纤维用在预浸材料(纤维增强型复合材料的示例)中。将碳纤维(通常处于连续的格式(诸如单向纤维、编织丝束、或单向纤维的缝编肋片))以及树脂预浸渍以形成预浸材料，在该预浸材料中，树脂基本上浸渍纤维并且形成中间材料。可以将预浸材料放入模子中以生产零部件。浸渍可以是指使树脂和纤维暴露于有利于将树脂浸湿到纤维质量中的条件并且湿透单独的丝的过程。该湿透可以指将树脂与纤维的丝足够密切的接触，使得树脂机械耦合至单独的丝的表面特征并且化学耦合至丝的分子结构。树脂与丝之间的强力耦合可以为结构性应用提供最佳的纤维增强型复合材料特性。

可以将碳纤维铺展到薄薄的一层丝中以减小树脂到达各个丝所通过的丝的深度。该铺展过程可以包括与浸渍过程在线地从绕线筒拉出纤维。然而，与浸渍过程在线地铺展碳纤维可能会引起另外的用于转换碳纤维以生产预浸材料的转换成本。

可以通过被平铺铺展的多股原丝的起始材料将碳纤维生产成较宽但较薄的丝带，以形成丝束带。对于科学线，丝束带的范围可以在约1,000丝或更少，对于微线，达到约100mm，对于向导线，约300到1,000mm，并且对于商用生产线，约1m到5m或6m或更高。各股原丝可以由指定的丝数组成，丝数可称为丝束大小。丝束大小的范围可为约3K或更低到约60K或更高，其中，K＝1,000。具体大小的非限制性示例包括约1K、3K、6K、12K、15K、24K和50K。假设以每隔约20mm的宽度将50K丝束间隔开，则丝密度可为约2,500丝/毫米。针对其它配置、丝直径和丝束大小，丝密度可以更高或更低。例如，约3,500丝/毫米或更大的丝密度可能是期望的，以增加线容量。

原丝通常会经历多步骤转换过程，通过该过程，首先将纤维拉伸以确定其分子结构的方向，然后进行稳定(热固)过程，在该稳定过程中，在升高的温度下使纤维暴露于空气。然后，在惰性环境内，沿着一系列炉，使稳定处理的纤维经受一系列升高的温度。该步骤称为碳化。在离开炉后，得到的碳纤维可以经历表面处理，然后涂覆施浆剂。在执行这些步骤之后，通常将碳纤维缠绕到圆柱形包装体或绕线筒中，用薄膜包裹，并且用盒子包装起来进行运输。

表面处理修改离开炉的碳纤维的丝的物理和/或化学性质以用树脂改进碳纤维的机械和/或化学耦合。表面处理可以改变纤维的物理表面，诸如对表面进行蚀刻以促进在丝与树脂之间的机械耦合。表面处理还可以增加在各个丝的表面上的化学反应点的数量，以促进与树脂的化学耦合。表面处理还可以改进树脂对丝的润湿(例如，浸渍或湿透或覆盖)。表面处理可以带来一种或多种这些效果。

施浆剂通常是被涂覆到丝上的复杂化学混合物，其包含多种成分，例如，成膜剂、偶联剂、树脂、和/或其它化合物。可以通过使用有机溶剂将施浆剂作为分散液或溶液涂覆或者作为水基溶液或分散液涂覆。施浆剂的非限制性功能包括：(1)在随后的处理(诸如编织)期间保护丝不受磨损；(2)控制静电；以及(3)保护在丝与在随后的处理期间涂覆的树脂之间的化学偶联。浆料与基体树脂的不同之处在于基体树脂的主要功能是促进在纤维之间的负载传输并且保护纤维不受外力或环境损坏。而且，基体树脂可表现出比碳纤维更高的破坏应变并且可以有助于复合材料的韧性。一旦将浆料干燥，浆料倾向于将单独的丝较弱地保持在一起。

