CN107972206B - 树脂浸渍前将催化剂***干纤维 - Google Patents

Abstract

本发明涉及树脂浸渍前将催化剂***干纤维。提供***和方法用于使用封装的催化剂制造增强的碳纤维层压件。一个实施方式是一种方法，其包括获取一批干纤维和获取一批催化剂胶囊，其每个包括加速树脂的单体聚合的催化剂和封装催化剂并在固化温度下液化的壳。方法进一步包括在干纤维中散置催化剂胶囊，并在纤维内散置催化剂胶囊后利用树脂浸渍纤维。

Description

树脂浸渍前将催化剂***干纤维

技术领域

本公开内容涉及复合材料领域，并且具体地涉及使用热固性纤维——尤其是碳纤维——的材料。

背景技术

碳纤维的预先浸渍的(“预浸料”)层压件可以以一系列的层片(碳纤维带的丝束/分段)层叠，其被布置为复合形状，然后被固化为具有期望物理性质的复合部件(如，碳纤维增强聚合物(CFRP)部件)。预浸渍层压件可以首先被制造为一批彼此平行取向的干碳纤维，然后其可以使用热固性树脂浸渍。树脂可以包括，例如，多官能环氧单体的液体悬浮物，其化学反应以形成将碳纤维结合在一起的固体聚合物。由于聚合的速率可能特别低(如，在不适合大量制造的时间尺度上操作)，将催化剂包括在树脂内以加速单体的聚合速率。然后可以将预浸料层叠为期望的形式并固化。

然而，平衡催化剂、单体和纤维的比例依然是复杂的过程。由于层压件可以被制造为形成期望形状的一系列层，对于树脂在室温下保留足够的粘合性(粘着性)从而确保层片彼此粘附同时在升高的温度下依然固化(参与加速的聚合)是期望的。

预浸渍层压件的固化动力学决定了工作寿命和固化时间之间平衡被打破。工作寿命对应层片在固化之前展现粘着性(例如在室温下)的时间的量。对于在树脂内使用大量的催化剂的预浸渍层压件，工作寿命缩短并且树脂快速变成粘性的，其对层叠过程不利。也就是说，虽然增加量的催化剂可以提供高度加速的固化时间，但是它们也可导致层压件的不实用短的工作寿命(“贮存期(pot life)”)。相反，如果使用不足够的催化剂，那么固化时间被延长，其降低效率。

某些预浸渍层压件可以使用树脂内热活化催化剂，从而选择性地引发加速的聚合并由此增加工作寿命。然而，在浸渍过程期间，树脂内的热活化催化剂可能不能充分地渗透碳纤维之间，导致树脂遍及得到的预浸渍层压件的不均匀分布(并因此不均匀固化特性)，这是不期望的。在进一步实施方式中，代替预浸渍层压件，可以使用干的预形成层压件，其包括拥有三维(3D)形状的一批干纤维。

至少出于上面讨论的原因，找到均匀展现工作寿命和固化时间的期望性质的增强的预浸渍层压件是期望的。

发明内容

本发明在以树脂浸渍纤维之前有益地在一批干纤维之内/向一批干纤维散置和/或结合和/或吸引催化剂胶囊(如，响应热而释放催化剂的胶囊)，干纤维优选为碳纤维。

因为干纤维容易被施加的力偏转，所以催化剂胶囊渗透深入一批纤维的能力被增强。因此，在浸渍过程之前添加催化剂胶囊有益地增加催化剂胶囊在得到的层压件中均匀分散的能力，其确保层压件展现涉及固化时间和/或工作寿命的均匀特性。

本发明涉及一种方法，其包括获得一批干纤维和一批催化剂胶囊，其每个包括加速树脂的单体的聚合的催化剂。壳封装催化剂并在预定条件下破裂。胶囊壳在固化温度下液化。方法进一步包括在干纤维内散置催化剂胶囊。方法进一步包括吸引和/或附着散置的催化剂胶囊至干纤维中一个或多个。催化剂胶囊优选地由吸引或粘附至干纤维(例如干碳纤维)的材料制成或涂覆，但是该材料在树脂中不溶解。这类材料可以包括多环芳香烃。

催化剂胶囊和/或碳纤维的一个或多个可以被提供有环氧胶，从而提供胶囊和纤维之间的共价结合。

具体地，本发明提供了方法，该方法提供预成型件和树脂，用于混合在一起以提供复合部件的组合物，方法包括如下步骤：

获得一批干纤维，优选地为干碳纤维；

获得一批催化剂胶囊，每个胶囊包括催化剂和封装催化剂的壳，该壳在预定条件下是可破裂的，由此释放封装的催化剂；

获得用于浸渍该批干纤维的树脂，其中催化剂加速树脂中单体的聚合；

在干纤维中散置催化剂胶囊；

吸引和/或附着催化剂胶囊至干纤维的一个或多个；

其中用于浸渍该批干纤维的树脂是无催化剂树脂。

由于催化剂被包含在胶囊中——该胶囊被散置在干纤维内，并且还被吸引和/或结合至干纤维，所以不需要树脂包括任何催化剂，并且在树脂浸渍期间催化剂胶囊保留在纤维上。

可选地，本发明中使用的纤维不需要是干燥的。

干纤维在本领域内被理解为还没有暴露至固化树脂的纤维。

在干纤维内散置催化剂胶囊和吸引和/或附着散置的催化剂胶囊至干纤维后，可以利用树脂浸渍后者，凭此达到壳破裂释放催化剂的预定条件，由此催化树脂单体的聚合。

催化剂胶囊可以通过提供带有静电电荷的纤维被吸引和/或附着至纤维，优选地通过下面的一种或多种：

经由静电，例如通过施加电荷至胶囊，优选地通过电子枪；

经由化学反应，例如通过施加经由酸/碱化学浴的胶囊至纤维，或其中胶囊被包括在施加至纤维的化学悬浮物中；

经由范德华力。

利用布置在纤维中一个或多个的表面上的表面特征或胶料(sizing)，纤维中一个或多个可以在散置期间吸引和/或附着催化剂胶囊，和/或在浸渍期间吸引和/或附着树脂单体，该表面特征优选地包括一个或多个碳纳米管，和/或一个或多个聚合结构。

