專利名稱：制造復(fù)合材料的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造復(fù)合材料的方法和裝置。
背景技術(shù)：
在US5108780中，強(qiáng)化絲的單根纖維在以熱塑性涂料涂覆之前在真 空室中用等離子體輻照。以熱塑性涂料立即涂覆經(jīng)等離子體處理的纖維 產(chǎn)生了比當(dāng)纖維在被涂覆前即暴露于空氣或其它自由基淬滅物種時更強(qiáng) 的界面抗剪強(qiáng)度。
JP2005171432的摘要描述了用于聚合物復(fù)合物強(qiáng)化的纖維的制造方 法。該纖維在常壓下經(jīng)受第一等離子體處理，隨后于常壓下在含有氣態(tài) 烯烴或炔烴的介質(zhì)中經(jīng)受第二等離子體處理。在等離子體處理之后施以 粘合劑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方案提供了制造復(fù)合片材的方法，該方法包括
a. 在基本上為大氣壓的壓力下以等離子體在輻照區(qū)輻照纖維片材和/ 或基質(zhì)，和
b. 在粘接區(qū)以所述基質(zhì)浸漬所述纖維片材； 其中，工序a.和b.同時進(jìn)行。
本發(fā)明的第一方案輻照纖維片材(而不是單根纖維)并且同時進(jìn)行浸 漬工序從而產(chǎn)生以基質(zhì)浸漬過的纖維片材(通常在本領(lǐng)域中稱為"預(yù)浸 料")。這與只生產(chǎn)纖維的單絲的上述在先技術(shù)形成了對比。本方法使得 不必以中間產(chǎn)品(例如US5108780中的熱塑性涂料或者JP2005171432中 的烯烴/炔烴)處理纖維就能形成片材。
所述纖維片材可以完全浸漬，也可以只有部分浸漬從而形成所謂的
4"部分預(yù)浸料"。
在基本上為大氣壓的壓力下輻照是指輻照區(qū)不需要特殊的封閉體系。
通常來說工序b也在基本上為大氣壓的壓力下進(jìn)行，通常是在空氣 中進(jìn)行。這與需要在受控環(huán)境中(即，在真空中或者惰性氣體中)涂覆纖維
的US5108780的教導(dǎo)相反。
可以通過施用流體基質(zhì)熔融物來浸漬所述纖維片材，所述基質(zhì)也可 以在工序b期間處于片狀。直接施用流體基質(zhì)熔融物提供了可省去加工 步驟(形成基質(zhì)片材)的優(yōu)勢。然而，優(yōu)選的是使用基質(zhì)片材，這是因為這 對常規(guī)制造方法需要的修改較少，使得基質(zhì)更容易被輻照，并且如果需 要，可制備部分預(yù)浸料。
優(yōu)選所述纖維片材和/或所述基質(zhì)在步驟a期間保持移動，并且優(yōu)選 所述纖維片材在步驟b期間保持移動。這提高了該方法的速度，并且確 保均勻的輻照。
優(yōu)選該方法進(jìn)一步包括用少于30秒將所述纖維片材和/或所述基質(zhì) 從所述輻照區(qū)移動到所述粘接區(qū)。
本發(fā)明的第二方案提供了復(fù)合預(yù)浸料的制造裝置，該裝置包括-
等離子體源，所述等離子體源用于在基本上為大氣壓的壓力下以等 離子體輻照纖維片材和/或基質(zhì)，和
用于以所述基質(zhì)浸漬所述纖維片材的單元。
本發(fā)明的第三方案提供了復(fù)合材料的制造方法，該方法包括-
以等離子體輻照基質(zhì)，和
以經(jīng)輻照的所述基質(zhì)被覆填料。
本發(fā)明的第三方案認(rèn)識到輻照所述基質(zhì)可以(必要時與輻照所述填 料相結(jié)合)用于增強(qiáng)所述填料和所述基質(zhì)之間的粘接。所述填料可以是纖 維片材(與本發(fā)明的第一方案相符)，也可以是非纖維材料或單根纖維。
本發(fā)明的第四方案提供了用于制造復(fù)合材料的裝置，該裝置包括
用于以等離子體輻照基質(zhì)的等離子體源，和
用于以經(jīng)輻照的所述基質(zhì)被覆填料的單元。


現(xiàn)在將通過參照以下附圖描述本發(fā)明的實施方式 圖1顯示了復(fù)合預(yù)浸料的制造方法的第一步驟；和 圖2顯示了該方法的第二步驟。
具體實施例方式
參見圖1，所示的是用于制造基質(zhì)膜的裝置1。涂覆頭2包括裝有液 態(tài)基質(zhì)材料4("熔融物"或者分散液)的漏斗3。漏斗3的開口位于一對 輥筒5之間。液態(tài)基質(zhì)材料4通過輥筒5而被施用于從隔離紙巻7連續(xù) 送出的隔離紙6的片材的上表面。基質(zhì)膜8和隔離紙6的片材被巻繞在 輥筒10上。當(dāng)已經(jīng)形成所需尺寸的巻時，停止從涂覆頭流出基質(zhì)4，并 倒轉(zhuǎn)輥筒10。基質(zhì)膜8經(jīng)由導(dǎo)輥12被巻繞在輥筒上從而形成基質(zhì)膜巻 11。與此同時將隔離紙6回巻到隔離紙巻7上。隨后移去巻ll并且重復(fù) 該工序以形成圖2所示的基質(zhì)膜的另一巻13。