利用碳纤维(例如，作为连续纤维或用树脂预浸渍的纤维)的方法通常包括铺展来自绕线筒的碳纤维丝束的过程。该铺展过程发挥一种或多种功能。首先，如果已经涂覆了施浆剂以促进浸渍或用树脂围住了各个丝，则可以将单独的丝彼此分开。浆料可能会抑制树脂围住单独的丝的能力，因为浆料可能会将丝保持在一起。第二，铺展过程可以将丝束的轮廓修改成更薄且更宽的丝带，以增加表面积或将更多丝暴露于所涂覆的用于促进单独的丝的浸渍的树脂。

铺展过程可具有一种或多种缺陷。通常使用一系列铺展杆，在张力下，进行铺展。杆可以是经过加热的、静止的、旋转的、振动的或使用这些方法的组合。可以使杆错开排布，以使丝束部分地包裹在各个杆周围并且从表面拖过。这可能会使各个连续杆上的张力增加。在张力下丝束与杆之间相互作用将丝分开以克服浆料的影响能损坏丝，引起断裂或微裂隙，当作为复合材料或零部件受压时，会使丝变弱。铺展过程也可能会对将碳纤维丝束转换成中间格式的过程增加复杂度和成本。铺展过程的速率可能是有限的，从而为该过程带来了瓶颈。这种瓶颈可能会使下游过程(诸如浸渍)的制造成本更高。

另一种铺展方法利用应用到丝束上的空气流来影响铺展行为。这种技术可以减少对纤维进行机械操纵所带来的损坏，但会增加该过程的复杂度和费用，并且会限制下游过程的速度。

考虑到这些缺陷中的一种或多种，提出了一个或多个实施例。所提出的过程将丝束的铺展与浸渍步骤分开，并且将铺展的丝束的生产及其稳定以备后续使用放在碳纤维的商业生产上游，从而减少了生产纤维增强型复合材料(例如，预浸材料或丝绕组)的转换成本。在一个或多个实施例中，过程包括与碳纤维的商业生产在线地将碳纤维丝束转换成半成品带的第一步骤以及与碳纤维的商业生产离线地用基体树脂浸渍半成品带的第二步骤。

可以按照多种方式实现根据一个或多个实施例的半成品带的生产。碳纤维丝束，诸如约3K、6K、12K、24K和50K碳纤维丝束，可用于直接被稳定成半成品带。可以与碳纤维生产过程在线，在将碳纤维丝束稳定之前，进一步地将碳纤维丝束铺展成期望的带格式或结构，以消除在丝束之间的间隙或将丝密度降低到适合浸渍过程而不需要另行铺展的水平。

例如，可以按照2,500丝/毫米的丝密度生产50K碳纤维丝束，并且浸渍过程可能会要求约833丝/毫米的丝密度，这使得必须在稳定之前另行铺展丝束。在一个实施例中，可以将碳纤维丝束分开到三个不同的高程。可以将高程不同的丝束从第一宽度(例如，20mm)铺展到第二宽度(例如，60mm)以产生均匀的带或片格式。通过利用该方法，丝束中心线的水平对齐保持不变，最小化了由于纤维生产过程导致的纤维中的张力中断。可以将各套丝束铺展并且组合在不同的高程，使得可以同时生产三种带结构。为了得到更少的铺展，可以将每个其它丝束分开并且可以同时生产两个带结构。为了得到更多的铺展，可以将每第四或第五个丝束分开并且可以同时生产对应数量的带结构。在一个实施例中，仅可从所选的丝束生产一个带结构，并且可以在正常条件下对未利用的这些丝束进行处理并将它们包装到绕线筒中。

可使用一种或多种方法来稳定碳纤维。一种方法是利用具有足够浓度的稳定材料，诸如施浆剂，使得当浆料干燥时，浆料将纤维保持成带格式并且有利于将纤维卷绕到卷轴上以及将纤维从卷轴上放卷。可替代地，消除或最小化涂覆的浆料的量可能是有利的。在这种情况下，稳定材料可以是树脂，诸如涂覆到纤维上的粘结剂。粘结剂(稳定树脂的示例)的涂覆可与施浆剂的涂覆一致或可分开涂覆。如果利用热固性粘结剂，则在涂覆之后对粘结剂进行固化、部分固化、或熔化和冷却会将纤维稳定在半成品带的格式。如果使用热塑性粘结剂作为稳定剂，则可以使粘结剂熔化和冷却以将纤维稳定在半成品带的格式。该热塑性粘结剂可成为在浸渍步骤期间浸渍丝的所有基体树脂的一部分或者粘结剂可在浸渍步骤之后构成基体树脂的所有。