在纤维中散置催化剂胶囊可以包括下面工艺步骤中的一个或多个：

吹送催化剂胶囊通过干纤维；

梳刷(combing)催化剂胶囊通过干纤维；

利用拉杆分开纤维，并筛滤(sifting)催化剂胶囊通过纤维。

可以通过下面工艺步骤中的一个或多个进行破裂胶囊壳的步骤：

加热催化剂胶囊至预定的温度条件，从而液化壳并从胶囊释放催化剂以与树脂混合并由此加速树脂单体的聚合，该温度优选地为树脂的固化温度；

使壳——其进一步包括壳中气囊——经历预定压力，在该预定压力下壳破裂以释放树脂单体聚合催化剂；

使壳——其进一步包括壳中气囊——经历预定温度，该温度引起该气囊膨胀并使壳破裂以释放树脂单体聚合催化剂；

加热催化剂胶囊至预定温度，凭此包含在壳中的第二催化剂熔化从而释放树脂聚合催化剂。

在催化剂胶囊破裂后，可以进行固化步骤从而提供复合部件。本发明还涉及在该过程中可获得的复合部件和包括这类复合部件的飞行器。

本发明还涉及用于复合部件的预成型件，该预成型件包括：

干纤维，和

散置在干纤维中的催化剂胶囊，每个催化剂胶囊包括壳和封装在壳内的催化剂，该催化剂加速固化预成型件中可使用的树脂单体的聚合，其中纤维的一个或多个配置为吸引和/或附着散置的催化剂胶囊至纤维的表面。

配置干纤维以吸引和/或附着催化剂胶囊至其上意思是获得催化剂在纤维中的提高的分布并且还消除了在浸渍之前在树脂内包括催化剂的必需性。

通过干纤维中一个或多个的表面上布置的特征或胶料优选地配置干纤维，该表面特征或胶料优选地包括下面中的一个或多个：

碳纳米管，

聚合结构，该聚合结构任选地被预先提供有捕集在其中的一定量的催化剂胶囊。

还可以通过向干纤维的一个或多个的表面提供静电电荷配置干纤维。

预成型件可以具有下面的技术特性中的一个或多个：

·干碳纤维与催化剂胶囊的体积比为十比一和二比一之间，优选地，其中干碳纤维与催化剂胶囊的体积比为五比一；

·其中催化剂胶囊是球形并且干碳纤维是圆柱形，优选地其中催化剂胶囊的直径为干碳纤维的直径的五分之一；

·其中催化剂胶囊是圆柱形并且干碳纤维是圆柱形，优选地其中催化剂胶囊的直径为在干碳纤维的直径的五分之二和五分之三之间；

·具有沿干碳纤维的圆周附着至每个干碳纤维的多个催化剂胶囊。

催化剂胶囊可以包括下面中的一个或多个：

·具有二和三微米之间的厚度的细长的纤丝，

·具有纤维厚度的五分之二和五分之三之间的厚度的细长的纤丝，

·催化剂胶囊是球形并且具有一微米的直径，

·催化剂胶囊的直径为干纤维的厚度的五分之一。

催化剂胶囊还可以包含：

在预定温度下熔化从而释放树脂聚合催化剂的第二催化剂；和/或

壳内的气囊，其在预定压力下使壳破裂以释放树脂单体聚合催化剂。

本发明还涉及提供预成型件的方法，其包括以下步骤：获得一批干纤维，配置所述批干纤维的一个或多个以吸引和/或附着催化剂胶囊至其上；在干纤维内散置催化剂胶囊和吸引和/或附着催化剂胶囊至干纤维的一个或多个，该催化剂胶囊包括催化剂和封装催化剂的壳，该壳是在预定条件下可破裂的，由此释放封装的催化剂。

