CN113365803A

CN113365803A - 复合材料的机械成形

Info

Publication number: CN113365803A
Application number: CN201980091025.8A
Authority: CN
Inventors: T·怀布罗; R·霍利斯; D·莱特; R·罗素
Original assignee: Cytec Industries Inc
Current assignee: Cytec Industries Inc
Priority date: 2018-12-31
Filing date: 2019-12-31
Publication date: 2021-09-07
Also published as: US20220111605A1; EP3906150A1; IL284425A; KR20210109586A; CA3125450A1; MX2021007894A; JP2022516512A; AU2019419512A1; BR112021012875A2; WO2020142569A1; US11945176B2

Abstract

本文披露了用于使复合材料(110)成形的方法，这些方法包括使用织造或非织造面纱(120)。本文还披露了使用此类方法形成的成形复合材料，这些材料在起皱方面显示出显著的改善。

Description

复合材料的机械成形

相关申请

本申请要求于2018年12月31日提交的美国临时申请号62/786,855的优先权。将该申请的全部内容通过援引明确并入本申请。

背景技术

纤维增强聚合物复合材料已广泛应用于许多行业(包括航空航天、汽车、船舶、工业、建筑和各种消费产品)，它们通常是首选，因为它们的重量轻，同时仍然表现出高强度和耐腐蚀性，特别是在恶劣的环境中。纤维增强聚合物复合材料通常由经预浸渍的材料或由树脂灌注方法制成。

经预浸渍的材料或“预浸料”通常是指浸渍有可固化基体树脂(如环氧树脂)的纤维(如碳纤维)。预浸料中的树脂含量相对高，通常是按体积计40％-65％。可以将预浸料的多个层片切割成用于铺放的尺寸，然后随后在模制工具中组装并且成形。在其中预浸料不能容易地适配成模制工具的形状的情况下，可以将加热施加于这些预浸料，以便使其逐渐变形成模制表面的形状。

纤维增强聚合物复合材料还可以由涉及树脂灌注技术的液体模制方法制成。这些方法包括例如树脂传递模制(RTM)、液体树脂灌注(LRI)、真空辅助树脂传递模制(VARTM)、柔性工具树脂灌注(RIFT)、真空辅助树脂灌注(VARI)、树脂膜灌注(RFI)、受控大气压树脂灌注(CAPRI)、VAP(真空辅助工艺)、单线注射(SLI)和恒压灌注(CPI)。在树脂灌注方法中，将干粘合的纤维安排在模具中作为预成型件，随后将液体基质树脂直接原位注射或灌注。在注射或灌注之后，固化经树脂灌注的预成型件以提供成品复合制品。

对于两种类型的材料，用于复合材料三维成形(或模制)的方法对于最终模制产品的外观、特性和性能是至关重要的。例如，使用手工铺设方法将预成型件成形为精细的几何形状，该方法耗时并且通常导致显著的零件与零件间变化。虽然也存在其他较少的手动方法来使复合材料成形(如真空成型方法，这些方法也可以采用销、机器人和/或致动器来帮助零件成型)，但此类方法具有其自身的缺点和不足。例如，真空方法被认为是“离线”的，因为成型和固化发生在不同的工艺步骤中。此外，此类方法通常是耗时的并且没有考虑复合材料的流变学行为和固化特征。并且此类方法的产品仍然容易发生起皱和其他缺陷。

发明内容

本文披露了一种用于使复合材料成形的新方法，该方法不仅解决了本领域已知的其他方法在缺乏自动化和利用现有基础设施和设备方面的缺点，而且还提供了非常低的零件与零件间变化和最小的起皱，特别是在内半径处。

因此，在一方面，本传授内容提供了用于使复合材料成形的方法，该方法总体上包括：

(A)将复合体系定位在压制工具中，该压制工具包括通过间隙分开的阳模和对应的阴模，其中该阳模和该阴模各自独立地具有非平面的模制表面，

(B)通过闭合该阳模与该阴模之间的间隙来压缩该阳模与该阴模之间的复合体系；以及

(C)将该阳模和该阴模保持在闭合位置，直至复合体系的粘度达到足以保持模制形状的水平。

该复合体系包括至少一个具有顶面和底面的织造或非织造面纱，以及具有顶面和底面的基本上平面的复合材料；其中该基本上平面的复合材料的底面与该第一织造或非织造面纱的顶面接触；并且其中将该至少一个织造或非织造面纱用结构框架保持在适当位置。