可替代地，或者除了浆料和/或粘结剂之外，可以将合适格式的稳定树脂的分开涂覆与碳纤维相组合，从而稳定和/或保护纤维以便将卷绕到卷轴上以及将其从卷轴放卷。稳定树脂在组成和物理特性方面可与粘结剂相似或者与粘结剂不同。在热塑性粘结剂的情况下，粘结剂可以具有与树脂不同的熔点。可以将稳定树脂涂覆到碳纤维的一侧或两侧。该稳定树脂能成为在浸渍步骤期间浸渍丝的基体树脂的一部分或所有。例如，稳定树脂可以是无纺布或薄膜的格式并且在第一步骤中可以简单地充当分隔物以有利于卷绕或缠绕到芯上，使得薄薄地间隔开的纤维的相邻层不会彼此作用，并且可以在无损坏的情况下解开半成品带进行后续处理。在浸渍步骤期间，该无纺布或薄膜可成为基体树脂的部分或所有。稳定纤维的另一种可能性包括使用浸渍剂，该浸渍剂有可能含有微晶蜡，微晶蜡具有比树脂更低的熔点以及低粘度，当熔化时，能容易地渗透丝，并且，当冷却时，能粘附在稳定树脂(诸如，无纺布)和丝两者上。

如果已经将施浆剂涂覆到纤维上，则浆料的浓度通常小于纤维的10％重量分数，并且更通常地，小于约5％，往往小于约3％。如果在半成品带的生产中利用稳定树脂(通过后续浸渍，该稳定树脂成为复合材料的一些或所有基体树脂)，则可以按照以充分浸渍的预浸材料计高达约80％体积分数的浓度或者在以充分浸渍的预浸材料计约40％与60％体积分数之间的浓度来涂覆稳定树脂。以充分浸渍的预浸材料计的树脂体积分数是对树脂体积占复合材料的总体积的百分比的理论计算，该总体积包括纤维所代表的体积，但不包括任何空隙(空气所占用的空间)。

如果在半成品带的生产中利用稳定树脂，则可以在分开的或非现场的过程中将稳定树脂转换成适合使其进入碳纤维附近的格式。树脂可以是热塑性或热固性树脂或者这两者的组合并且可以包括添加剂、填料、或者有助于后续处理所需的和/或在既定应用中使用所需的期望属性的其它化合物。这种格式可以包括粉末、悬浮液、溶液、通过由树脂制成的丝形成的连续丝束或纱线、得自所述丝或作为纺粘型织物的非织毡、或者通过将所述丝或纱线纺织或编织在一起所产生的织物。另一种格式可以包括通过树脂生产的一种或多种薄膜、或者可以应用格式的组合。

一旦已经将碳纤维稳定为半成品带，将半成品带包装以便进行运输以及以便用在后续的浸渍过程中。半成品带的包装可以是卷轴的形式，将半成品带缠绕到卷轴上。如果半成品带是单个铺展的丝束的格式，则包装可以是绕线筒的格式。若必要，包装可以包括保护性的一层薄膜或袋子，该薄膜或袋子围住卷轴或包装体或绕线筒并且形成对可能会负面影响到树脂或纤维或其对后续处理的适宜性的水分或其它污染物的屏障。

在第二步骤中，半成品带经历浸渍：使其暴露于适合用基体树脂渗透纤维的条件，并且用所述树脂浸渍或围住丝的期望部分。如果在不具有充足稳定树脂的情况下制备半成品带以针对预浸材料或成品零部件产生目标纤维浓度，则可以应用处于合适格式和配方的附加基体树脂。如果生产热塑性预浸材料，则这些格式可以包括粉末、无纺布、溶液、悬浮液、薄膜、和熔融树脂的熔体流。如果生产热固性预浸材料，则格式可以包括粉末、薄膜、液体、溶液、悬浮液、和膏。