本发明还涉及***，其包括干碳纤维和催化剂胶囊的供给，该***还包括在干碳纤维内散置催化剂胶囊的装置。

装置可以包括用于在干纤维内散置催化剂胶囊的机构、用于利用无催化剂树脂浸渍干纤维的机构、用于将胶囊粘着至纤维的机构和用于层叠预成型件的机构。

本发明还涉及一种方法，其包括利用无催化剂树脂浸渍干纤维，在树脂浸渍的纤维内散置催化剂胶囊，将胶囊粘着至纤维和层叠预成型件。

可选地，在散置催化剂胶囊于树脂之前，可以为干纤维提供增粘剂，然后将催化剂胶囊粘着至纤维并层叠预成型件。

下面可以描述其它实例(如，涉及前述实施方式的方法和计算机可读介质)。

本发明还涉及下面的条款，其不与权利要求混淆：

1.一种提供用于复合部件的预成型件的方法，该方法包括如下步骤：

获得一批干纤维，优选地为碳纤维

获得一批催化剂胶囊，每个胶囊包括加速树脂的单体的聚合的催化剂和封装催化剂的壳，该壳在预定条件下是可破裂的，由此释放封装的催化剂；和

在干纤维中散置催化剂胶囊。

2.根据条款1的方法，进一步包括在纤维内散置催化剂胶囊后利用树脂浸渍纤维的步骤。

3.条款1或2的方法，进一步包括在利用树脂浸渍纤维之前将催化剂胶囊结合至干纤维。

4.根据条款3的方法，其中通过下面中的一个或多个将催化剂胶囊结合至干纤维：

·经由静电，例如通过施加电荷至胶囊，优选地通过电子枪，

·经由化学反应，例如通过经由化学浴施加胶囊至纤维，或其中胶囊被包括在施加至纤维的化学悬浮物中，

·经由范德华力。

换句话说，纤维被预配置为吸引和/或结合催化剂胶囊至其上。

5.条款1-4中任一项的方法，进一步包括通过加热催化剂胶囊至预定温度条件使胶囊壳破裂以液化壳并从胶囊释放催化剂从而与树脂混合并由此加速树脂的聚合的步骤。预定温度可以在树脂的固化温度以下，其将允许催化剂与树脂混合和在固化开始前纤维的完全湿润，或在树脂的固化温度处/以上。

6.根据前述条款中任一项的方法，其中催化剂胶囊不包含树脂。

7.根据条款5或6的方法，其中聚合的树脂比树脂单体更粘。

8.根据前述条款中任一项的方法，其中利用树脂浸渍纤维包括引起树脂在干纤维之间流动以形成占据干纤维之间的空间的树脂基体。

9.根据前述条款中任一项的方法，其中干纤维配置为通过例如纤维上的表面特征——诸如吸引树脂单体的胶料/化学处理——和/或通过促进树脂润湿纤维的纤维表面修饰吸引树脂单体。

10.根据条款9的方法，其中当纤维表面特征包括胶料时，胶料与树脂化学反应，或当表面特征包括表面修饰时，表面修饰被树脂润湿，在两种情况下，然后催化剂被从催化剂胶囊释放。

11.根据条款9或10的方法，其中纤维的表面特征包括纳米管。

12.根据前述条款5-11中任一项的方法，其中催化剂壳包括在预定温度下熔化从而释放树脂聚合催化剂的第二催化剂。

13.根据前述条款中任一项的方法，其中用于破裂壳的预定条件包括壳内的气囊，其在压力下使壳破裂以释放树脂聚合催化剂。

14.根据前述条款中任一项的方法，其中在干纤维中散置催化剂胶囊包括弯曲和/或偏转干纤维，由此使胶囊能够渗透深入该批纤维而没有干扰。

15.根据条款14的方法，其中散置催化剂包括下面中的一个或多个：

·吹送催化剂胶囊通过纤维，

·梳刷催化剂胶囊通过纤维，

·利用拉杆分开纤维，并筛滤催化剂胶囊通过纤维。

16.前述条款2-15中任一项的方法，其中：

催化剂胶囊占树脂、催化剂胶囊和纤维的组合体积的百分之十和百分之十五之间，和/或

树脂占树脂、催化剂胶囊和纤维的组合体积的百分之三十和百分之三十五之间，和/或

纤维占树脂、催化剂胶囊和纤维的组合体积的百分之五十和百分之六十之间。

17.根据前述条款2-16中任一项的方法，其中树脂是无催化剂树脂。

18.根据前述条款中任一项的方法，其中催化剂胶囊包括下面中的一个或多个：

·具有二和三微米之间的厚度的细长的纤丝，

·具有纤维厚度的五分之二和五分之三之间的厚度的细长的纤丝。

19.根据前述条款中任一项的方法，其中：

催化剂胶囊是球形的并具有一微米的直径，和/或

催化剂胶囊的直径为纤维厚度的五分之一。

20.根据前述条款中任一项的方法，进一步包括：

在低于固化温度的粘着性温度下粘着预成型件，在固化温度下催化剂胶囊的壳破裂。

21.根据前述条款中任一项的方法，进一步包括：

加热预成型件和压缩预成型件。

22.根据前述条款2-21中任一项的方法，其中利用树脂浸渍预成型件的步骤破坏催化剂胶囊和干纤维之间的结合。

23.根据前述条款3-22中任一项的方法，其包括在先前由结合的催化剂胶囊占据的位置处利用树脂润湿纤维的进一步步骤。

24.根据前述条款中任一项的方法，其中利用树脂浸渍预成型件包括利用真空袋覆盖预成型件；和在拉拽树脂通过预成型件的同时压缩预成型件。

25.根据前述条款中任一项的方法，进一步包括固化预成型件以提供复合部件。

26.根据条款25的方法，其中在固化之前，层叠预成型件并布置为预定形状。

27.复合部件的预成型件，预成型件包括：

干纤维，优选为碳纤维；和

散置在干碳纤维中的催化剂胶囊，每个催化剂胶囊包括壳和封装在壳内的催化剂，该催化剂加速在固化预成型件中可使用的树脂单体的聚合。

28.条款27的预成型件，其中催化剂胶囊通过下面中的一种或多种与纤维结合：静电力、化学键、范德华力。

29.条款27或28的预成型件，其干碳纤维与催化剂胶囊的体积比为十比一和二比一之间，优选地其中干碳纤维与催化剂胶囊的体积比为五比一。

30.条款27-29中任一项的预成型件，其中催化剂胶囊为球形的并且干碳纤维为圆柱形的，优选地其中催化剂胶囊的直径为干碳纤维的直径的五分之一。

31.条款27-29中任一项的预成型件，其中催化剂胶囊为圆柱形的并且干碳纤维为圆柱形的，优选地其中催化剂胶囊的直径为干碳纤维的直径的五分之二和五分之三之间。

32.条款27-31中任一项的预成型件，其具有沿干碳纤维的圆周附着至每个干碳纤维的多个催化剂胶囊。

33.条款27-32中任一项的预成型件，其是根据条款1-26中任一项的方法可获得的。

34.包括诸如在前述条款中任一项中描述的干纤维和诸如在前述条款中任一项中描述的催化剂胶囊的供给以及在干纤维中散置催化剂胶囊的装置的***，所述装置优选地包括下面中的一个或多个：