在一些实施例中，将该至少一个织造或非织造面纱横跨该结构框架拉伸。在一些实施例中，结构框架包括顶部框架和底部框架，其中至少一个织造或非织造面纱保持在顶部框架与底部框架之间。

在一些实施例中，基本上平面的复合材料的顶面还与第二织造或非织造面纱的底面接触，从而形成层状结构。在此实施例中，复合材料可以在第一织造或非织造面纱与第二织造或非织造面纱之间保持固定，直到对层状结构施加热或力。

在其他实施例中，基本上平面的复合材料的顶面还与选自包括一个或多个层的膜的隔膜接触，这些层各自独立地选自橡胶层、硅酮层和塑料层。

在一些实施例中，织造或非织造面纱具有在约5g/m²与约50g/m²之间的重量。在一些实施例中，织造或非织造面纱包含聚酯纤维、碳纤维、玻璃纤维、或其组合。

在一些实施例中，步骤(B)包括部分地闭合在阳模与阴模之间的间隙使得在这些模之间形成较小的间隙，该较小的间隙随后在达到特定的时间或粘度之后闭合。在其他实施例中，步骤(B)包括以约0.7mm/s与约400mm/s之间的速度闭合在阳模与阴模之间的间隙，同时将该阳模和该阴模保持在高于复合材料的软化点的温度下。

在一些实施例中，将阳模和阴模保持在高于环境温度的温度下，例如高于100℃的温度。

在一些实施例中，进行步骤(C)直至复合材料的粘度小于1.0x10⁸m Pa。

在一些实施例中，该方法还包括(D)将工具上的复合体系冷却至低于复合材料的软化温度的温度。在其他实施例中，该方法还包括(D’)在该复合体系高于复合材料的软化温度时，从该工具中移出该复合体系。

在一些实施例中，将阳模和阴模保持在闭合位置处持续在约10秒与约30分钟之间。

在一些实施例中，在复合体系中的复合材料已被机械加工成图案。

在一些实施例中，该方法还包括在将复合体系定位在压制工具中之前，在加热装置(例如接触加热器或IR加热器)中在足以降低复合材料粘度的温度下预加热复合体系。

在一些实施例中，该复合材料包括选自以下项的材料的结构纤维：芳族聚酰胺、高模量聚乙烯(PE)、聚酯、聚对亚苯基-苯并双噁唑(PBO)、碳、玻璃、石英、氧化铝、氧化锆、碳化硅、玄武岩、天然纤维及其组合。

在一些实施例中，该复合材料包含选自热塑性聚合物、热固性树脂、及其组合的粘合剂或基质材料。在某些实施例中，粘合剂或基质材料以至少约40％的量存在于复合材料中。在某些实施例中，粘合剂或基质材料具有至少约1x10⁸mPa的粘度。在某些实施例中，

-(i)该粘合剂或基质材料具有小于1x10⁸mPa的粘度或(ii)该面纱具有小于100g/m²的重量；并且

-该复合材料的表面富含树脂。

在一些实施例中，该方法还包括将脱模剂施加到阳模、阴模或两者中。

在一些实施例中，通过自动化方式将复合体系定位在任选的加热装置和压制工具中。在一些实施例中，没有真空压力被施加到压制工具的任何部分。

附图说明

图1展示了根据本传授内容的示例性复合体系。

图2A和2B展示了根据本传授内容的示例性模制工艺。

图3是使用双隔膜机械热成型方法形成的示例性零件与使用本文披露的方法形成的示例性零件的照片比较。

具体实施方式

鉴于复合材料加工的潜在缺点，包括加工时间、零件与零件间变化和可见的瑕疵，仍然存在开发更快的、改进的且更可靠的组件和方法的需要。例如，对于需要视觉验收的汽车零件尤其如此，因为它们可能没有涂漆或被覆盖。在追求视觉完美的同时，还希望充分利用现有设备(例如金属冲压机或压机)。然而，传统的金属冲压设备在直接用于复合材料时，通常得到不完美、不平整的表面。本披露提供了用于使用面纱辅助的机械热成型工艺使复合材料成形的方法，该方法能够使用金属冲压工具来生产具有出人意料地优越的表面特性(包括例如在内半径中没有明显起皱)的成型零件。