第二步骤可以利用与预浸材料的生产相关联的步骤，诸如将熔融聚合物涂覆到纤维的熔体浸渍、将聚合物溶解在将纤维从其拉出的溶剂中的溶液涂布、将聚合物颗粒悬浮在将纤维从其拉出的溶液中的浆液涂布、首先涂覆相邻的未熔化聚合物层的薄膜堆叠、将纤维从树脂浴拉出的丝缠绕、将树脂的干颗粒直接涂覆到纤维的粉末浸渍、或者其它合适的浸渍过程。

在一个或多个实施例中，过程包括与碳纤维的商业生产在线地将碳纤维转换成半成品带的第一步骤以及与碳纤维的生产离线地用基体树脂浸渍半成品带的第二步骤。相较于与浸渍过程在线地铺展碳纤维的过程，该过程具有多种优点。

第一，在较慢的速度下进行碳纤维的生产，有利于增加碳纤维到在线半成品带的转换。生产碳纤维的典型线速度在约6到12m/min的范围内。各种铺展技术具有相似的处理速度。将碳纤维稳定成带格式的处理速度通常也在该范围内。稳定步骤添加了较小的复杂度和投资，因此这种整合仅增加了很少成本。

第二，由于来自生产过程的丝松散地对齐，但仍然独立于相邻的丝，所以减少了丝束的铺展问题，从而实现了容易的铺展，若必要，取决于浸渍过程所定的目标丝密度。可替代地，如果通过生产过程能令人满意地得到丝密度，则可以直接将纤维稳定为带格式，而不需要另行铺展。

第三，如果利用未施浆的格式，则可绕开施浆剂的涂覆。对于某些基体树脂，未施浆的纤维可提供性能优点，这是由于未施浆的纤维比具有施浆剂的纤维能更好地耦合至树脂。例如，对碳纤维进行的表面处理在促进在碳纤维丝与基体树脂之间的耦合方面可能非常有效。然而，由于与在传统工艺(诸如纺织)中利用碳纤维后生产相关联的处理问题，经济的生产量往往需要浆料。虽然浆料可促进耦合并且促进处理，但相较于未施浆但经过表面处理的纤维，它有时会降低性能。作为另一益处，消除对浆料的使用消除了相关联的成本。可替代地，如果浆料是必要的，则与纤维的生产和施浆剂的涂覆在线地将纤维转换成半成品带使得能够随着浆料干燥而将纤维保持在优选的带格式或丝密度。某些铺展技术，诸如在水基溶液或者其它溶液中的超声工艺，可以与施浆过程和/或表面处理兼容。可以将粘结剂与浆料合并以将碳纤维的格式稳定成带或片。

浸渍的过程使基体树脂与各个丝直接接触并且理想地是围住各个丝，并且促进这两个组分的耦合。该耦合与得到的复合材料的期望特性有关。然而，浸渍过程可能是昂贵的且复杂的。这种复杂度可能不受试图与碳纤维的生产在线的浸渍的支持。更好地是可以在后续处理步骤中与碳纤维生产过程离线地进行这种浸渍。

在生产预浸材料(其是一种在将丝转换成零部件之前将丝基本上浸渍的中间材料)的情况下，处理参数，诸如纤维张力、纤维温度、树脂温度、所施加的压力或剪切力、在温度和压力下的时间、冷却时间、和其它处理变量，可能都需要精确的控制。实现这种控制所需要的设备可以表现出很大的投资，因此该设备可以被设计为在比碳纤维生产中可实现的速度更高的速度(米/分钟或英尺/分钟)下操作，以最小化摊余成本。例如，可以期望超过约12m/min的速度。另外，这种预浸材料线通常占用很大的空间，在大多数现有碳纤维厂中或者在不具有很大另外投资的情况下，很难在线地容纳这么大的空间。同样，与碳纤维生产在线地操作这种系统的复杂度可能会妨碍对碳纤维生产过程以及得到的产品的特点的精确且一致的控制，并且会存在使碎片、浪费和/或停机时间增加的风险。例如，在生产碳纤维的过程期间对张力的精确控制对于建立纤维的一致机械特性至关重要。可以妥协对张力的精确控制或者针对碳纤维的生产的最佳张力可以与浸渍纤维的最佳张力不同。