·树脂浸渍机器，其在催化剂胶囊已经被散置在纤维中之后利用树脂浸渍纤维，

·吹风机，其吹送催化剂胶囊通过纤维，

·梳形物，其梳刷催化剂胶囊通过纤维，

·拉杆，其当筛滤催化剂胶囊通过纤维时分开纤维。

35.根据条款25或26的方法可获得的复合部件。

36.包括根据条款35的复合部件的飞行器。

37.在形成用于复合部件的预成型件中使用的胶囊，胶囊包括封装催化剂的壳，该壳在预定条件下是可破裂的，从而释放催化剂，该催化剂催化可固化的树脂的单体的聚合。

38.干纤维，优选地为干碳纤维，其用于形成复合部件的预成型件，该干纤维被配置来吸引可聚合树脂的单体。

本发明人已经认识到以如下方式吸引和/或附着催化剂胶囊至干纤维：当干纤维被树脂浸渍时催化剂胶囊保持吸引和/或附着干纤维，确保催化剂胶囊在树脂浸渍期间例如不被清洗掉或在层压件内非期望地移位。

在树脂浸渍期间催化剂的移位可以导致固化之前层压件内催化剂的不均匀的浓度。

本发明还使树脂能够不含催化剂，并由此更容易操纵和更有效使用。

此外，本发明还提供了具有一致性质的改进的固化的复合结构，这是由于在固化后催化剂保持均匀地集中在层压件内。当大量生产这类复合结构时这是尤其期望的。

本发明人已经认识到静电力可以被用于吸引和/或附着催化剂胶囊至干纤维，而且还认识到物理机构可以被用来吸引和/或附着催化剂胶囊。

这些物理机构或表面特征——本领域内也称为“胶料”——可以包括纳米管，诸如附着至干纤维的表面的碳纳米管。碳纳米管可以在纤维的表面上生长。

可选的物理机构包括附着至干纤维表面的聚合结构，其俘获或几何结构上约束催化剂胶囊。胶料可以例如是在树脂浸渍前附着至干纤维的聚合基体内俘获的催化剂胶囊的分散体。

EP 3000850 A1公开了包含多个聚合物纳米颗粒的热固性树脂，其用于与增强性纤维混合，其在树脂固化过程期间释放催化剂或硬化剂以提供复合部件。该文件公开了聚合物纳米颗粒可以直接添加至复合层片，但是教导了热固性树脂总是包含多个聚合物纳米颗粒。

附图说明

现在经仅示例的方式和参考附图描述本发明。在全部附图上，相同的参考数字表示相同的要素或相同类型的要素。

图1为层压件的叠层的图。

图2是图解层压件的各个层片的放大视图的图。

图3-4是层片的剖视图。

图5-6是催化剂胶囊粘附至的碳纤维的放大视图。

图7是图解制造碳纤维层压件的方法的流程图。

图8是图解在干碳纤维中散置催化剂胶囊的装置的图。

图9是图解制造碳纤维层压件的***的方框图。

图10是图解包括干碳纤维和预散置的催化剂胶囊的预成型件的方框图。

图11是图解使用包括干碳纤维和预散置的催化剂胶囊的预成型件的方法的流程图。

图12是飞行器生产和使用方法的流程图。

图13是飞行器的方框图。

具体实施方式

图1为图解根据本发明的层压件的叠层的图。AFP机器100层叠碳纤维层压件的层片152，从而层叠层压件150以便固化为复合部件。AFP机器100由支撑体170保持，并且包括能够层叠碳纤维带的层片152以便固化为复合部件(如，CFRP部件)的任意***或装置。AFP机器100包括端执行元件/头180，其在层叠期间分配层片152(如，同时地)。层叠层片152以形成层压件150，其包括材料的一个或多个层，该材料将被固化为单个整体复合部件。在该实施方式中，层压件150构成飞行器的机身部分，并由旋转支架160保持在适当位置。

当AFP机器100运行以层叠层片152至层压件150上时，AFP机器100可以沿轴X 166朝向/远离层压件150直接移动，沿轴Y 164垂直向上/向下移动和/或沿轴Z 162横向移动。如本文所使用，当AFP机器100在头180的单次“扫描”期间同时层叠多个层片152时，这些层片152被共同称为单个“道(course)”。连续施加的一套非重叠的道可以被称为层。当层被添加至层压件150时，得到的复合部件的强度被有益地增强。

为了确保快速且有效地层叠层片152，由NC程序控制AFP机器100的运行。在一个实施方式中，NC程序提供基于道的指令，用于对齐/再定位AFP机器100、移动头180和层叠层片152至层压件150上。以该方式，通过执行NC程序中的指令，AFP机器100制造用于固化为复合部件的层压件。AFP机器100可以进一步加热层片152至粘着温度(如，190°F)，从而增加层片152的粘着性。在层片152已经被层叠形成层压件之后，可以加热层压件至固化温度(如，290°F)，从而固化层压件为固体复合部件。

