CN114654845A - 具有增强的导热性的聚合物夹层结构体及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了具有增强的导热性的聚合物夹层结构体及其制造方法。一种具有增强的导热性的聚合物夹层结构体，其包括由第一聚合物基质形成并且包括嵌入第一聚合物基质内的第一纤维增强片材的第一层、由第二聚合物基质形成并且包括嵌入第二聚合物基质内的第二纤维增强片材的第二层、以及设置在第一层和第二层之间的第三层，第三层由具有分散在其中的石墨烯纳米片的第三聚合物基质形成。第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个由增强纤维制成，并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔的相应组，其中每个交错的不连续穿孔的相应组限定具有相应第一长度的相应第一多根增强纤维和具有比相应第一长度更长的相应第二长度的相应第二多根增强纤维。

Description

具有增强的导热性的聚合物夹层结构体及其制造方法
技术领域
本公开总体上涉及具有增强的导热性的聚合物夹层结构体，以及制造具有增强的导热性的聚合物夹层结构体的方法。
背景技术
复合材料可用于形成各种各样的组件，例如结构构件、盖等。常用的复合材料包括具有嵌入其中的增强材料(如碳纤维或玻璃纤维)的条或段的热固性树脂基质，或具有嵌入其中的短切纤维的热塑性聚合物。例如，所谓的“预浸料”通常用于模压成型以形成部件，其中预浸料是涂覆并吸收有热固性树脂的增强材料的片、条、织物或段，其被置于加热的模腔中并用模塞来模压。
这种类型的方法面临的挑战之一是来自加热的模具的热量要花费一定量的时间从与加热的模腔接触的表面通过预浸料的厚度传播到预浸料的不与加热的模腔接触的另一面。
发明内容
根据一个实施方案，具有增强的导热性的聚合物夹层结构体包括由第一聚合物基质形成并且包括嵌入第一聚合物基质内的第一纤维增强片材的第一层、由第二聚合物基质形成并且包括嵌入第二聚合物基质内的第二纤维增强片材的第二层、和设置在第一层和第二层之间的第三层，其中第三层由具有散布在其中的石墨烯纳米片的第三聚合物基质形成。第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个由增强纤维制成，并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔的相应组。每个交错的不连续穿孔的相应组限定具有相应第一长度的相应第一多根增强纤维和具有比相应第一长度更长的相应第二长度的相应第二多根增强纤维。
穿孔可以具有约10至300微米的平均宽度或直径和约100至60,000个穿孔/平方米的平均密度。所述聚合物夹层结构体可有效地使第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个能够通过从加热的模具向第一层连续施加热，在比第三聚合物基质不含石墨烯纳米片的情况少20%至50%的时间内，从(i)在将聚合物夹层结构体置于加热的模具中且第一层与加热的模具接触时的第一温度加热到(ii)至少预定的第二温度。
第三聚合物基质可以包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径的中空微球。所述中空微球可以是中空玻璃微球，并且所述第三聚合物基质可以包含大约0.46 g/cc的中空玻璃微球。第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个可以包含热固性聚合物或热塑性聚合物，并且增强纤维可以包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其任何组合。例如，第一聚合物基质和第二聚合物基质中的每一个可以包含热固性树脂基质，其中第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个是用热固性树脂基质浸渍的预浸料。或者，第一聚合物基质和第二聚合物基质中的每一个可以包含具有至少25体积%的短切纤维的热塑性聚合物。
第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质可以由彼此相同的材料制成。另外，第一聚合物基质和第二聚合物基质中的至少一个可以包含散布在其中的石墨烯纳米片。聚合物夹层结构体还可以包括设置在第二层的与第三层相对的表面上的第四层，其中第四层由具有散布在其中的石墨烯纳米片的第四聚合物基质形成。
根据另一实施方案，具有增强的导热性的聚合物夹层结构体包括：(i)第一层，所述第一层由第一聚合物基质形成并且包括嵌入第一聚合物基质内的第一纤维增强片材；(ii)第二层，所述第二层由第二聚合物基质形成并且包括嵌入第二聚合物基质内的第二纤维增强片材；以及(iii)设置在第一层和第二层之间的第三层，所述第三层由第三聚合物基质形成，所述第三聚合物基质具有散布在其中的石墨烯纳米片并且包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径的中空微球。第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个由增强纤维制成，并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔的相应组，所述穿孔具有约10至300微米的平均宽度或直径和约100至60,000个穿孔/平方米的平均密度，并且每个交错的不连续穿孔的相应组限定具有相应第一长度的相应第一多根增强纤维和具有比相应第一长度更长的相应第二长度的相应第二多根增强纤维。所述聚合物夹层结构体有效地使第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个能够通过从加热的模具向第一层连续施加热，在比第三聚合物基质不含石墨烯纳米片的情况少20%至50%的时间内，从在将聚合物夹层结构体置于加热的模具中且第一层与加热的模具接触时的第一温度加热到至少预定的第二温度。