在一个或多个实施例中，公开了与碳纤维生产过程在线地将碳纤维转换成半成品带并且在与浸渍过程有关的控制和生产量下在分开的过程中离线地完成半成品带的浸渍。半成品带的一个益处是可以将原始材料预置为最佳配置，以促进浸渍，使得浸渍能更经济地发生，且对纤维不存在过大的应力。在这种场景下，浸渍可以按照多种方法进行，这些方法施加热、压力和剪切力以便用树脂湿透单独的丝。加热可以来自多种机构，诸如红外、对流、传导、电磁(诸如微波或其它源)、或者方法的组合，并且可以对纤维或树脂加热，而纤维或树脂又将热传导到另一者，或者同时对树脂和纤维加热。也可以按照多种方法，诸如利用轧辊、双带压机、揉捏辊、浸渍辊(在张力下，将带从浸渍辊拉过)、对带进行扭拧、振动(诸如超声)、和其它方式，来施加压力和剪切力。

虽然丝束带可以包括多个丝束，但可以将任何数量的丝束转换成半成品带。如果不利用所有的丝束，则可以按照传统的方式处理其它丝束并且将它们包装成例如干的或施浆的纤维的绕线筒。当利用仅一个或两个或多个丝束来生产半成品带时，得到的是窄带。如果利用大量的丝束或所有的丝束，则得到的是宽带或片。可以将带或片直接包装或者在包装之前通过切分或其它方式将带或片细分。半成品带的宽度的范围为几毫米到高达几米，取决于所利用的丝束的宽度和丝束带的宽度。

图1至图6描述了包括稳定步骤的碳纤维生产过程的实施例。图1至图3公开了根据第一实施例的碳纤维生产过程。图4至图6公开了根据第二实施例的碳纤维生产过程。图1至图3的碳纤维生产过程10和图4至图6的碳纤维生产过程100共用公共的处理步骤。各个过程10和100开始于将前驱体材料(诸如聚丙烯腈(PAN))放卷，如卷轴12所示。将原丝14进料到拉伸装置16中以确定前驱体材料的分子结构的方向。将原丝定向为丝束带并且进行热固步骤20，并且随后进行碳化步骤22和石墨化步骤24。

如图中示意性所示的，存在12个丝束18a-18l，这些丝束形成丝束带26。各个丝束可以具有丝束大小，例如，约1K、3K、6K、12K、15K、24K和50K。丝束带26的总宽度28可以为约1m至6m，或约在它们之间的0.25m增量。在一个示例中，如果在丝束带内存在100个50K碳纤维丝束并且各个丝束间隔开20mm，则丝束带的总宽度可以为约2m。

如图所示，首先对丝束带26进行表面处理30并且随后使其暴露于施浆剂32。将经过处理和施浆的丝束带进料到辊或固定杆36之间。表面处理30包括将丝束带26拉入和拉出具有表面处理材料的浴中。施浆32包括将丝束带26拉入和拉出施浆剂浴中。如图所示，将丝束带26拉过浴包括将丝束带与若干触摸点接触。与铺展区37和39的触摸点相似，将这些触摸点设置到不同高程可用于替代铺展区37和39或者除了铺展区37和39之外来铺展碳纤维丝束。

来自辊或固定杆36的输出在铺展区37和39中垂直地间隔开。相对于图1至图3，辊38a、38b和38c分别将来自丝束带26的各个碳丝束放置在第一、第二或第三高程40a、40b和40c上。如图1至图3所示，将第一碳纤维丝束42a放置在第一最高高程40a上，将第二碳纤维丝束42b放置在第二中间高程40b上，并且将第三碳纤维丝束42c放置在第三最低高程40c上。针对各个连续的碳丝束，可以重复这种分离顺序。如图1至图3所示，将第一、第四、第七和第十个碳纤维丝束放置在第一最高高程40a上，将第二、第五、第八和第十一个碳纤维丝束放置在第二中间高程40b上，并且将第三、第六、第九和第十二个碳纤维丝束放置在第三最低高程40c上。虽然图1至图3中示出了分开的相邻碳纤维丝束，但可以将不相邻的碳纤维丝束放置在不同的高程上。将分开的碳纤维丝束43a-c分别铺展到铺展器44a-c和46a-c上，以填满被放置在不同高程处的单独丝之间产生的间隙，同时维持与水平机器中心线66相同或大约相同的平行性。在图1至图3所示的实施例中，将丝密度减小了进入辊或固定杆36的碳纤维丝束的丝密度的2/3。