用于使复合材料成形的方法

本传授内容包括用于使用在本文中更详细描述的材料使复合材料成形的方法。因此，在一些方面，本传授内容提供用于使复合材料成形的方法，该方法总体上包括：

如本文所使用的，术语“复合体系”是指用于使复合材料成形的材料组件，并且包括至少一个具有顶面和底面的织造或非织造面纱以及具有顶面和底面的基本上平面的复合材料。在复合体系中，基本上平面的复合材料的底面与第一织造或非织造面纱的顶面接触，并且该至少一个织造或非织造面纱通过结构框架保持在适当位置。

如本文所使用的，术语“基本上平面的”是指具有一个可测量地大于其他两个平面(例如，大至少2、3、4或5倍，或更多)的平面的材料。在一些实施例中，基本上平面的材料沿着最大的平面具有厚度变化。例如，复合材料可以包含增强材料，如垫起(即层片的量局部增加)或层片下落(即层片的量局部减少)、材料改变，和/或其中复合材料过渡例如到织物的区域。在其他实施例中，基本上平面的材料沿着复合材料的区域展现出最小的厚度变化。例如，术语基本上平面的可以意指复合材料在90％的区域上具有不大于+/-15％的整体厚度变化。在一些实施例中，在90％的区域上厚度变化不大于+/-10％。基本上平面的不仅旨在表示完全平坦的材料，而且还包括在凹度和/或凸度上具有略微变化的材料。

现在参考图1，在某些实施例中，将基本上平面的复合材料(110)放置在用结构框架(150，160)保持在适当位置的织造或非织造面纱(120)的顶面上。例如，织造或非织造面纱可以置于保持底部框架(150)的床(140)上。随后可以将复合材料(110)铺放在织造或非织造面纱(120)的顶部，并且可以将顶部框架(160)放置在底部框架(150)的顶部，其中织造或非织造面纱夹在两个框架之间。在某些情况下，例如，如果希望使模制零件周围的浪费最小化，可以在将复合材料放置在织造或非织造面纱的顶面上之前，将复合材料机械加工成图案。可以将织造或非织造面纱横跨该结构框架拉伸。将织造或非织造面纱横跨结构框架拉伸起到支撑复合材料的重量的作用。因此，在一些实施例中，将织造或非织造面纱横跨结构框架拉伸，使得织造或非织造面纱能够以最小下垂度支撑复合材料，例如，下垂度小于2.0cm(从结构框架的平面起)、下垂度小于1.0cm、下垂度小于0.5cm、下垂度小于0.25cm、或者甚至下垂度小于0.1cm。在一些实施例中，在放置顶部框架之前，将额外的织造或非织造面纱或隔膜添加到复合材料的顶面。额外的织造或非织造面纱或隔膜与复合材料形成层状结构(即，将复合材料夹在中间)，其在某些情况下可起到将复合材料更牢固地保持在适当位置的作用。如果使用这种额外的织造或非织造面纱或隔膜，则顶部框架(160)将放置在底部框架(150)的顶部，使得织造或非织造面纱和额外的织造或非织造面纱或隔膜都夹在这两个框架之间。如果在织造或非织造面纱和额外的织造或非织造面纱或隔膜之间提供一些间隔是有利的，则也可以使用中心框架。顶部、(任选的)中心框架和底部框架通过被支撑的周界，例如通过围绕周界在预定间隔下定位夹子保持所希望的织造或非织造面纱形状。此类框架可以基于待模制的复合材料的尺寸和形状制造。任选地，预制造的结构支撑框架在本领域内用于与常规的金属或复合压制工具(例如来自制造商如Langzauner或Schubert)一起使用是已知的。

在一些实施例中，将基本上平面的复合材料(110)简单地铺放在织造或非织造面纱(120)的顶面上。在其他实施例中，这可以通过物理地向复合材料(或额外的织造或非织造面纱或隔膜(如果使用的话))施加压力(例如通过手动或通过机械手段)来完成。一旦放置，复合材料就被认为是定位的。也就是说，复合材料可以被放置(例如，通过自动化手段)在面纱上沿着X和Y轴的特定位置。然后可以将此定位的复合体系(例如通过自动化手段)置于压制工具中的特定位置(如在下文中更详细描述的)，使得压制工具始终接合复合材料的预定区域。因此，定位的复合体系可以可靠地用于生产模制产品的多个副本，无需单独地定位每种复合材料坯料。