中空微球可以是中空玻璃微球，其中第三聚合物基质可以包含大约0.46 g/cc的中空玻璃微球。第一聚合物基质和第二聚合物基质中的至少一个可以包含散布在其中的石墨烯纳米片。
根据又一实施方案，制造具有增强的导热性的可流动聚合物夹层结构体的方法包括：将石墨烯纳米片分散在溶剂中以产生石墨烯纳米片/溶剂混合物；将所述石墨烯纳米片/溶剂混合物超声混合以便实现预定的均匀性水平；将所述石墨烯纳米片/溶剂混合物与聚合物基质组合以产生石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物；使至少大部分的溶剂从所述石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物中蒸发以产生石墨烯纳米片/聚合物基质混合物；根据压力分布对所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物加压；将所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物分散到第一载体膜上；将所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物和第一载体膜传送通过刮刀布置单元(doctor blade arrangement)以便实现在所述第一载体膜上的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物的预定厚度，从而产生第一混合物/载体产物；以及在烘箱中加热所述第一混合物/载体产物，以便实现所述第一混合物/载体产物的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分的预定固化度和/或预定粘度。
所述方法还可以包括，在组合步骤之前：将聚合物基质加热到预定温度；以及将中空微球混合到所述聚合物基质中。所述方法可以另外包括，在加热步骤之后：将第一混合物/载体产物卷绕成卷。所述方法还可以包括：将所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物分散到第二载体膜上；将连续纤维长丝或片材置于所述第二载体膜上的所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物上或其中以便实现预定的纤维体积分数；使用穿孔切割头或激光器在所述连续纤维长丝或片材中产生穿孔，从而产生第二混合物/载体产物；将第一混合物/载体产物与第二混合物/载体产物堆叠；以及将第二混合物/载体产物与第一混合物/载体产物一起在烘箱中加热，以便实现第一混合物/载体产物和第二混合物/载体产物两者的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分的预定固化度和/或预定粘度。最后，所述方法还可以包括：将堆叠的第一混合物/载体产物和第二混合物/载体产物卷绕成卷。
本发明公开了以下实施方案：
方案1. 具有增强的导热性的聚合物夹层结构体，包括：
第一层，所述第一层由第一聚合物基质形成并且包括嵌入所述第一聚合物基质内的第一纤维增强片材；
第二层，所述第二层由第二聚合物基质形成并且包括嵌入所述第二聚合物基质内的第二纤维增强片材；以及
设置在所述第一层和第二层之间的第三层，所述第三层由具有散布在其中的石墨烯纳米片的第三聚合物基质形成；
其中所述第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个由增强纤维制成并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔的相应组，其中每个交错的不连续穿孔的相应组限定具有相应第一长度的相应第一多根增强纤维和具有比所述相应第一长度更长的相应第二长度的相应第二多根增强纤维。
方案2. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述穿孔具有约10至300微米的平均宽度或直径和约100至60,000个穿孔/平方米的平均密度。
方案3. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述聚合物夹层结构体有效地使所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个能够通过从加热的模具向所述第一层连续施加热，在比所述第三聚合物基质不含所述石墨烯纳米片的情况少20%至50%的时间内，从(i)在将所述聚合物夹层结构体置于所述加热的模具中且所述第一层与所述加热的模具接触时的第一温度加热到(ii)至少预定的第二温度。
方案4. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第三聚合物基质包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径的中空微球。
方案5. 根据方案4所述的聚合物夹层结构体，其中所述中空微球是中空玻璃微球，并且其中所述第三聚合物基质包含大约0.46 g/cc的所述中空玻璃微球。
方案6. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的每一个包含热固性树脂基质，并且其中所述第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个是用所述热固性树脂基质浸渍的预浸料。
方案7. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的每一个包含具有至少25体积%的短切纤维的热塑性聚合物。