根据关于图1上面提供的碳纤维层压件的叠层的内容，图2-6图解了碳纤维层压件的具体特征。例如，图2是图解示例性实施方式中层压件150的层(212、214、216)的放大视图。如图2中所示，层片152布置为层212、214和216。每个层中的层片152是基本上平行的，并且展现共用的(shared)纤维取向/方向。例如，层212中的层片152以-45°取向，层214中的层片152以0°取向，和层216中的层片以+45°取向。

图3-4是示例性实施方式中层压件150的剖视图。具体地，图3对应于图2的视角箭头3。图3图解了每个层(212、214、216)展现不同的纤维取向。因此，尽管在该实施方式中各个纤维310每个具有相同的直径，但层212和214中的纤维310由于它们关于剖面的方向的取向而呈现椭圆形。图3进一步图解了占据各个纤维310之间体积的树脂320。图4是图3的区域4所指示的层214的放大视图。这图解了层压件150的层片152已经被增强以包括催化剂胶囊410，催化剂胶囊每个被结合/连接至对应的纤维。也就是说，催化剂胶囊410均匀地散置在碳纤维310中，而不是沿层片152的边缘具有更高浓度。树脂320形成树脂基体490。

图5-6为示例性实施方式中催化剂胶囊410被结合和/或粘附至的碳纤维310的放大图。由图5和6图解的图对应于图4的区域4。图5图解了其中胶囊410的形状为球形(如，具有一微米的直径，其为碳纤维310的直径的五分之一)的实施方式，同时图6图解了其中胶囊410的形状为圆柱形(如，具有对应碳纤维310的直径/厚度的五分之二和五分之三之间的直径/厚度)的实施方式。在两个实施方式中，纤维310包括表面510，其可以包括表面特征512(如，吸引树脂单体的胶料/化学处理，促进纤维310被树脂润湿的表面修饰等等)。在其中表面特征512包括胶料的实施方式中，在催化剂(如，脂肪族伯胺、脂肪族仲胺、芳香胺或其组合)由催化剂胶囊410释放之前，对于树脂320与胶料化学反应依然是期望的。类似地，在表面特征512包括表面修饰的实施方式中，在催化剂由催化剂胶囊410释放之前对于树脂润湿表面特征512依然是期望的。

催化剂胶囊410每个包括壳520，其包括表面522。催化剂胶囊410的表面522可以粘附至纤维310的表面510，例如经由表面特征512和表面522之间或表面510和表面522之间的静电、范德华力、化学反应等。在一个实施方式中，表面510包括纳米管或其他特征，其调节催化剂胶囊410至纤维310的吸引。加热催化剂胶囊410至固化温度可以液化壳520，释放催化剂524和加速聚合。在一个实施方式中，壳520包括第二催化剂，其在固化温度以上熔化，从而释放催化剂524。在进一步实施方式中，胶囊410包括气囊(未显示)，其在压力下破裂壳520。

将关于图7讨论制造层片152的说明性细节。

图7是图解示例性实施方式中用于制造层压件(如，预浸渍碳纤维带的层片)的方法700的流程图。方法700解决了树脂中催化剂颗粒不充分渗透通过干纤维(“纤维过滤”)的问题。参考图1的层片152描述方法700的步骤，但是本领域技术人员将认识到可以在其他碳纤维和可固化材料中执行方法700。本文中描述的流程图的步骤并非包括全部并且可以包括其他未显示的步骤。本文中描述的步骤还可以以可选的顺序执行。

根据方法700，获取平行取向的一批干碳纤维310(步骤702)。例如，干碳纤维310可以包括干碳纤维带。该批纤维310被认为是“干的”，在于该批还没有被等待聚合的可固化/热固性树脂单体浸渍。在一个实施方式中，纤维310可以展现五微米的直径。

还获取一批催化剂胶囊410(步骤704)。催化剂胶囊410包括加速树脂(其仍还没有被添加至干纤维310)的单体聚合的催化剂524。催化剂胶囊410包括包围催化剂524的分子的壳520，用于递送和在固化中使用。在该时间点处，催化剂胶囊410与其他树脂成分分离并独立于其他树脂成分，诸如树脂单体。可以选择催化剂胶囊410的大小，从而确保碳纤维310与胶囊410的体积比在十比一和二比一之间(如，五比一)。例如，在催化剂胶囊410为球形的实施方式中，它们可以展现一微米的直径，并因此在沿纤维310长度的每个位置沿纤维310的圆周可以附着五个催化剂胶囊至纤维310。在催化剂胶囊410为细长圆柱形状/纤丝的实施方式中，它们可以展现2.2微米的直径，从而与这样期望的比一致。

然后将催化剂胶囊410散置在纤维310中(步骤706)。该过程在图8中图解，并且可以包括，例如，操作吹风机810以吹送胶囊410通过纤维310(如，通过在吹送胶囊410的同时偏转纤维310)，操作梳形物820(包括齿822)以梳刷胶囊410通过纤维310，利用拉杆830分开纤维310和然后筛滤胶囊410通过纤维310等。无论使用的具体技术如何，当胶囊410被散置在纤维310中时，出于上面讨论的原因，它们粘附至纤维310。这意思是，在纤维310中散置催化剂胶囊410的动作形成将胶囊410连接至纤维310的结合(步骤708)。散置过程确保胶囊410均匀地分布在纤维310中。此外，纤维310甚至在散置胶囊410之后保持干燥，这是因为还没有引入树脂(如，树脂单体等)至纤维310。在散置过程期间，保持各个碳纤维310的线性依然是期望的。因此，可以选择碳纤维310的偏转的量以确保胶囊渗透，同时避免各个纤维310压皱或破坏。