基質(zhì)材料4通常是聚合物，并且可以是熱固性的(例如環(huán)氧樹脂)或熱 塑性的(例如聚醚醚酮——PEEK)。
參見圖2，將纖維片材20從輥筒(未顯示)經(jīng)由一對導(dǎo)輥21、 22送 出。構(gòu)成片材20的纖維可以由諸如碳、玻璃、天然纖維或熱塑性塑料等 任何有機(jī)材料或無機(jī)材料制成。片材20可以是單向帶的形式或機(jī)織織物 的形式。將一對基質(zhì)膜從基質(zhì)膜巻11、 13經(jīng)由輥筒22、 23退巻。隨后 將該三層組裝體以加熱器24加熱并在三對壓固輥25之間壓縮。這使片 材浸漬有基質(zhì)材料從而形成預(yù)浸料26的片材。預(yù)浸料26在圖2中顯示 為兩層，但其實際上有效地變?yōu)閱螌拥慕?jīng)基質(zhì)浸漬的纖維。隨后將預(yù)浸 料26與一層隔離紙28共同巻在輥筒27上，所述隔離紙28從隔離紙巻 29退巻并通過一對輥筒30、 31而被施用于預(yù)浸料。
在進(jìn)入粘接區(qū)(概括地在32標(biāo)出，由輥筒22、 33、加熱器24和壓固 輥25界定)之前，纖維片層20和/或來自巻11、 13的基質(zhì)膜在輻照區(qū)(概 括性地標(biāo)為33)受到等離子體的輻照。圖2中顯示了三個等離子體源-*第一源40，其指向輥筒22的輥隙從而輻照纖維片材與下部基質(zhì)
膜的相對的那些面； *第二源41，其指向輥筒23的輥隙從而輻照纖維片材與上部基質(zhì)
膜的相對的那些面；和 第三源42，其只指向上部基質(zhì)膜。
雖然圖2中顯示了三個源，但可以按照需要使用更多或更少的等離 子體源。因此一般來說，可以使用等離子體源只輻照纖維片材；只輻照 一層或兩層基質(zhì)膜；或者輻照纖維片材和一層或兩層基質(zhì)膜(如圖2所 示)。
每一等離子體源可以是例如
由加拿大蒙特利爾的Plasmatec Inc.提供的"Plasmatec"等離子體 單元；
由英國塔姆沃思的Dyne Technology Ltd.提供的"Tantec"等離子 體單元；或者
由英國豪斯羅工商區(qū)(Hounslow Business Park)的Adtec Europe Ltd(UK)提供的"AX系列"等離子體單元。
等離子體源在基本上為大氣壓的壓力下產(chǎn)生等離子體。這意味著不 需要將等離子體源像在US5108780中那樣安放在真空室中，而是可以與
裝置的其余部分一起在正常條件(即在大氣壓力下的空氣中)下安放。
輻照工序和浸漬工序同時進(jìn)行，而不是像分批法(batch process)那樣 依次進(jìn)行。這使得纖維片材在輻照之后當(dāng)活性自由基依然存在時即被迅 速浸漬。
輥筒持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而使纖維片材和基質(zhì)膜在輻照和浸漬期間保持移動。
等離子體可以在環(huán)境溫度或更高溫度中產(chǎn)生，并且可以是諸如氧、 氬和氮等氣體以任意比例混合從而形成處理材料所需的離子物種的任意 混合物。例如，等離子體可以是
氮/氬
*氮/氧
7 氮/氧/氬 *空氣
雖然圖2中只顯示了三個等離子體源，但取決于片材20的幅寬，可 以以陣列(即，在圖2的平面之外)布置更多的等離子體源以輻照纖維片材 和/或基質(zhì)膜的全部幅寬。所述幅寬可以為3毫米 20米。
對纖維和/或基質(zhì)的輻照在它們的表面上產(chǎn)生自由基并且增強(qiáng)預(yù)浸 料中這些成分之間的粘接。這些自由基具有有限的停留時間(dwdltime)， 因此將等離子體源40 42放置得足夠接近輥筒22、 23，并且輥筒以足夠 的速度運(yùn)轉(zhuǎn)，從而確保在輻照之后盡快(通常在輻照之后不到30秒，優(yōu)選 在輻照之后不到1秒)通過輥筒22、 23將這些片層聚集在一起。雖然這一 工序的速度可以高達(dá)400米/分鐘，但通常以2米/分鐘 10米/分鐘進(jìn)行。
在纖維片材與基質(zhì)結(jié)合之前不對纖維片材施用單獨的粘合劑。
預(yù)浸料可以用于形成諸如機(jī)翼蒙皮(wingskin)、長桁(stringer)、翼 梁(spar)、機(jī)翼通路板(wing access panel)或擾流器等飛行器部件；或諸如
自行車架、工業(yè)制品、體育用品、汽車產(chǎn)品、風(fēng)能產(chǎn)品或航海產(chǎn)品(如船 殼)等非飛行器部件。