方案8. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个包含热固性聚合物或热塑性聚合物。
方案9. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其任何组合。
方案10. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的至少一个包含散布在其中的石墨烯纳米片。
方案11. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质由彼此相同的材料制成。
方案12. 根据方案1所述的聚合物夹层结构体，还包括设置在所述第二层的与所述第三层相对的表面上的第四层，所述第四层由具有散布在其中的石墨烯纳米片的第四聚合物基质形成。
方案13. 具有增强的导热性的聚合物夹层结构体，包括：
第一层，所述第一层由第一聚合物基质形成并且包括嵌入所述第一聚合物基质内的第一纤维增强片材；
第二层，所述第二层由第二聚合物基质形成并且包括嵌入所述第二聚合物基质内的第二纤维增强片材；以及
设置在所述第一层和第二层之间的第三层，所述第三层由第三聚合物基质形成，所述第三聚合物基质具有散布在其中的石墨烯纳米片并且包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径的中空微球；
其中所述第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个由增强纤维制成，并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔的相应组，所述穿孔具有约10至300微米的平均宽度或直径和约100至60,000个穿孔/平方米的平均密度，其中每个交错的不连续穿孔的相应组限定具有相应第一长度的相应第一多根增强纤维和具有比所述相应第一长度更长的相应第二长度的相应第二多根增强纤维；并且
其中所述聚合物夹层结构体有效地使所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个能够通过从加热的模具向所述第一层连续施加热，在比所述第三聚合物基质不含所述石墨烯纳米片的情况少20%至50%的时间内，从(i)在将所述聚合物夹层结构体置于所述加热的模具中且所述第一层与所述加热的模具接触时的第一温度加热到(ii)至少预定的第二温度。
方案14. 根据方案13所述的聚合物夹层结构体，其中所述中空微球是中空玻璃微球，并且其中所述第三聚合物基质包含大约0.46 g/cc的所述中空玻璃微球。
方案15. 根据方案13所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的至少一个包含散布在其中的石墨烯纳米片。
方案16. 制造具有增强的导热性的可流动聚合物夹层结构体的方法，包括：
将石墨烯纳米片分散在溶剂中以产生石墨烯纳米片/溶剂混合物；
将所述石墨烯纳米片/溶剂混合物超声混合以便实现预定的均匀性水平；
将所述石墨烯纳米片/溶剂混合物与聚合物基质组合以产生石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物；
使至少大部分的所述溶剂从所述石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物中蒸发以产生石墨烯纳米片/聚合物基质混合物；
根据压力分布对所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物加压；
将所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物分散到第一载体膜上；
将所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物和第一载体膜传送通过刮刀布置单元以便实现在所述第一载体膜上的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物的预定厚度，从而产生第一混合物/载体产物；以及
在烘箱中加热所述第一混合物/载体产物，以便实现所述第一混合物/载体产物的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分的预定固化度和/或预定粘度。
方案17. 根据方案16所述的方法，还包括，在所述组合步骤之前：
将所述聚合物基质加热到预定温度；以及
将中空微球混合到所述聚合物基质中。
方案18. 根据方案16所述的方法，还包括，在所述加热步骤之后：
将所述第一混合物/载体产物卷绕成卷。
方案19. 根据方案16所述的方法，还包括：
将所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物分散到第二载体膜上；
将连续纤维长丝或片材置于所述第二载体膜上的所述石墨烯纳米片/聚合物基质混合物上或其中以便实现预定的纤维体积分数；
使用穿孔切割头或激光器在所述连续纤维长丝或片材中产生穿孔，从而产生第二混合物/载体产物；
将所述第一混合物/载体产物与所述第二混合物/载体产物堆叠；以及
将所述第二混合物/载体产物与所述第一混合物/载体产物一起在所述烘箱中加热，以便实现所述第一混合物/载体产物和第二混合物/载体产物两者的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分的预定固化度和/或预定粘度。
方案20. 根据方案19所述的方法，还包括：
将堆叠的第一混合物/载体产物和第二混合物/载体产物卷绕成卷。
当结合附图时，从以下对如所附权利要求中限定的用于实施本发明的教导的一些最佳模式和其它实施方案的详细描述，本发明的教导的上述特征和优点以及其它特征和优点将是显而易见的。
附图说明
图1是具有增强的导热性的聚合物夹层结构体的示意性横截面图。
图2是具有第四层的替代聚合物夹层结构体的示意性横截面图。