在图4至图6中示出了另一实施例。在图4至图6中，可以通过使用每个其它丝束并且将碳纤维丝束放置在第一和第二高程50a和50b上，来将丝密度减小一半。如图4至图6所示，通过分别使用辊54a和54b，将第一碳纤维丝束52a放置在第一较高高程50a上，并且将第二碳纤维丝束52b放置在第二较低高程50b上。针对各个连续的碳丝束，可以重复这种分离顺序。如图4至图6所示，将第一、第三、第五、第七、第九和第十一个碳纤维丝束放置在第一较高高程50a上，并且将第二、第四、第六、第八、第十和第十二个碳纤维丝束放置在第二较低高程50b上。虽然图4至图6中示出了分开的相邻碳纤维丝束，但可以将不相邻的碳纤维丝束放置在不同的高程上。分别将分开的碳纤维丝束53a和53b铺展到铺展器56a和56b以及58a和58b上，以填满被放置在不同高程处的单独丝之间产生的间隙，同时维持与水平机器中心线66相同或大约相同的平行性。

用稳定树脂或稳定材料(如盒子60中所示)来稳定分开的且铺展的碳纤维，以生产半成品带62。该稳定树脂或稳定材料可以是与用于浸渍半成品带的基体树脂相同的材料或不同的材料。稳定树脂可以包括一种或多种粘结剂、一种或多种浸渍剂、或者其组合。稳定树脂可以包括一种或多种添加剂、一种或多种填料、或者其组合。在稳定步骤中，以粉末、悬浮液、溶液、纱线、非织毡、织物、薄膜或其组合的格式引入稳定树脂。稳定材料可以是一种或多种树脂或一种或多种施浆剂。

可以将半成品带62缠绕到一个或多个绕组64上。在一个或多个实施例中，当缠绕好半成品带62后，碳生产过程结束，并且当解开缠绕的半成品带62后，浸渍过程开始。然后在与碳纤维生产过程离线的过程中用基体树脂浸渍半成品带。

虽然上面描述了示例性实施例，但这些实施例并不旨在描述权利要求书所涵盖的所有可能的形式。本说明书中使用的词语是描述性词语，而非限制性词语，并且要理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变。如之前描述的，可以将各个实施例的特征相组合以形成本发明的可能未明确描述或图示的另外的实施例。虽然已经将各个实施例描述为提供了优点或描述为相对于一个或多个期望特点比其它实施例或现有实施方式更优选，但本领域的普通技术人员要认识到可以对一个或多个特征或特点进行折衷以实现期望的总体系统属性，这取决于具体的应用和实施方式。这些属性可以包括，但不限于，成本、强度、耐久性、生命周期成本、适销性、外观、包装、大小、适用性、重量、可制造性、组装简便性等。这样的话，在一定程度上，所描述的比起其它实施例或现有技术实施方式，其一个或多个特征不太合意的任何实施例不在本公开的范围之外且可期望用于特定的应用。

Claims (39)

1.一种方法，包括：

提供丝束带，所述丝束带包括第一组碳纤维丝束，所述第一组碳纤维丝束与第二组碳纤维丝束共面，所述第一和第二组碳纤维丝束的丝束在所述丝束带中彼此水平地间隔开；

将第一组碳纤维丝束与第二组碳纤维丝束分别垂直分离到第一高程和第二高程上，以在第一高程上形成第一组的丝束之间的第一水平间隙，并在第二高程上形成第二组的丝束之间的第二水平间隙，第二组碳纤维丝束在第二高程处的丝束与第一水平间隙对齐，并且第一组碳纤维丝束在第一高程处的丝束与第二水平间隙对齐；

