專利名稱：熱塑性復(fù)合材料的帶材鋪敷方法
熱塑性復(fù)合材料的帶材鋪敷方法
背景技術(shù)：
目前，復(fù)合材料在各種適用領(lǐng)域中通常被用作結(jié)構(gòu)材料。這樣的領(lǐng)域之一即航 空業(yè)，在航空業(yè)中結(jié)構(gòu)復(fù)合材料用于形成比例越來越高的航空器結(jié)構(gòu)件。本說明書中， 復(fù)合材料被認為是以纖維或網(wǎng)(最常見的是碳纖維，但也可以是其它材料的纖維或金屬 網(wǎng))增強的聚合物基體。復(fù)合材料傾向于屬于下述兩類主要材料之一，所述兩類主要材 料為具有熱塑性基體的復(fù)合材料和具有熱固性基體的復(fù)合材料。熱固性復(fù)合材料需要被 固化，固化是通常通過加熱和可選地加壓而使聚合物基體的化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生不可逆變化的 工藝。一經(jīng)固化，熱固性復(fù)合材料就會具有其最終的剛性、硬度和強度性質(zhì)，而不能回 復(fù)至其未固化的可塑狀態(tài)。相反，熱塑性復(fù)合材料不需要固化，在冷卻時具有其所需的 結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并在加熱時軟化。熱塑性復(fù)合材料可以反復(fù)通過加熱而軟化和通過冷卻而硬 化，因為當被加熱時它們基本進行物理變化而非化學(xué)變化。熱塑性和熱固性復(fù)合材料都可以形成被稱作帶材的薄的柔性片材或條帶。這使 復(fù)合材料組件可以通過將復(fù)合材料帶材鋪敷在模具中而形成，組件的厚度可以根據(jù)所鋪 敷的復(fù)合材料帶材的層數(shù)而局部有所不同，此外也可以控制一層或多層帶材的方向，從 而控制所形成的復(fù)合材料組件的最終結(jié)構(gòu)性質(zhì)。所鋪敷的組件然后要被“固化”，固化 是下述工藝對于上述兩種復(fù)合材料而言，都涉及加熱復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件以使熱固性或熱 塑性基體達到充分程度的軟化，從而形成單一的成為一體的基體，和對軟化的基體施加 充分的壓力以從基體中排出任何殘存的空氣。對于最終結(jié)構(gòu)性質(zhì)而言，相對于熱固性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料具有更高的 抗沖擊性和抗損傷性，并且通常更堅韌和更耐化學(xué)侵蝕，所有這些都是航空應(yīng)用中的優(yōu) 選性質(zhì)。此外，由于熱塑性復(fù)合材料可以反復(fù)再加熱和再成型，因此本身是可再循環(huán) 的，這是日益重要的一個考慮因素。然而，熱固性復(fù)合材料帶材具有一個通常與鋪敷工序相關(guān)的性質(zhì)，所述性質(zhì)使 其成為用于航空復(fù)合材料組件中的可選擇的材料。該性質(zhì)為熱固性帶材本身是粘性的， 或者說具有粘性。這種粘性使熱固性帶材可以粘附于航空業(yè)中復(fù)合材料組件通常所需的 兩個復(fù)雜形狀的模具表面上，并且對于熱固性帶材的分離的層而言，一旦已將初始層鋪 敷于模具表面上，就可以相互粘附，由此使鋪敷工序的物理操作較為容易和方便。相反，熱塑性復(fù)合材料不具有粘性。因此，在鋪敷工序過程中，使熱塑性復(fù)合 材料帶材粘附于復(fù)雜模具的表面是成問題的?，F(xiàn)有的鋪敷技術(shù)將局部固化和熱塑性復(fù)合 材料的熔融結(jié)合起來，以使初始層、基層能夠疊合起來，只要基層牢牢地固定于模具的 表面即可。以前提出的該問題的解決方法包括將單獨的雙面膠帶作為初始層應(yīng)用于模具 表面，然后于其上粘附第一層熱塑性復(fù)合材料帶材。類似地，還提出過對模具的表面噴 灑粘合劑。雖然所提出的這兩種解決方案都可使第一層熱塑性復(fù)合材料帶材成功地貼附 于復(fù)雜形狀的模具表面，但是，它們帶來了其自身的問題，即，當鋪敷工序完成時如何 隨后從模具中取出所形成的復(fù)合材料組件的問題，因為此時組件已有效地連接于模具表 面。