图3示出了图1的圆圈3-3内的芯层的放大图。
图4是各种类型的增强纤维的框图。
图5是在其中具有穿孔的纤维增强片材的示意性平面图。
图6是用于制造聚合物夹层结构体的芯层的工艺设备的示意图。
图7是制造聚合物夹层结构体的芯层的方法的流程图。
图8是用于制造聚合物夹层结构体的外层的工艺设备的示意图。
图9是制造聚合物夹层结构体的外层的方法的流程图。
图10是用于制造聚合物夹层结构体的芯层和外层两者的工艺设备的示意图。
图11是制造聚合物夹层结构体的芯层和外层两者的方法的流程图。
图12示出了用于加热聚合物夹层结构体的第一层、第二层和第三层的温度相对于时间的分布，比较了本公开的方法与常规方法。
图13是可用于聚合物夹层结构体的第一层、第二层和第三层中的各种聚合物基质和纤维的框图。
具体实施方式
现在参照附图(其中在几个视图中相同的附图标记表示相同的部件)，本文示出并描述了具有增强的导热性的聚合物夹层结构体10，以及用于制造聚合物夹层结构体10 (包括聚合物夹层结构体10的芯层24和外层29)的系统/工艺设备101、301、401的各种配置和方法100、300、400。
图1示出了具有增强的导热性的聚合物夹层结构体10的一个实施方案。聚合物夹层结构体10包括由第一聚合物基质14形成并且包括嵌入第一聚合物基质14内的第一纤维增强片材16的第一层12、由第二聚合物基质20形成并且包括嵌入第二聚合物基质20内的第二纤维增强片材22的第二层18、以及设置在第一层12和第二层18之间的第三层24，其中第三层24由具有散布在其中的石墨烯纳米片28的第三聚合物基质26形成。注意，第一层12和第二层18也可以称为外层29，并且第三层24也可以称为芯层24。还要注意，虽然一些附图示出第一层12设置在第三层/芯层24之下，且第二层18设置在第三层/芯层24之上，但是如图所示的第一层12和第二层18相对于第三层/芯层24的位置也可以转换。
石墨烯纳米片28更详细地(示意性地)示于图3中，图3示出了图1的圆圈3-3内的第三层24的放大图。在此，石墨烯纳米片28被示出为嵌入并分散在第三聚合物基质26内。注意，虽然石墨烯纳米片28被示出为具有各种形状和大小的簇，但是石墨烯纳米片28的簇也可以具有均匀的大小和形状。石墨烯纳米片28遍及第三层/芯层24的分布为整个聚合物夹层结构体10提供增强的导热性，这将在下文更详细地讨论。
图5示出了纤维增强片材16、22的示意性平面图，所述纤维增强片材16、22具有形成于其中的交错的不连续穿孔36的阵列。(图5名义上示出了第一增强片材16，但是相同的结构和特征也可以适用于第二增强片材22，因此附图标记22在图中以括号和虚线引线示出)。第一纤维增强片材16和第二纤维增强片材22中的每一个由增强纤维30制成，并且每个片材16、22包括形成于其中的交错的不连续穿孔36的相应组32、34；即，第一纤维增强片材16包括第一组32穿孔36，且第二纤维增强片材22包括第二组34穿孔36。这些穿孔36代表在增强纤维30中形成的离散的、非邻接的、交错的切口或空隙，其有效地将单体纤维30切割成一定长度。穿孔36的每个相应组32、34限定具有相应第一长度L1的相应第一多根38增强纤维30和具有比相应第一长度L1更长的相应第二长度L2的相应第二多根40增强纤维30。换句话说，第一组32穿孔36 (形成于第一纤维增强片材16中)限定两组多根增强纤维30：如图5中的双箭头线所示，具有第一长度L1的第一多根38纤维39，和具有更长的第二长度L2的第二多根40纤维41。同样，第二组34穿孔36 (形成于第二纤维增强片材22中)限定其自身的两组相应的多根38、40增强纤维39、41，其与和第一片材16的第一组32穿孔36相关的两组多根38、40纤维39、41分开(但其可以类似于和第一片材16的第一组32穿孔36相关的两组多根38、40纤维39、41)。因此，第二增强片材22也包括具有第一长度L1的第一多根38纤维39和具有更长的第二长度L2的第二多根40纤维41。虽然有可能的是与第一组32和第一纤维增强片材16相关的第一长度L1和第二长度L2可能不同于与第二组34和第二纤维增强片材22相关的第一长度L1和第二长度L2，但是这需要形成两个片材16、22的穿孔36的两种不同图案或间距；因此，可能最实际的是，使用两个片材16、22的穿孔36的相同图案和间距，由此使两个片材16、22都具有相同的第一长度L1和相同的更长的第二长度L2。
穿孔36可通过使用穿孔切割头96或激光器97形成在片材16、22中，如下文更详细讨论的那样。如图5中所示，每个穿孔36可以横跨两个相邻的单体增强纤维30，穿孔36交错，使得产生切割纤维39、41的两种不同长度L1、L2。用于产生穿孔36的方法在下面以及美国专利号10,113,250和美国专利申请公开2018/0016740 A1中有更详细的描述，这两个专利都转让给本申请人，并且这两个专利都通过引用以其整体并入本文。如并入的参考文献中所述以及如图5中所示，穿孔36的特征可以在于交错的和不连续的。“不连续的”是指每个穿孔36与任何相邻穿孔36是离散的，因此每个穿孔36不与任何相邻穿孔36邻接。“交错的”是指穿孔36被布置成使得为每根增强纤维30提供切割纤维39、41的两种离散长度L1、L2。
例如，如图5中所示，穿孔36可以设置成与x轴平行的行36r，沿着所述x轴可以测量片材16、22的宽度，但是穿孔36也可以沿着自y轴歪斜(即，不与y轴平行)的列36c设置，沿着所述y轴可以测量片材16、22的长度。在此，列36c中的每个穿孔36跨越两个相邻的纤维30，上方的相邻穿孔36向左(在负x方向上)偏移一根纤维30，并且下方的相邻穿孔36向右(在正x方向上)偏移一根纤维。因此，“交错的”穿孔36或在至少一个方向上偏移，使得穿孔36将增强纤维30分成具有短长度L1的短段39和具有比短长度L1更大的长长度L2的长段41。穿孔36可以具有如图所示的矩形形状，或者椭圆形、圆形或其它形状，并且可以具有约10至300微米的平均宽度或直径d36和约100至60,000个穿孔36 /平方米片材面积的平均面积密度D36。