在第一高程处将第一组碳纤维丝束的碳丝铺展到第一水平间隙中，以形成铺展的第一组碳纤维丝束；

用稳定树脂对所述铺展的第一组碳纤维丝束的碳丝进行稳定，以形成一个或多个半成品带，所述半成品带被配置成由所述铺展的第一组碳纤维丝束形成一个或多个第一包装；和

将第二组碳纤维丝束卷绕到与所述一个或多个第一包装分开的一个或多个第二包装中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组碳纤维丝束包括第一和第二碳纤维丝束，并且所述第二组碳纤维丝束包括第三和第四碳纤维丝束，并且所述第一和第二碳纤维丝束在所述垂直分离步骤之前在所述丝束带中是彼此不相邻的。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述第三碳纤维丝束和第四碳纤维丝束在所述垂直分离步骤之前在所述丝束带中是彼此不相邻的。

4.根据权利要求2所述的方法，其中所述第三碳纤维丝束和第四碳纤维丝束在所述垂直分离步骤之后在第二高程处是彼此相邻的。

5.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一碳纤维丝束和第二碳纤维丝束在所述垂直分离步骤之后在第一高程处是彼此相邻的。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括与所述垂直分离步骤在线地使所述丝束带经受表面处理。

7.根据权利要求1所述的方法，还包括与所述垂直分离步骤在线地使所述丝束带经受施浆剂。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括用基体树脂浸渍所述一个或多个第一半成品带以形成一个或多个预浸材料。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述稳定树脂和所述基体树脂是相同的材料。

10.根据权利要求8所述的方法，其中所述稳定树脂和所述基体树脂是不同的材料。

11.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述一个或多个第一半成品带卷绕到所述一个或多个第一包装中。

12.根据权利要求1所述的方法，还包括在第二高程处将第二组碳纤维丝束的碳丝铺展到第二水平间隙中，以形成铺展的第二组碳纤维丝束，所述卷绕步骤包括将所述铺展的第二组碳纤维丝束卷绕到所述一个或多个第二包装中。

13.根据权利要求1所述的方法，其中所述提供步骤包括提供来自碳纤维线的炉的丝束带。

14.一种方法，包括：

输送丝束带，所述丝束带包括第一组碳纤维丝束，所述第一组碳纤维丝束与第二组碳纤维丝束共面，所述第一和第二组碳纤维丝束的丝束在所述丝束带中彼此水平地间隔开；

将第一组碳纤维丝束与第二组碳纤维丝束分别分离到第一高程和第二高程上，以在第一高程上形成第一组的丝束之间的第一水平间隙，并在第二高程上形成第二组的丝束之间的第二水平间隙，第二组碳纤维丝束的第二高程处的丝束与第一水平间隙对齐，并且第一组碳纤维丝束的第一高程处的丝束与第二水平间隙对齐；

在第一高程处将第一组碳纤维丝束的碳丝水平地铺展到第一水平间隙中，以形成铺展的第一组碳纤维丝束；

将所述铺展的第一组碳纤维丝束卷绕到一个或多个第一包装中；以及

将第二组碳纤维丝束卷绕到与所述一个或多个第一包装分开的一个或多个第二包装中。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括在第一高程处用稳定树脂对所述铺展的第一组碳纤维丝束的细丝进行稳定，以由所述铺展的第一组碳纤维丝束形成一个或多个第一半成品带，其中卷绕所述铺展的第一组是对作为所述一个或多个第一半成品带的所述铺展的第一组碳纤维丝束进行的。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括用基体树脂浸渍所述一个或多个第一半成品带以形成一个或多个预浸材料。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述稳定树脂和所述基体树脂为相同的材料。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述稳定树脂和所述基体树脂是不同的材料。