在使用额外的织造或非织造面纱或隔膜的情况下，真空压力可以是希望的，例如以抽出可能阻碍模制性能的残余空气，以阻碍复合材料(或其组分)的变形或起皱，以帮助保持纤维对齐，以在加工期间和在成形期间对材料提供支撑，和/或以在高温下保持所希望的厚度。如本文所使用的，术语“真空压力”是指小于1个大气压(或小于1013毫巴)的真空压力。此时，无论通过真空还是通过机械手段，将复合材料牢固地保持在一个或多个面纱/隔膜之间，使得其固定直至施加热或力。这种固定的体系可以是有利的，例如，因为复合材料不仅在其X和Y轴上的足够张力下在其位置被保持固定，而且其还被定位(如上所述)。

现在参考图2A，在一些情况下，复合体系(210)可以在加热装置(220)中预加热。可以手动或通过自动化手段，例如使用自动化梭(225)将复合体系置于加热装置中。此加热装置可以是可以用于金属或复合材料产品成型或者模制的任何加热器，例如，接触加热器或红外线(IR)加热器。在一些情况下，此预加热使复合材料、一个或多个织造或非织造面纱、或任何任选的隔膜软化，例如使得它们在形成最终模制产品期间更柔韧。在一些情况下，此预加热使得保持在复合体系中的复合材料达到所希望的粘度或温度。预加热可以在加热至高于约75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃的温度或甚至更高的温度的加热装置中进行。可以调节此温度，例如，取决于一个或多个织造或非织造面纱、任选的隔膜和/或复合材料中的组分的特性。此种预加热是有利的，例如，如果希望最小化或消除压制工具的加热和/或最小化复合体系驻留在压制工具中的时间量。

为了形成最终模制产品，将复合体系定位于压制工具中。在一些实施例中，没有真空压力被施加到压制工具的任何部分。在其他实施例中，局部真空被施加到工具表面，例如以去除在复合体系与工具之间的截留空气。然而，在此类实施例中，真空通常不用作形成最终模制产品的形状的力。可以手动或通过自动化手段，例如使用自动化梭(225)将复合体系置于压制工具中。此压制工具通常包括阳模(230)和阴模(240)，这些被间隙(250)隔开。每个模具有非平面的模制表面(分别是260和270)。也可以将脱模剂添加到阳模、阴模或两者中。这种脱模剂可能有帮助，例如，当仍处于高于环境温度的温度时，用于从模具中移出成形零件。模制表面是固定的，即不可重构的。模制表面通常还是匹配的，即阳模大致对应于对面的阴模；并且在一些实施例中，可以完美匹配。然而，在一些实施例中，阳模和阴模是使得(当闭合时)在它们之间的厚度变化。在某些实施例中，复合体系定位在阳模与阴模之间特定的、预定的距离处的间隙中。

参照图2B，然后通过闭合间隙(280)在阳模与阴模之间压缩复合体系。在一些实施例中，这通过部分地闭合在阳模与阴模之间的间隙以在模具之间形成较小的间隙完成。随后在达到特定时间或粘度后闭合此较小的间隙。应理解，“闭合间隙”是指将模具压缩使得在它们之间获得沿着Z轴(290)的预定的最终腔厚度。可以例如通过控制其中模具相对于彼此停止来调节最终腔厚度，并且厚度的选择可以由模具的操作者进行并且将取决于最终模制产品的性质。在一些实施例中，最终腔厚度基本上是均匀的，即该过程产生双面模制的具有变化小于5％的厚度的最终产品。在一些实施例中，该方法产生具有变化小于约4％、例如小于约3％、小于约2％或甚至小于约1％的厚度的最终模制产品。在其他实施例中，可以配置阳模和阴模工具以提供在X和Y轴上有意地变化的腔厚度。

在某些实施例中，将阳模和阴模保持在高于环境温度的温度下。例如，它们可以在高于约75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃或甚至更高的温度下保持。可以根据复合材料中的组分的性质(和粘度)调节此温度。例如，可以在高于用于复合材料的粘合剂或基质材料的软化点的温度下保持模具。在一些实施例中，复合材料包含热固性材料并且模具被保持在约100℃与200℃之间的温度下。在其他实施例中，复合材料包含热塑性材料并且模具被保持在高于约200℃的温度下。典型地，复合体系将在某种情况下，例如在预加热步骤期间或在模制方法期间在压制工具中或者两者期间加热以使得能够软化复合材料。在复合材料中的粘合剂或基质材料在环境温度(20℃-25℃)下呈固相，但在加热时将软化。此软化允许复合材料在压制工具中模制。