图12示出了当聚合物夹层结构体10置于加热的模具42中且第一层12与加热的模具42接触时，用于加热聚合物夹层结构体10的第一层12、第二层18和第三层24的温度相对于时间的分布。标记为TP12,0、TP18,0和TP24,0的三条点线曲线分别表示根据常规方法的第一层12、第二层18和第三层24的温度分布。在此，当聚合物夹层结构体10置于加热的模具42中且第一层12与加热的模具42接触时，三个层12、18、24的温度分布各自在大约温度T1开始，所述温度T1可以是环境温度或预热温度。注意，第一层12的温度分布TP12,0比第三层/芯层24的温度分布TP24,0加热得更快并达到更高的最终温度，并且第三层/芯层24的温度分布TP24,0比第二层18的温度分布TP18,0加热得更快并达到更高的最终温度。
然而，将常规方法的这三个分布TP12,0、TP24,0、TP18,0与本公开的方法的三个分布TP12,1、TP24,1、TP18,1进行对比。虽然第一层12的常规和本公开温度分布TP12,0、TP12,1基本上相同，但是芯层24和第二层18的本公开温度分布TP24,1、TP18,1显示出比它们各自的常规温度分布TP24,0、TP18,0更快的加热。这种更快的加热可归因于第三层/芯层24内存在石墨烯纳米片28，其有利于热44从第一层12 (其与加热的模具42接触)传播至第二层18。进而，这种更快的加热改善了聚合物夹层结构体10的总体流动性和成型性。例如，本公开的聚合物夹层结构体10可用于更快且更容易地模制复合部件。更快的加热也可导致在加热期间第一聚合物基质14、第二聚合物基质20和第三聚合物基质26的各自的粘度更快和/或更接近地彼此匹配。
在图12中，T2表示为了使聚合物夹层结构体10准备好进一步加工(例如，模压成型)，所有三个层12、18、24必须升高到的最低温度T2。因此，可以看出，根据常规方法，将所有三个层12、18、24 (特别是第二层18)从第一温度T1加热到所需的第二温度T2花费给定量的时间Δt0；然而，使用本公开的方法将所有三个层12、18、24加热到第二温度T2花费少得多的时间Δt1。本公开的申请人已经发现，通过在第三层/芯层24中使用石墨烯纳米片28，聚合物夹层结构体10可有效地使第一聚合物基质14、第二聚合物基质20和第三聚合物基质26中的每一个能够通过从加热的模具42向第一层12连续施加热44，在比第三聚合物基质26不含石墨烯纳米片28的情况少20%至50%的时间内，从(i)在将聚合物夹层结构体10置于加热的模具42中且第一层12与加热的模具42接触时的第一温度T1加热到(ii)至少预定的第二温度T2。
如图3中所示，除了含有分散在其中的石墨烯纳米片28之外，第三聚合物基质26还可以包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径d46的中空微球46。中空微球46可以是中空玻璃微球，并且第三聚合物基质26可以包含大约0.46 g/cc的中空玻璃微球。第一聚合物基质14、第二聚合物基质20和第三聚合物基质26中的每一个可以包含热固性聚合物56(例如，双组分树脂)或热塑性聚合物52 (例如，尼龙、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)等)。如图4中的框图所示，增强纤维30可以包括碳纤维30CF、玻璃纤维30GF、芳族聚酰胺纤维30AF、玄武岩纤维30BF或其任何组合。并且如图13的框图(其图解了可用于第一层12、第二层18和第三层24的各种聚合物基质14、20、26和纤维)所示，第一聚合物基质14和第二聚合物基质20中的每一个可以包含热固性树脂基质48，其中第一纤维增强片材16和第二纤维增强片材22中的每一个是用热固性树脂基质48浸渍的预浸料50。在这种布置中，第三层/芯层24也可以包含热固性树脂基质48。或者，第一聚合物基质14和第二聚合物基质20中的每一个可以包含半结晶热塑性聚合物51或非晶态热塑性聚合物53，其含有至少25体积%的短切纤维54的任选填料。在这种布置中，第三层/芯层24也可以包含半结晶热塑性聚合物51或非晶态热塑性聚合物53。
第一聚合物基质14、第二聚合物基质20和第三聚合物基质26可以由彼此相同的材料制成。例如，所有三个基质14、20、26可以是热固性树脂基质48，或者所有三个基质可以是非晶态热塑性聚合物53。另外，第一聚合物基质14、第二聚合物基质20或基质14、20两者可以包含散布在其中的石墨烯纳米片28，这可以进一步增强聚合物夹层结构体10的整体导热性和成型性。如图2所示，聚合物夹层结构体10还可以包括设置在第二层18的与第三层24相对的表面60上的第四层58，其中第四层58由具有散布在其中的石墨烯纳米片28的第四聚合物基质62形成。由于石墨烯纳米片28的导电性，该附加的含有石墨烯纳米片28的第四层58可以充当EMI (电磁干扰)屏蔽和/或充当接地面。
根据另一实施方案，具有增强的导热性的聚合物夹层结构体10包括：(i)第一层12，其由第一聚合物基质14形成并且包括嵌入在第一聚合物基质14内的第一纤维增强片材16；(ii)第二层18，其由第二聚合物基质20形成并且包括嵌入在第二聚合物基质20内的第二纤维增强片材22；和(iii)设置在第一层12和第二层18之间的第三层24，第三层24由第三聚合物基质26形成，所述第三聚合物基质26具有散布在其中的石墨烯纳米片28并且包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径d46的中空微球46。第一纤维增强片材16和第二纤维增强片材22中的每一个由增强纤维30制成，并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔36的相应组32、34，所述穿孔具有约10至300微米的平均宽度或直径d36和约100至60,000个穿孔36/平方米的平均密度D36，并且交错的不连续穿孔36的每个相应组32、34限定具有相应第一长度L1的相应第一多根38增强纤维30和具有比相应第一长度L1更长的相应第二长度L2的相应第二多根40增强纤维30。聚合物夹层结构体10有效地使第一聚合物基质14、第二聚合物基质20和第三聚合物基质26中的每一个能够通过从加热的模具42向第一层12连续施加热44，在比第三聚合物基质26不含石墨烯纳米片28的情况少20%至50%的时间内，从在将聚合物夹层结构体10置于加热的模具42中且第一层12与加热的模具42接触时的第一温度T1加热到至少预定的第二温度T2。