在该时间点，可以经由静电、壳520和纤维上的表面特征512之间的化学反应、范德华力等形成结合以连接胶囊410与纤维310。在其中使用静电的实施方式中，可以使用电子枪840或其他装置向胶囊410施加电荷并确保胶囊410至纤维310的充分的粘合。在其中胶囊410化学结合至碳纤维310的表面510的实施方式中，胶囊410可以经由化学浴(sans树脂)施加至纤维310，其中胶囊410包括在化学悬浮物内。

接下来，利用树脂320浸渍纤维310，包括等待聚合的树脂单体(步骤710)。利用树脂320浸渍该批纤维310可以包括向树脂320施加压力，接近纤维310抽真空，或引起树脂320在纤维310之间流动的任何其他技术。该步骤在胶囊410已经被分散在纤维310中之后执行。由于胶囊410已经被散置在纤维310中，纤维过滤确保胶囊410在浸渍过程期间将不被从纤维310之间拉出。

树脂320是无催化剂的，其意思是树脂320不包括加速树脂320内单体聚合的化学成分。因此，树脂320不如催化的树脂粘，其促进纤维310比催化的树脂更好的湿润。然而，树脂320可以仍然包括树脂单体和/或增韧相(如，互相渗透网络相)。由于树脂320不再包括庞大成分诸如胶囊410，在浸渍期间，树脂320的成分不被纤维310捕集或以其他形式过滤。在得到的层压件内，催化剂胶囊410占树脂320、催化剂胶囊410和纤维310的组合的体积的百分之十和百分之十五之间。树脂320占树脂320、催化剂胶囊410和纤维310的组合的体积的百分之三十和百分之三十五之间。此外，纤维310占树脂320、催化剂胶囊410和纤维310的组合的体积的百分之五十和百分之六十之间。在一个实施方式中，利用树脂浸渍纤维310的动作起到分离散置的催化剂胶囊410与纤维310的作用(步骤712)。浸渍过程可以形成占据纤维之间空间的树脂基体490。

催化剂胶囊可以还通过粘着被连接至纤维。催化剂胶囊可以通过增粘剂被粘着至纤维，并且当胶囊溶解时释放粘着。

在已经利用树脂浸渍干纤维之后，得到的产品可以被实施为预浸渍碳纤维带。碳纤维带可以储存一段时间，然后层叠为一系列的层片，从而形成复合部件的期望的形状。步骤714涉及当加热带时，液化胶囊410的壳，并取决于实施方式可以在粘着和层叠之前、固化之前、或甚至在固化期间执行。

AFP机器可以加热碳纤维带至粘着温度(如，190°F)，其增强带的“粘着性”水平，确保层片的更好粘合(步骤716)。粘着温度允许将带的层粘着在一起成为层压件，同时保持在从催化剂胶囊410释放催化剂的温度以下。在该粘着温度下，催化剂胶囊410依然是固体并且仍没有被液化。在完成叠层之后，然后可以将未固化的部件移至高压釜进行固化。在高压釜中，未固化的部件——其包括浸渍的纤维——可以被加热至固化温度(如，290°F)，在该温度下，胶囊410的壳520液化，释放催化剂524(步骤718)。当被释放时，催化剂524进一步与树脂320混合，加速聚合和引发固化。固化温度足够高，使得在层叠期间催化剂524将不被无意地释放。因此，设定释放催化剂524的温度足够高以确保在固化之前催化剂不被无意地释放。释放催化剂524的温度可以例如与固化温度一样，或在固化温度以下。在一个实施方式中，在作为初始固化的部分的树脂注入期间使用的温度下释放催化剂524。在任何情况中，当壳520被暴露至固化温度，壳520将液化。

通过确保在固化之前均匀地分布催化剂胶囊遍及碳纤维层压件，方法700提供了大量的益处。由于在纤维是干的时候散置胶囊，碳纤维可以容易被弯曲或以其他方式偏转，使胶囊能够渗透深入一批纤维中，而没有干扰。

图9是图解示例性实施方式中用于制造预浸渍碳纤维层片910的预浸渍机器900的方框图。具体地，图9图解了从筒管902铺开碳纤维920，其包括表面922和表面特征924。在散置室904处在纤维920中散置催化剂胶囊930，其包括壳934、催化剂933、和表面932，散置室可以包括吹风机950、梳形物960和拉杆970的任意适合的组合。这些操作可以导致胶囊930和纤维920之间的静电结合、范德华结合或甚至化学键。压机906将纤维920压实在一起，和使用树脂浸渍机器990以利用树脂940浸渍纤维920，产生层片910。由于胶囊930已经被散置在纤维920中，利用树脂940浸渍纤维920的动作还在胶囊930中混合树脂940。