在一些实施例中，将阳模和阴模保持在闭合位置处持续预定时间。例如，在一些实施例中，加热模具并且保持在闭合位置处直至达到所希望的粘度或温度。在一些实施例中，将模具保持在闭合位置处直至复合材料的粘度小于约1.0x10⁸m Pa。在一些实施例中，加热模具并且保持在闭合位置处直至粘合剂或基质材料开始交联。在其他实施例中，不加热模具，但保持在闭合位置处持续足以对材料保持模制形状的一段时间。可以将模具保持在闭合位置处例如持续在约5秒与约60分钟之间，例如，持续在约10秒与约30分钟之间或在约15秒与约15分钟之间。模具保持在闭合位置处的时间长度将取决于很多因素，包括复合材料的性质和模具的温度。

在某些实施例中，阳模被驱动通过复合体系，同时阴模保持静止。在其他实施例中，阴模不保持静止，而是以慢于阳模的速率移动(使得阳模仍主要作为形成用表面)。在仍其他实施例中，两个模具以大致相同的速度移动以闭合在这些模具之间的间隙。模具以足以使复合材料变形/模制的速率和最终压力驱动。例如，可以以在约0.4mm/s与约500mm/s之间、例如在约0.7mm/s与约400mm/s之间、例如在约10mm/s与约350mm/s之间或在约50mm/s与300mm/s之间的速率驱动模具。此外，可以以在约100psi与约1000psi之间，例如在约250psi与约750psi之间的最终压力下驱动模具。在一些实施例中，在已经选择来控制最终模制产品的厚度同时避免褶皱的形成和结构纤维的变形的速率和最终压力下驱动模具。此外，在已经选择允许最终模制零件快速形成的速率和最终压力下驱动模具。需要注意的是，本传授内容并不旨在受到图2A和2B中与复合体系的面纱表面接触的阴模的描绘的限制。实际上，在一些实施例中，阳模与复合体系的面纱表面接触。不希望受任何具体理论的束缚，据信这种构型可以使内半径中的起皱最小化。

然后将复合体系冷却至低于粘合剂或基质材料的软化温度。这可以在复合体系保留在压制工具上时或在从压制工具中去除复合体系之后发生。此时，粘合剂或基质材料返回至固相并且复合材料保持其新成型的几何形状。如果复合材料是预成型件，则此预成型件将保持其所希望的形状用于随后的树脂灌注。

除了优越的表面品质，本发明的方法可以降低用于实现结构零件的最终几何形状的固化后加工的要求。此固化后加工不仅耗时，而且还非常有风险因为固化的结构零件不能再成形。因此，在固化后加工期间引起的损害可能导致零件报废。因此，在一些实施例中，本发明的方法包括在将其放置在织造或非织造面纱之前的加工复合材料的步骤。这允许复合材料的自动化、有效和容易加工，而不是编程、定位和切割固化的三维复合材料的复杂过程。

上述体系不仅有助于复合材料的模制，例如通过在其X和Y轴上的足够张力下将复合材料保持在固定位置，而且还提供了一种有效且高效的方法，用于以自动化方式生产具有优异表面特征的复杂三维复合结构。三维复合结构可以快速、重复和大规模生产。例如，三维复合结构可以由基本上平面的复合材料胚料以1-10分钟循环形成。此类快速、可重复的方法适用于制造自动化零件和镶板，如发动机罩、行李箱、门板、挡泥板和轮舱。

织造或非织造面纱

如本文所使用的，术语“面纱”是指连续或短切聚合物纤维的薄垫。纤维可以是纱线或单丝的纺线。典型地，面纱是树脂可溶的并且通常可以是织造的(例如，以控制的方式布置)或非织造的(例如，部分或完全随机的)。面纱通常用于复合材料中，例如，通过在结构增强纤维层之间***这种面纱来增加通过液体树脂浸渍工艺制造的复合制品的韧性。