中空微球46可以是中空玻璃微球，其中第三聚合物基质26可以包含大约0.46 g/cc的中空玻璃微球。第一聚合物基质14和第二聚合物基质20中的至少一个可以包含散布在其中的石墨烯纳米片28。
图6-11示出了用于制造具有增强的导热性的可流动聚合物夹层结构体10的芯层24和外层29的系统/工艺设备的各种配置和方法。更具体地说，图6-7分别示出了用于制造芯层24的系统/工艺设备101和方法100，图8-9分别示出了用于制造外层29的系统/工艺设备301和方法300，并且图10-11分别示出了用于一起制造芯层24和外层29两者的系统/工艺设备401和方法400。注意，图7、9和11中所示的流程图中的每一个具有连接各个框或步骤的实线箭头，如典型流程图中那样。然而，这些流程图还具有从左侧指向框的虚线箭头，其表示每个框的输入物或起始材料，以及从框指向右侧的虚线箭头，其表示每个框的输出物或所得材料。还要注意，尽管图6、8和10中所示的系统/工艺设备101、301、401以特定顺序示出了工艺设备的工件，但应当清楚，设备可以以其它方式布置，并且设备和其间的间距不必按比例绘制。
现在将参照图6-7描述用于制造芯层24的方法100和系统/工艺设备101。在框110处，将石墨烯纳米片28分散在溶剂64 (例如，醇、丙酮等)中以产生石墨烯纳米片/溶剂混合物66。在框120处，将石墨烯纳米片/溶剂混合物66在超声混合器83中超声混合(并且任选地用热H加热)以便实现预定的均匀性和/或分散水平68。注意，在框110中将石墨烯纳米片28分散在溶剂64中的步骤可通过将石墨烯纳米片28和溶剂64置于超声混合器83中并在超声混合器83中混合/分散这些成分28、64来进行，如图6中所示；或者，在将石墨烯纳米片/溶剂混合物66移动到超声混合器83之前，可以将成分28、64在单独的容器(未示出)中混合/分散。在框150处，将石墨烯纳米片/溶剂混合物66与聚合物基质70组合以产生石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物72。(聚合物基质70可以是热塑性聚合物52或热固性聚合物56。)在框160处，使溶剂64的一部分或全部(例如，至少大部分)从石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物72中蒸发以产生石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74。(注意，附图标记64显示在框160右侧的圆括号中；这表示蒸发的溶剂64没有用于随后的工艺步骤。) 在框170处，根据压力分布76，在罐或密封容器87中用压力P对石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74加压。压力分布76可以仅仅是期望的或目标压力水平，或其可以是压力相对于时间的曲线。在框180处，将石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74通过分散头89 (与加压罐87连接)分散到第一载体膜78上，所述第一载体膜78可承载在输送器81上。注意，石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74与第一载体膜78的组合由框180右侧的附图标记74+78表示。在框190处，将组合的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物/第一载体膜74+78传送(经由输送器81)通过刮刀布置单元80以便实现在第一载体膜78上的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74的预定厚度tP，从而产生第一混合物/载体产物82。并且在框200处，将第一混合物/载体产物82在烘箱84 (具有上加热元件84U和/或下加热元件84L)中用热H加热以便实现第一混合物/载体产物82的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分74的预定固化度86和/或预定粘度88。
方法100还可以包括(在框150的组合步骤之前)：在框130处，将聚合物基质70用热H加热到预定温度TP (例如，熔融温度)；以及，在框140处，将中空微球46混合到聚合物基质70中。(注意，聚合物基质70和中空微球46的组合由框140右侧的附图标记46+70表示)。在框150中，框150左侧的附图标记70也可以包括附图标记46+70或被理解为附图标记46+70；因此，框150左侧的附图标记70可以任选地包括其中混合有中空微球46的聚合物基质70。) 方法100可以另外包括(在框200的加热步骤之后)：在框210处，将第一混合物/载体产物82卷绕成卷90 (即，第一混合物/载体产物82的卷)。并且，如图6所示，系统/工艺设备101可以包括各种泵85，以及阀和管(未标记)，用于输送在方法或工艺100中使用的材料。