雖然以上通過參照一個或多個優(yōu)選的實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了描 述，但應(yīng)該認(rèn)識到的是可以做出各種變化或修改，而不背離如所附權(quán)利 要求書中所限定的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種制造復(fù)合片材的方法，所述方法包括a. 在基本上為大氣壓的壓力下以等離子體在輻照區(qū)輻照纖維片材和/或基質(zhì)，和b. 在粘接區(qū)以所述基質(zhì)浸漬所述纖維片材；其中，工序a. 和b.同時進(jìn)行。
2. 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，工序b.在基本上為大氣壓的壓 力下進(jìn)行。
3. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述基質(zhì)在工序b. 期間為片狀。
4. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述纖維片材和/ 或所述基質(zhì)在工序a.期間保持移動。
5. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述纖維片材在工 序b.期間保持移動。
6. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，工序b.在空氣中進(jìn)行。
7. 如前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括用少 于30秒將所述纖維片材和/或所述基質(zhì)從所述輻照區(qū)移動至所述粘接區(qū)。
8. 通過前述權(quán)利要求中任一項所述的方法制造的復(fù)合片材。
9. 一種復(fù)合片材的制造裝置，所述裝置包括-a. 用于在基本上為大氣壓的壓力下以等離子體輻照纖維片材和/或 基質(zhì)的等離子體源，和b. 用于以所述基質(zhì)浸漬所述纖維片材的單元。
10. —種制造復(fù)合材料的方法，所述方法包括a. 以等離子體輻照基質(zhì)，和b. 以經(jīng)輻照的所述基質(zhì)被覆填料。
11. 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，工序a.在基本上為大氣壓的 壓力下進(jìn)行。
12. 如權(quán)利要求10或11所述的方法，其中，工序b.在基本上為大氣 壓的壓力下進(jìn)行。
13. 如權(quán)利要求10 12中任一項所述的方法，其中，所述填料包括片材。
14. 如權(quán)利要求10 13中任一項所述的方法，其中，所述基質(zhì)包括 片材。
15. 如權(quán)利要求10 14中任一項所述的方法，其中，所述基質(zhì)在工 序a.中隨著其移動穿過輻照區(qū)而被輻照；并且在工序b.中隨著其移動穿 過粘接區(qū)而被覆所述填料。
16. 如權(quán)利要求10 15中任一項所述的方法，其中，工序a.和工序 b.同時進(jìn)行。
17. 如權(quán)利要求10 16中任一項所述的方法，其中，工序b.在空氣 中進(jìn)行。
18. 如權(quán)利要求10 17中任一項所述的方法，其中，所述基質(zhì)在工 序a.中在輻照區(qū)被輻照，并在工序b.中在粘接區(qū)被覆所述填料，并且其 中，所述方法進(jìn)一步包括用少于30秒將所述基質(zhì)從所述輻照區(qū)移動至所 述粘接區(qū)。
19. 通過權(quán)利要求10 18中任一項所述的方法制造的復(fù)合材料。
20. —種復(fù)合材料的制造裝置，所述裝置包括a. 用于以等離子體輻照基質(zhì)的等離子體源，和b. 用于以經(jīng)輻照的所述基質(zhì)被覆填料的單元。
全文摘要
本發(fā)明涉及制造復(fù)合片材的裝置和方法，所述方法包括a.在基本上為大氣壓的壓力下以等離子體在輻照區(qū)(33)輻照纖維片材(20)和/或基質(zhì)(11、13)，和b.在粘接區(qū)(32)以所述基質(zhì)浸漬所述纖維片材；其中，工序a.和工序b.同時進(jìn)行。
文檔編號B29C59/14GK101500771SQ200780029379
公開日2009年8月5日 申請日期2007年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月7日
發(fā)明者大衛(wèi)·因斯通 申請人:空中客車英國有限公司