结合本发明的方法使用的一个或多个面纱的重量可以变化，但典型地在约5g/m²与约100g/m²之间。在一些实施例中，织造或非织造面纱具有小于约75g/m²、小于约60g/m²、或小于约50g/m²的重量。在一些实施例中，织造或非织造面纱具有在约5g/m²与约50g/m²之间的重量。例如，在一些实施例中，织造或非织造面纱具有在约10g/m²与约40g/m²之间的重量。在某些实施例中，织造或非织造面纱具有在约15g/m²与约30g/m²之间；例如约15g/m²、约16g/m²、约17g/m²、约18g/m²、约19g/m²、约20g/m²、约21g/m²、约22g/m²、约23g/m²、约24g/m²、约25g/m²等的重量。

面纱重量的选择可以基于被成形的复合材料的属性来确定。例如，粘性较大的粘合剂或基质材料可能需要较重的面纱(或多于一个面纱)，而粘性较小的粘合剂可能使用较轻的面纱。类似地，如果复合材料的表面富含树脂，则可以选择面纱使得树脂不会过度渗透面纱。在某些实施例中：

-该复合材料的表面富含树脂。

面纱中使用的材料不受特别限制，并且可以是任何已知的与复合材料结合使用的面纱。然而，在一些实施例中，织造或非织造面纱包含聚酯纤维、碳纤维、芳纶纤维、玻璃纤维、或其组合。在其他实施例中，织造或非织造面纱包含树脂可溶的聚合物的纤维，例如在LoFaro等人的US 2006/0252334中确定的那些，该专利通过援引并入本文。在一些实施例中，织造或非织造面纱包含聚酯纤维。在一些实施例中，面纱是包含聚酯纤维的非织造面纱。在一些实施例中，面纱是包含聚酯纤维的织造面纱。在其他实施例中，织造或非织造面纱包含碳纤维。例如，在一些实施例中，面纱是包含碳纤维的非织造面纱。在一些实施例中，面纱是包含碳纤维的织造面纱。在仍其他实施例中，织造或非织造面纱包含玻璃纤维。在一些实施例中，面纱是包含玻璃纤维的非织造面纱。在一些实施例中，面纱是包含玻璃纤维的织造面纱。

复合材料

如本文所使用的，术语“复合材料”是指结构纤维和粘合剂或基质材料的组件。结构纤维可以是有机纤维、无机纤维或其混合物，包括例如可商购的结构纤维，如碳纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维(例如Kevlar)、高模量聚乙烯(PE)纤维、聚酯纤维、聚对亚苯基-苯并双噁唑(PBO)纤维、石英纤维、氧化铝纤维、氧化锆纤维、碳化硅纤维、其他陶瓷纤维、玄武岩、天然纤维及其混合物。注意到，需要高强度的复合结构的最终应用将典型地采用具有高拉伸强度(例如≧3500MPa或≧500ksi)的纤维。此类结构纤维可以包括任何常规构型的一个或多个纤维材料的层，包括例如单向带(单带)网、非织造垫或面纱、机织织物、针织织物、非卷曲织物、纤维丝束及其组合。应理解，可以包括作为遍及全部或部分的复合材料的一个或多个层片，或者以垫起或层片下落的形式(其中厚度局部增加/降低)的结构纤维。

通过粘合剂或基质材料将纤维材料保持在适当的位置并保持稳定，使得保持纤维材料的对齐并且可以储存、运输和处理稳定的材料(例如成形的或以其他方式变形的)而没有磨损、散开、拉开、翘曲、起皱或以其他方式降低纤维材料的完整性。由少量的粘合剂(例如典型地小于按重量计约10％)保持的纤维材料典型地被称为纤维预成型件。此类预成型件将适用于树脂灌注应用，如RTM。纤维材料还可以由较大量的基质材料保持(当提及浸渍有基质的纤维时通常称为“预浸料”)，并且因此将在没有进一步添加树脂的情况下适用于最终产品形成。在某些实施例中，粘合剂或基质材料以至少约30％、至少约45％、至少约40％、或至少约45％的量存在于复合材料中。

粘合剂或基质材料通常选自热塑性聚合物、热固性树脂、及其组合。当用于形成预成型件时，此类热塑性聚合物和热固性树脂可以以各种形式，如粉末、喷雾、液体、糊剂、膜、纤维、和非织造面纱被引入。用于利用这些各种形式的手段在本领域内通常是已知的。