现在将参照图8-9描述用于制造外层29的方法300和系统/工艺设备301。(注意，该方法300和系统/工艺设备301与方法100和系统/工艺设备101共享一些相同的特征。) 外层29可以用作第一层12和/或第二层18。外层29可以用或不用石墨烯纳米片28以及用或不用中空微球46来制造，但是方法300和系统/工艺设备301将被描述为如同将任选的石墨烯纳米片28和中空微球46包含在外层29中。在框110处，将石墨烯纳米片28分散在溶剂64中以产生石墨烯纳米片/溶剂混合物66。在框120处，将石墨烯纳米片/溶剂混合物66在超声混合器83中超声混合(并且任选地用热H加热)以便实现预定的均匀性水平68。在框150处，将石墨烯纳米片/溶剂混合物66与聚合物基质70组合以产生石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物72。在框160处，使至少大部分的溶剂64从石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物72中蒸发以产生石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74。在框170处，根据压力分布76，在罐或密封容器87中用压力P对石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74加压。在框220处，将石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74通过分散头89 (与加压罐87连接)分散到第二载体膜92上，产生组合的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物/第二载体膜74+92。在框230处，将连续纤维长丝94或片材95置于石墨烯纳米片/聚合物基质混合物/第二载体膜74+92上或其中，从而产生中间产物99并在中间产物99中实现预定的纤维体积分数FVF。纤维体积分数FVF是中间产物99中有多少由连续纤维长丝94或片材95组成的量度，按重量或体积计，并表示为百分比、小数或分数。连续纤维长丝94或片材95可以由增强纤维30例如碳纤维制成。在框240处，使用穿孔切割头96或激光器97在中间产物99的连续纤维长丝94或片材95中产生穿孔36，从而产生第二混合物/载体产物98。在框250处，在烘箱84中加热第二混合物/载体产物98，以便实现第二混合物/载体产物98的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分74的预定固化度86和/或预定粘度88。并且在框260处，可以将第二混合物/载体产物98卷绕成卷91 (即，第二混合物/载体产物98的卷)。方法300和系统/工艺设备301还可以包括由参照上述方法100和系统/工艺设备101描述的框130和140表示的步骤。
现在将参照图10-11描述用于一起制造芯层24和外层29两者的方法400和系统/工艺设备401。(注意，该方法400和系统/工艺设备401与方法100和300以及系统/工艺设备101和301共享一些相同的特征。) 如上文结合方法300、系统/工艺设备301和图8-9所述，外层29可以用或不用石墨烯纳米片28以及用或不用中空微球46来制造，但是图10-11的方法400和系统/工艺设备401将被描述为如同将任选的石墨烯纳米片28和中空微球46包含在外层29中。在框110处，将石墨烯纳米片28分散在溶剂64中以产生石墨烯纳米片/溶剂混合物66。在框120处，将石墨烯纳米片/溶剂混合物66超声混合以便实现预定的均匀性水平68。在框150处，将石墨烯纳米片/溶剂混合物66与聚合物基质70组合以产生石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物72。在框160处，使至少大部分的溶剂64从石墨烯纳米片/溶剂/聚合物基质混合物72中蒸发以产生石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74。在框170处，根据压力分布76对石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74加压。在框180处，将石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74分散到第一载体膜78上。在框190处，将石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74和第一载体膜78传送通过刮刀布置单元80以便实现在第一载体膜78上的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74的预定厚度tP，从而产生第一混合物/载体产物82。在框220处，将石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74分散到第二载体膜92上。在框230处，将连续纤维长丝94或片材95置于第二载体膜92上的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物74上或其中以便实现预定的纤维体积分数FVF。在框240处，使用穿孔切割头96或激光器97在连续纤维长丝94或片材95中产生穿孔36，从而产生第二混合物/载体产物98。在框270处，将第一混合物/载体产物82与第二混合物/载体产物98堆叠，例如通过使用相应的辊77来重新定向第一混合物/载体产物82和第二混合物/载体产物98朝向双辊布置单元79，其将第一混合物/载体产物82和第二混合物/载体产物98堆叠在一起，从而产生组合的第一混合物/载体产物和第二混合物/载体产物82+98。在框280处，将第二混合物/载体产物98与第一混合物/载体产物82一起在烘箱84中加热(通过将组合的第一混合物/载体产物和第二混合物/载体产物82+98输送通过烘箱84)，以便实现第一混合物/载体产物82和第二混合物/载体产物98两者的石墨烯纳米片/聚合物基质混合物部分74的预定固化度86和/或预定粘度88。并且在框290处，将堆叠的第一混合物/载体产物82和第二混合物/载体产物98卷绕成卷93 (即，堆叠的第一混合物/载体产物82和第二混合物/载体产物98的卷)。方法400和系统/工艺设备401还可以包括由参照上述方法100和系统/工艺设备101描述的框130和140表示的步骤。