图10是图解了示例性实施方式中包括干碳纤维1050和预散置的催化剂胶囊1060的预成型件1010的方框图。根据图10，预成型件1010包括碳纤维1050，其每个包括表面1052以及表面特征1054。催化剂胶囊1060散置在干碳纤维1050中，并且包括表面1066、壳1064和催化剂1062。通过心轴1022或其他适合的工具，预成型件1010可以已经被按压/成形为期望的几何结构用于固化，或可以等待按压为期望的几何结构。在该实施方式中，预成型件1010被放置在真空袋1024和心轴1022之间并被加热至第一目标温度1090。真空袋1024被密封至心轴1022，确保可以抽取真空，按压预成型件1010至心轴1022。通过真空泵1026抽取真空，其通过从储器1040抽取树脂1042(如，无催化剂树脂)进入预成型件1010、浸渍预成型件1010来提供进一步益处。在已经利用树脂浸渍预成型件1010之后，在第二目标温度1092下将预成型件1010放置入高压釜1030中。在高压釜1030中，施加热(如，来自加热器1032)和/或压力起到液化催化剂胶囊1060的作用，将催化剂1062与树脂1042混合并导致加速的聚合和复合部件的形成。

图11是图解在示例性实施方式中使用包括干碳纤维和预散置的催化剂胶囊的预成型件的方法1100的流程图。根据方法1100，获取平行取向的包括纤维1050的一批干碳材料(步骤1102)。

还获取一批催化剂胶囊410(步骤1104)。然后将催化剂胶囊1060散置在纤维310中(步骤1106)。该过程在图8中图解，并且可以包括，例如，操作吹风机以吹送胶囊1060通过纤维1050(如，通过偏转纤维1050同时吹送胶囊1060)，操作梳形物820(包括齿822)以梳刷胶囊1060通过纤维1050，使用拉杆830以分开纤维1050并且然后筛滤胶囊1060通过纤维1050等。无论使用的具体技术如何，当胶囊1060被散置在纤维1050中时，出于上面讨论的原因，它们粘附至纤维1050。这意思是，将催化剂胶囊1060散置在纤维1050中的动作形成连接胶囊1060至纤维1050的结合(步骤1108)。

如图11中所进一步图解，预成型件1010被形成在一起并在粘着温度(如，190°F)下被任选地粘着(步骤1110)。增粘剂可被任选地添加至干纤维以在该阶段粘着(如，取决于形式的复杂性)。增粘剂可以包括添加至纤维的热塑性塑料，诸如经由喷洒至纤维上。形成预成型件1010可以进一步包括以期望的形状按压或保持预成型件1010(如，经由利用真空室或辊的压缩)。粘着温度在固化温度以下，在该固化温度下胶囊1060的壳已经液化/溶解。当预成型件1010被放置在来自真空袋和/或高压釜的压缩下同时加热时，该固结甚至可随后发生。

在预成型件1010已经被放置在期望的位置进行浸渍(如，在真空袋内)之后，其被树脂1042浸渍(步骤1112)。利用树脂1042浸渍预成型件1010可以破坏催化剂胶囊1060和干碳纤维1050之间的结合(如，通过克服源自静电力、范德华力、催化剂胶囊1060和碳纤维1050上的表面特征1054之间的化学反应等的结合力)，由此分离纤维1050和胶囊1060(步骤1114)。这可以将催化剂胶囊1060混合入树脂1042，并且可以进一步使树脂1042能够在先前由催化剂胶囊1060占据的位置处润湿干碳纤维1050。

浸渍的预成型件1010可以进一步被加热直到催化剂胶囊1060的壳液化(步骤1116)和达到固化温度(如，290°F)(步骤1118)。预成型件1010可以在高压釜1030中进一步被压缩以促进其固化。也就是说，通过使壳1064液化、混合催化剂1062与树脂1042和加速树脂1042的聚合来热活化催化剂胶囊1060。

实施例

在下面的实施例中，在制造碳纤维层压件的背景下描述额外的工艺、***和方法。

更具体地参考附图，可以在如图12中所示的飞行器制造和使用方法1200和如图13中所示的飞行器1202的背景下描述本公开内容的实施方式。在生产前期间，示例性方法1200可以包括飞行器1202的规格和设计1204和材料采购1206。在生产期间，进行飞行器1202的零件和子组件制造1208和***集成1210。其后，飞行器1202可以通过验收并交付1212，从而被投入使用1214。在被客户投入使用的同时，飞行器1202可被安排进行常规维护和保养1216(其还可以包括改进、重构、修整等等)。可以在生产和使用方法1200的任意一个或多个阶段期间(如，规格和设计1204、材料采购1206、零件和子组件制造1208、***集成1210、验收并交付1212、使用1214、维护和保养1216)和/或飞行器1202的任意适合的零件(如，机身1218、***1220、内部1222、推进***1224、电气***1226、液压***1228、环境***1230)，应用本文中包含的装置和方法。

可以通过***集成商、第三方和/或经营者(如，客户)执行或进行方法1200的每一步过程。为了该描述的目的，***集成商可以包括而不限于任意数目的飞行器制造商和主***次承包商；第三方可以包括而不限于任意数目的出售商、次承包商和供应商；和经营者可以为航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等等。

如图13所示，由示例性方法1200生产的飞行器1202可以包括具有多个***1220和内部1222的机身1218。高级***1220的实例包括推进***1224、电气***1226、液压***1226和环境***1230中一个或多个。可以包括任意数目的其他***。虽然显示航空航天的实例，本发明的原理可以被用于其他工业，诸如汽车工业。