热塑性材料包括例如，聚酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚芳香族烃、聚酯酰胺、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚芳酰胺、聚芳酯、聚芳醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮、聚丙烯酸酯、聚(酯)碳酸酯、聚(甲基丙烯酸甲酯/丙烯酸丁酯)、聚砜、聚芳砜、其共聚物及其组合。在一些实施例中，热塑性材料还可以包括一个或多个反应性端基，如胺基或羟基，这些对于环氧化物或固化剂是反应性的。

热固性材料包括例如，环氧树脂、双马来酰亚胺树脂、甲醛-缩合物树脂(包括甲醛-酚树脂)、氰酸酯树脂、异氰酸酯树脂、酚醛树脂及其混合物。环氧树脂可以是一种或多种选自下组的化合物的单或聚缩水甘油衍生物，该组由以下各项组成：芳香族二胺、芳族单伯胺、氨基酚、多元酚、多元醇和多元羧酸。环氧树脂还可以是多官能的(例如双官能的、三官能的、和四官能的环氧树脂)。

在一些实施例中，将一种或多种热塑性聚合物和一种或多种热固性树脂的组合用于复合材料。例如，某些组合在流量控制和柔性方面起协同效应。在这类组合中，热塑性聚合物将为共混物提供流量控制和柔性，主导典型地低粘度、脆性的热固性树脂。

任选的隔膜

如本文所使用的，“隔膜”是指将两个不同的物理区域分开或分离的柔性屏障，并且其是弹性的或非弹性可变形的材料片。如本文所使用的，术语“柔性”是指材料在没有显著的返回力的情况下能够变形。柔性材料典型地具有在约1,000N/m与约2,500,000N/m之间的柔性系数(测量的以帕斯卡计的杨氏模量和测量的以米计的总厚度的乘积)。典型地，隔膜厚度范围在约10微米与约200微米之间，例如在约30微米与约100微米之间。

用于制造隔膜的材料可以是例如橡胶、硅酮、塑料、热塑性塑料、或类似的材料。然而，在某些实施例中，用于制造隔膜的材料包括包括一个或多个层的膜，这些层各自独立地选自塑料层或弹性层。在一些实施例中，选择隔膜材料以容易地从最终模制零件和/或工具中释放。在其他实施例中，隔膜被设计为暂时或永久地粘附到模制的复合材料上。可以使用常规的流延或挤出程序将隔膜材料形成为膜。

示例

以下实例仅出于说明目的并且不应该被解释为限制所附权利要求书的范围。

对比实例1：双隔膜机械热成型

将由塑料膜制成的下柔性隔膜(苏威公司(Solvay)，以前为氰特工业公司(CytecIndustries)，EMX045)放置在保持底部框架的床上。将由碳纤维增强环氧树脂制成的复合材料坯料铺放在该下柔性隔膜的顶部，接着铺放具有真空入口的中心框架。然后放置由与下柔性隔膜相同的膜制成的上柔性隔膜，使得其覆盖中心框架和复合材料坯料。将顶部、中心和底部框架夹在一起，从而产生由下柔性隔膜、上柔性隔膜和中心框架限定的密封腔体。然后施加真空以从上柔性隔膜与下柔性隔膜之间去除空气。

然后将框架装置穿梭进接触加热装置中，在那里它被加热至110℃。在用接触式加热器加热之后，将框架装置穿梭进包含以结构汽车组件的形状构造的匹配的阳模和阴模的压制工具中。然后将阳模以大约200mm/s的速率向阴模驱动。阴模保持固定，并且两个模保持在140℃下直至交联开始。在还热的时候将成形结构从压制工具中移出并且允许在移出之后冷却。

成形结构的一部分描绘于图3，框架A中。双隔膜方法为在现有金属工具上快速成型复合材料提供了特殊的方法。然而，如图3，框架A所示，使用这种方法成型的零件有时容易起皱，特别是在内半径上。

实例2：使用面纱的机械热成型

将织造的聚酯面纱放置在床上，同时跨越底部框架拉伸。在底部框架的顶部添加顶部结构框架，聚酯面纱保持在两个结构框架之间。然后将顶部和底部框架夹在一起，从而将聚酯面纱保持在拉伸位置。然后将由对比实例1中使用的相同碳纤维增强的环氧树脂制成的复合材料坯料铺放在聚酯面纱的顶部。然后以与对比实例1中相同的方式加工该框架装置。