上述描述旨在说明而非限制。虽然本文所述的材料的尺寸和类型旨在说明，但它们绝不是限制性的，而是示例性实施方案。在以下权利要求中，术语“第一”、“第二”、“顶部”、“底部”等的使用仅用作标记，并且不旨在对它们的对象施加数值或位置要求。如本文所用，以单数叙述且前面有词语“一”或“一个”的要素或步骤应理解为不排除多个此类要素或步骤，除非明确陈述这样的排除。另外，短语“A和B中的至少一个”和短语“A和/或B”应当各自被理解为意味着“仅A、仅B、或A和B两者”。此外，除非明确相反地陈述，否则“包括”或“具有”具备特定性质的一个要素或多个要素的实施方案可以包括不具有该性质的附加的此类要素。并且当在本文中使用诸如“基本上”和“一般地”的广义描述性副词来修饰形容词时，这些副词意味着“对于大部分”、“到显著的程度”和/或“在很大程度上”，并且不一定意味着“完美地”、“完全地”、“严格地”或“全部地”。另外，词语“接近”在本文中可以用于描述物体或其一部分相对于另一物体或其一部分的位置，和/或描述两个物体或其相应部分相对于彼此的位置关系，并且可以意味着“接近”、“邻近”、“靠近”、“近旁”、“在”等。而且，注意，图1和5中所示的x-、y-和z-方向或轴遵循右手法则惯例，名义上分别表示宽度、长度和高度的方向。
附图中的流程图和框图图解了根据本公开的各个实施方案的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和/或操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、段或部分，其包括用于实施(一个或多个)指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还要注意，框图和/或流程图图解的每个框以及框图和/或流程图图解中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于硬件的系统或硬件和计算机指令的组合来实施。这些计算机程序指令还可以存储在计算机可读介质中，其可以引导控制器或其它可编程数据处理装置以特定方式工作，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括用于实施流程图和框图中指定的功能和/或动作的指令的制品。
本书面描述使用包括最佳模式的示例来使本领域技术人员能够制造和使用根据本公开的装置、系统和物质的组合物，以及执行方法。由包括等同物的以下权利要求限定本公开的范围。

Claims (10)

1.具有增强的导热性的聚合物夹层结构体，包括：
第一层，所述第一层由第一聚合物基质形成并且包括嵌入所述第一聚合物基质内的第一纤维增强片材；
第二层，所述第二层由第二聚合物基质形成并且包括嵌入所述第二聚合物基质内的第二纤维增强片材；以及
设置在所述第一层和第二层之间的第三层，所述第三层由具有散布在其中的石墨烯纳米片的第三聚合物基质形成；
其中所述第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个由增强纤维制成并且包括形成于其中的交错的不连续穿孔的相应组，其中每个交错的不连续穿孔的相应组限定具有相应第一长度的相应第一多根增强纤维和具有比所述相应第一长度更长的相应第二长度的相应第二多根增强纤维。
2.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述穿孔具有约10至300微米的平均宽度或直径和约100至60,000个穿孔/平方米的平均密度。
3.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述聚合物夹层结构体有效地使所述第一聚合物基质、第二聚合物基质和第三聚合物基质中的每一个能够通过从加热的模具向所述第一层连续施加热，在比所述第三聚合物基质不含所述石墨烯纳米片的情况少20%至50%的时间内，从(i)在将所述聚合物夹层结构体置于所述加热的模具中且所述第一层与所述加热的模具接触时的第一温度加热到(ii)至少预定的第二温度。
4.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第三聚合物基质包含至少50体积%的具有约10至100微米的平均直径的中空微球。
5.根据权利要求4所述的聚合物夹层结构体，其中所述中空微球是中空玻璃微球，并且其中所述第三聚合物基质包含大约0.46 g/cc的所述中空玻璃微球。
6.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的每一个包含热固性树脂基质，并且其中所述第一纤维增强片材和第二纤维增强片材中的每一个是用所述热固性树脂基质浸渍的预浸料。
7.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的每一个包含具有至少25体积%的短切纤维的热塑性聚合物。
8.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、玄武岩纤维或其任何组合。
9.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，其中所述第一聚合物基质和第二聚合物基质中的至少一个包含散布在其中的石墨烯纳米片。
10.根据权利要求1所述的聚合物夹层结构体，还包括设置在所述第二层的与所述第三层相对的表面上的第四层，所述第四层由具有散布在其中的石墨烯纳米片的第四聚合物基质形成。
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