如上面已经提到，可以在生产和使用方法1200的任意一个或多个阶段期间，应用本文中包含的装置和方法。例如，可以与飞行器1202投入使用的同时生产的零件或子组件类似的方式制作或制造对应生产阶段1208的零件或子组件。再者，在生产阶段1208和1210期间，一个或多个装置实施方式、方法实施方式、或其组合可以被利用，例如，通过显著加快飞行器1202的组装或降低飞行器1202的成本。类似地，在飞行器1202投入使用的同时，装置实施方式、方法实施方式或其组合中一个或多个可以被利用，例如但不限于维护和保养1216。例如，本文中描述的技术和***可以用于步骤1206、1208、1210、1214、和/或1216，和/或可以用于机身1218和/或内部1222。这些技术和***可以甚至被用于***1220，包括例如，推进***1224、电气***1226、液压***1228和/或环境***1230。

在一个实施方式中，层片152构成机身1218的一部分，并在零件和子组件制造1208期间被层叠和固化为复合部件。然后可以在***集成1210中将复合部件组装入飞行器，然后在投入使用1214中使用直到磨损导致部件不可用。然后，在维护与保养1216中，可以将部件丢弃和以新制造的部件替换。层片152可以贯穿零件和子组件制造1208使用，从而制造新的复合部件。

附图中所示或本文中描述的任意的各种控制元件(如，电气或电子零件)可以实施为硬件、执行软件的处理器、执行固件的处理器或这些中的一些组合。例如，元件可以实施为专用硬件。专用硬件元件可以被称为“处理器”、“控制器”或一些类似的术语。当通过处理器提供时，功能可以由单个的专用处理器、由单个的共享处理器，或由多个单独的处理器提供，多个单独的处理器中一些可以是共享的。而且，术语“处理器”或“控制器”的明确用途不应被限制为排它地指能够执行软件的硬件，并可以暗含地包括而不限于数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用集成电路(ASIC)或其他电路、现场可编程门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、非易失性存储、逻辑、或者一些其它的物理硬件元件或模块。

再者，控制元件可以实施为由处理器或计算机可执行的指令以执行元件的功能。指令的一些实例是软件、程序代码和固件。当由处理器执行时，指令是可操作的，以引导处理器执行元件的功能。指令可以储存在由处理器可读的存储装置上。存储装置的一些实例是数字或固态存储器、磁性存储媒介，诸如磁盘和磁带、硬盘驱动器(hard drive)、或任选地可读数字数据存储媒介。

虽然本文中描述了具体实施方式，但是本公开内容的范围不限于这些具体实施方式。本公开内容的范围由所附权利要求和其任意等效形式限定。

Claims (18)

1.一种方法，其包括：

获取一批干纤维(702)；

获取一批催化剂胶囊(704)，其每个包括：

加速树脂的单体聚合的催化剂；和

封装所述催化剂并在固化温度下液化的壳；

在所述干纤维中散置所述催化剂胶囊(706)；和

在所述纤维内散置所述催化剂胶囊后利用所述树脂浸渍所述纤维(710)。

2.权利要求1所述的方法，其进一步包括：

将所述催化剂胶囊结合至所述干纤维(708)。

3.权利要求1所述的方法，其进一步包括：

加热所述催化剂胶囊至所述固化温度，由此释放所述催化剂并加速聚合(718)。

4.权利要求1所述的方法，其中：

利用所述树脂浸渍所述纤维包括引起所述树脂在所述干纤维之间流动以形成占据所述干纤维之间空间的树脂基体(490)。

5.权利要求1所述的方法，其中：

在所述纤维中散置所述催化剂胶囊包括吹送所述催化剂胶囊通过所述纤维。

6.权利要求1所述的方法，其中：

在所述纤维中散置所述催化剂胶囊包括梳刷所述催化剂胶囊通过所述纤维。

7.权利要求1所述的方法，其中：

在所述纤维中散置所述催化剂胶囊包括利用拉杆分开所述纤维，和筛滤所述催化剂胶囊通过所述纤维。

8.权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在树脂浸渍之前，经由静电结合所述催化剂胶囊至所述纤维。

9.权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在树脂浸渍之前，经由所述壳和所述纤维上的表面特征之间的化学反应结合所述催化剂胶囊至所述纤维。

10.权利要求1所述的方法，其进一步包括：

在树脂浸渍之前，经由范德华力结合所述催化剂胶囊至所述纤维。

11.权利要求1所述的方法，其中：

所述催化剂胶囊占所述树脂、催化剂胶囊和纤维的组合体积的百分之十和百分之十五之间。

12.权利要求1所述的方法，其中：

所述纤维是碳纤维。

13.一种***，其包括：

干碳纤维(920)；

催化剂胶囊(930)的供给，每个催化剂胶囊包括：

催化剂(933)，其加速树脂(940)的单体聚合；和

壳(934)，其封装所述催化剂并在固化温度下液化；和

装置(904)，其在干碳纤维中散置所述催化剂胶囊，导致所述胶囊和所述纤维之间的结合。

14.权利要求13所述的***，其中所述催化剂胶囊被结合至所述干纤维(708)。

15.权利要求13所述的***，其进一步包括：

树脂浸渍机器(990)，其在所述催化剂胶囊已经被散置在所述纤维中之后利用无催化剂树脂浸渍所述纤维。

16.权利要求13所述的***，其中：

所述催化剂胶囊是具有在2和3微米之间的直径的细长纤丝。

17.权利要求13所述的***，其中：

所述催化剂胶囊是球形的并具有1微米的直径。

18.一种复合预成型件，其包括：

干纤维(920)；

催化剂胶囊(930)的供给，每个催化剂胶囊包括：

催化剂(933)，其加速树脂(940)的单体聚合；和

壳(934)，其封装所述催化剂并在固化温度下液化；并且

所述催化剂胶囊被连接至所述干纤维(708)。

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