成形结构的一部分在图3，框架B中描绘。如图3，框架B所示，根据本发明的方法不仅提供了在现有金属工具上快速形成复合材料的特殊手段，而且出人意料地能够形成具有显著且一致地较少起皱的零件，特别是在内半径上。应注意，图3，框架B中描绘的部分通常表示整体成型零件。

Claims

1.一种用于使复合材料成形的方法，该方法包括：

(C)将该阳模与该阴模保持在闭合位置，直至该复合体系的粘度达到足以保持模制形状的水平，

其中该复合体系包括至少一个具有顶面和底面的织造或非织造面纱，以及具有顶面和底面的基本上平面的复合材料；

其中该基本上平面的复合材料的底面与该第一织造或非织造面纱的顶面接触；并且

其中将该至少一个织造或非织造面纱用结构框架保持在适当位置。

2.如权利要求1所述的方法，其中，将该至少一个织造或非织造面纱跨越该结构框架拉伸。

3.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，该基本上平面的复合材料的顶面还与该第二织造或非织造面纱的底面接触，从而形成层状结构。

4.如权利要求3所述的方法，其中，该复合材料在该第一织造或非织造面纱与该第二织造或非织造面纱之间保持静止，直到对该层状结构施加热或力。

5.如权利要求1或权利要求2所述的方法，其中，该基本上平面的复合材料的顶面还与选自包括一个或多个层的膜的隔膜接触，这些层各自独立地选自橡胶层、硅酮层和塑料层。

6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该结构框架包括顶部框架和底部框架，该至少一个织造或非织造面纱保持在该顶部框架与该底部框架之间。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该织造或非织造面纱具有在约5g/m²与约50g/m²之间的重量。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该织造或非织造面纱包含聚酯纤维、碳纤维、玻璃纤维、或其组合。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(B)包括部分地闭合该阳模与该阴模之间的间隙，使得在这些模之间形成较小的间隙，该较小的间隙随后在达到特定的时间或粘度之后闭合。

10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，步骤(B)包括以约0.7mm/s与约400mm/s之间的速度闭合在该阳模与该阴模之间的间隙，同时将该阳模和该阴模保持在高于该复合材料的软化点的温度下。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将该阳模和该阴模保持在高于环境温度的温度下。

12.如权利要求11所述的方法，其中，将该阳模和该阴模保持在高于100℃的温度下。

13.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，进行步骤(C)直至该复合材料的粘度小于1.0x 10⁸m Pa。

14.如前述权利要求中任一项所述的方法，该方法进一步包括：(D)将该工具上的该复合体系冷却至低于该复合材料的软化温度的温度。

15.如前述权利要求中任一项所述的方法，该方法进一步包括：(D’)在该复合体系高于该复合材料的软化温度时，从该工具中移出该复合体系。

16.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，将该阳模和该阴模保持在闭合位置持续在约10秒与约30分钟之间。

17.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在该复合体系中的该复合材料已被机械加工成图案。

18.如前述权利要求中任一项所述的方法，该方法进一步包括：在将该复合体系定位在该压制工具中之前，在加热装置中在足以降低该复合材料粘度的温度下预加热该复合体系。

19.如权利要求18所述的方法，其中，该加热装置是接触加热器或IR加热器。

20.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该复合材料包括选自以下项的材料的结构纤维：芳族聚酰胺、高模量聚乙烯(PE)、聚酯、聚对亚苯基-苯并双噁唑(PBO)、碳、玻璃、石英、氧化铝、氧化锆、碳化硅、玄武岩、天然纤维及其组合。

21.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该复合材料包含选自热塑性聚合物、热固性树脂、及其组合的粘合剂或基质材料。

22.如权利要求21所述的方法，其中，该粘合剂或基质材料以至少约40％的量存在于该复合材料中。

23.如权利要求21或权利要求22所述的方法，其中，该粘合剂或基质材料具有至少约1x10⁸mPa的粘度。

24.如权利要求21所述的方法，其中：

-(i)该粘合剂或基质材料具有小于1x 10⁸mPa的粘度或(ii)该面纱具有小于100g/m²的重量；并且

-该复合材料的表面富含树脂。

25.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，该方法还包括将脱模剂施加到该阳模、该阴模或两者中。

26.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，通过自动化手段将该复合体系定位在该任选的加热装置和该压制工具中。

27.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，没有真空压力施加到该压制工具的任何部分。