因此，盡管熱塑性復(fù)合材料可提供較好的物理性質(zhì)，目前仍優(yōu)選使用熱固性復(fù)合材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面提供了一種將熱塑性復(fù)合材料鋪敷在模具中的方法，所述方 法包括提供具有模具表面的模具，該模具的至少一部分包含多孔材料；對該多孔材料 施加負壓以在模具表面處產(chǎn)生負壓；將熱塑性復(fù)合材料的初始層鋪敷在該模具表面上， 由此憑借模具表面處的負壓使熱塑性復(fù)合材料貼靠在模具表面上；和固化該熱塑性復(fù)合 材料，所述固化步驟包括加熱該熱塑性復(fù)合材料。優(yōu)選的是，多孔材料包含微孔金屬，例如可加工的微孔鋁等。作為補充或另外一種選擇，固化熱塑性復(fù)合材料的步驟可以包括局部加熱該材 料。優(yōu)選的是，局部加熱步驟包括激光熔接該熱塑性復(fù)合材料。作為補充或另外一種選擇，所述方法還可以包括隨后鋪敷和固化該熱塑性復(fù)合 材料的后繼的層。作為補充或另外一種選擇，所述方法還可以包括，在固化步驟之后，通過多孔 材料對模具表面施加正壓，以將該固化的熱塑性復(fù)合材料從模具上剝離下來。熱塑性復(fù)合材料可以以帶材形式提供，并可因此使用自動帶材鋪敷技術(shù)來鋪對多孔材料施加負壓的步驟可以包括對除了模具表面之外的多孔材料的一部分 施加至少部分真空。模具可以包含至少一個由非多孔材料形成的區(qū)域，所述區(qū)域形成模具表面的一 部分。


下面將參照以下附圖，通過僅為非限制性的說明性實施例來描述本發(fā)明的實施 方式圖1示意性地說明了本發(fā)明的實施方式的微孔模具的使用。
具體實施例方式圖1示意性地說明了本發(fā)明的實施方式的熱塑性復(fù)合材料的改進的帶材鋪敷方 法。模具1設(shè)置有模具表面3，所述模具表面3界定了擬形成的復(fù)合材料組件的所需外表 面形狀和構(gòu)造。形成模具表面3的模具部分自身是由多孔材料形成的，所述多孔材料的 一個實例為微孔鋁。整個模具1可以由多孔材料形成，或者作為另外一種選擇，多孔材 料5可以僅用在模具表面3的緊鄰區(qū)域，而模具1的其它部分由如軟鋼等其它適當?shù)姆嵌?孔材料形成。多孔材料5具有形成于其中的空氣通道7的迷宮，所述迷宮可以通過加入 固體障礙物和控制閥來分區(qū)。為鋪敷本發(fā)明的實施方式的熱塑性帶材8的初始層，對模具1中的空氣通道7施 加負壓，以使空氣隨之通過多孔材料5抽離，由此在模具表面3處形成負壓區(qū)域。然后， 將熱塑性復(fù)合材料帶材或?qū)挿椢锉砻嫦〔?scrim)以所需構(gòu)造鋪敷于模具表面上，并借 助于通過多孔材料5中的孔和模具1中所形成的空氣通道7而對模具表面施加的負壓，使熱塑性復(fù)合材料帶材貼靠在模具表面3上。在優(yōu)選實施方式中，熱塑性復(fù)合材料帶材8 的各部分在固化工序中相互熱熔接?？梢酝ㄟ^使用將局部加熱裝置并入帶材鋪敷頭中的 已知自動帶材鋪敷機來同時實現(xiàn)熔接操作和帶材鋪敷工序。例如，帶材鋪敷頭可以包含 紅外激光器，以實現(xiàn)局部加熱和熔接工序。熱塑性復(fù)合材料帶材8的后繼的層也被熱固 化至之前鋪敷的復(fù)合材料帶材上。當整個復(fù)合材料組件都已鋪敷在模具中并被同時固化 時，可以通過下述方式從模具1中剝離組件僅僅是機械地從模具中取出整個組件(即， 僅僅是提升操作)，或者通過對空氣通道7施加正壓，以通過微孔材料5中的孔在模具表 面3處施加正壓，有效地“吹動”模具1中的完成的復(fù)合材料組件，由此促進其從模具 中剝離。適用于本發(fā)明的實施方式的多孔材料5通常具有經(jīng)測量為數(shù)十微米的平均孔 徑。例如，微孔鋁通常具有約15微米的平均孔徑，提供的材料的總孔隙率為約15%。 較小孔徑的所述多孔材料連同具有較高粘度特性的熱塑性基體即使被加熱至足以進行固 化時，也會阻止熱塑性材料被吸入孔中，由此確保了所形成的復(fù)合材料組件的高品質(zhì)的 表面光潔度，并防止了帶材鋪敷工序過程中發(fā)生孔堵塞。如前文所述，熱塑性材料必須被加熱，以將分離的片固化為一體的熱塑性基 體。所述固化開始發(fā)生時的溫度通常被稱為玻璃化轉(zhuǎn)變(Tg)溫度，其隨具體的熱塑性 基體材料而不同。例如，PEEK的Tg為143 0C，PEKK的Tg為156°C，PPS的Tg為 89°C。取決于所采用的固化工藝，使用Tg高于針對所選多孔材料所規(guī)定的最高許用模具 溫度的熱塑性基體材料是可能的，因為例如若采用激光熔接固化，則加熱將高度局部化 并且較為短暫，這使傳遞至多孔材料的熱量不足以將模具材料的溫度升至超過其許用最 高溫度。