19.根据权利要求14所述的方法，其中所述第一组碳纤维丝束包括第一和第二碳纤维丝束，所述第二组碳纤维丝束包括第三和第四碳纤维丝束，所述丝束带包括所述第一，第二，第三和第四碳纤维丝束，并且所述第一和第二碳纤维丝束在所述分离步骤之前在所述丝束带中是彼此不相邻的。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第三碳纤维丝束和第四碳纤维丝束在所述分离步骤之前在所述丝束带中是彼此不相邻的。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述第三碳纤维丝束和所述第四碳纤维丝束在所述分离步骤之后在第二高程处是彼此相邻的。

22.根据权利要求14所述的方法，其中所述丝束带的宽度为约1至6米。

23.根据权利要求14所述的方法，还包括在第二高程处将第二组碳纤维丝束的碳丝水平铺展到第二水平间隙中，以形成铺展的第二组碳纤维丝束，第二组的卷绕包括将所述铺展的第二组碳纤维丝束卷绕到与所述一个或多个第一包装分开的所述一个或多个第二包装中。

24.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或多个第一和第二包装分别包括一个或多个第一和第二卷轴。

25.根据权利要求14所述的方法，其中所述一个或多个第一和第二包装分别包括一个或多个第一和第二线筒。

26.根据权利要求14所述的方法，其中所述输送步骤包括输送来自碳纤维线的炉的所述丝束带。

27.一种方法，包括：

将前驱体材料放卷；

处理所述前驱体材料以形成丝束带，所述丝束带包括第一组碳纤维丝束，所述第一组碳纤维丝束与第二组碳纤维丝束共面，所述第一和第二组碳纤维丝束在所述丝束带中彼此水平地间隔开；

将第一组碳纤维丝束与第二组碳纤维丝束分别分离到第一高程和第二高程上，以在第一高程上形成第一组的丝束之间的第一水平间隙，并且在第二高程上形成第二组的丝束之间的第二水平间隙，第二组碳纤维丝束在第二高程处的丝束与第一水平间隙对齐，并且第一组碳纤维丝束在第一高程处的丝束与第二水平间隙对齐；

在第一高程处将第一组碳纤维丝束的碳丝水平铺展到第一水平间隙中，以形成铺展的第一组碳纤维丝束；

将所述铺展的第一组碳纤维丝束卷绕到成一个或多个第一包装中；以及

将第二组碳纤维丝束卷绕到与所述一个或多个第一包装分开的一个或多个第二包装中。

28.根据权利要求27所述的方法，还包括在第一高程处用稳定树脂对所述铺展的第一组碳纤维丝束进行稳定，以由所述铺展的第一组碳纤维丝束形成一个或多个第一半成品带，其中卷绕所述铺展的第一组是对作为所述一个或多个第一半成品带的所述铺展的第一组碳纤维丝束进行的。

29.根据权利要求28所述的方法，还包括用基体树脂浸渍所述一个或多个第一半成品带以形成一个或多个预浸材料。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述稳定树脂和所述基体树脂是不同的材料。

31.根据权利要求29所述的方法，其中所述稳定树脂和所述基体树脂为相同的材料。

32.根据权利要求27所述的方法，其中所述丝束带的宽度为约1至6米。

33.根据权利要求27所述的方法，其中所述处理步骤包括将所述前驱体材料定向到所述丝束带中。

34.根据权利要求27所述的方法，还包括在所述分离步骤之前对所述丝束带进行热固化、碳化和石墨化中的一种或多种。

35.根据权利要求27所述的方法，其中所述放卷和分离步骤彼此在线地发生。

36.根据权利要求27所述的方法，其中所述处理步骤和分离步骤彼此在线地发生。

37.根据权利要求27所述的方法，还包括在第二高程处将第二组碳纤维丝束的碳丝水平铺展到第二水平间隙中，以形成铺展的第二组碳纤维丝束，第二组的卷绕包括将所述铺展的第二组碳纤维丝束卷绕到与所述一个或多个第一包装分开的所述一个或多个第二包装中。

38.根据权利要求27所述的方法，其中所述一个或多个第一和第二包装分别包括一个或多个第一和第二卷轴。

39.根据权利要求27所述的方法，其中，所述一个或多个第一和第二包装分别包括一个或多个第一和第二线筒。

Images