多孔材料的導(dǎo)熱性也是一個有益因素，因為具有較高導(dǎo)熱性的多孔材料傾向于 從局部化的熱源(即，帶材鋪敷和熔接頭)導(dǎo)出過多的熱量，由此減輕熱量在多孔材料內(nèi) 的迅速局部累積。同樣的是，如果多孔模具材料的最高許用溫度高于所選熱塑性基體材 料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，則可以且優(yōu)選通過鋪敷層的全體加熱(例如通過在常規(guī)加熱爐中 進行鋪敷操作)來進行熱塑性材料的固化，盡管這么做仍需要至少局部熔接上覆層以使 鋪敷的疊層結(jié)合在一起。通過對多孔材料5的模具表面3施加負壓(例如通過將空氣通道7連接于真空 泵)，熱塑性帶材牢固貼靠在多孔材料的模具表面，其中，所述模具表面具有復(fù)雜的形 狀，或者若非如此則熱塑性帶材將因重力而從模具表面墜落。對于即使不對多孔模具材 料施加負壓熱塑性帶材也不容易移動的模具區(qū)域(如水平模具表面區(qū)域)，這些區(qū)域可以 使用非多孔級的模具材料形成(優(yōu)選使用同樣的模具材料，以避免因不同材料的不同熱 膨脹和收縮速率引起的任何問題)。另外，在本發(fā)明的某些實施方式中，多孔材料5可以 通過在其它非多孔材料中鉆許多獨立的孔而形成。不過，這不是優(yōu)選實施方式，因為鉆 孔加工本身是耗時的，并且所獲得的孔相對于所選熱塑性基體材料仍必須足夠小，以避 免當熱塑性帶材在固化過程中被加熱時流入孔中并將孔堵塞。
權(quán)利要求
1.一種將熱塑性復(fù)合材料鋪敷在模具中的方法，所述方法包括提供具有模具表面的模具，所述模具的至少一部分包含多孔材料；對所述多孔材料施加負壓以在所述模具表面處產(chǎn)生負壓；將熱塑性復(fù)合材料的初始層鋪敷在所述模具表面上，由此借助所述模具表面處的負 壓使所述熱塑性復(fù)合材料貼靠在模具表面上；和固化所述熱塑性復(fù)合材料，所述固化步驟包括加熱所述熱塑性復(fù)合材料。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述多孔材料包括微孔金屬。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其中，所述固化所述熱塑性復(fù)合材料的步驟包括局 部加熱所述材料。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述局部加熱步驟包括激光熔接所述熱塑性復(fù)合 材料。
5.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，所述方法還包括隨后鋪敷和固化熱塑性 復(fù)合材料的后繼的層。
6.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，所述方法還包括，在所述固化步驟之 后，通過所述多孔材料對所述模具表面施加正壓，以將固化的所述熱塑性復(fù)合材料從所 述模具上剝離下來。
7.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，所述熱塑性復(fù)合材料以帶材形式 提供，并使用自動帶材鋪敷技術(shù)鋪敷。
8.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，所述對所述多孔材料施加負壓的 步驟包括，對除了所述模具表面之外的所述多孔材料的一部分施加至少部分真空。
9.如前述權(quán)利要求中的任一項所述的方法，其中，所述模具包含至少一個由非多孔 材料形成的區(qū)域，所述區(qū)域形成所述模具表面的一部分。
全文摘要
一種將熱塑性復(fù)合材料鋪敷在模具(1)中的方法，所述方法包括提供具有模具表面(3)的模具，模具的至少一部分包含多孔材料；對多孔材料(5)施加負壓以在模具表面處產(chǎn)生負壓；將熱塑性復(fù)合材料的初始層(8)鋪敷在模具表面上，由此憑借模具表面處的負壓使熱塑性復(fù)合材料貼靠在模具表面上；和固化熱塑性復(fù)合材料。
文檔編號B29C70/30GK102015260SQ200980114466
公開日2011年4月13日 申請日期2009年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月23日
發(fā)明者彼得·比爾查爾 申請人:空中客車操作有限公司