用连续压缩模塑法形成的具有多孔芯的复合材料层压结构的制作方法

本公开涉及使用连续压缩模塑(ccm)法形成的具有多孔芯的复合材料层压结构。

背景技术：

具有多孔芯的复合材料层压结构可以包括夹在聚合物面板之间的多孔芯。这些复合材料层压结构用于多种目的，包括(但不限于)地板、房屋的面板(嵌板，paneling)、飞行器、船舶和容器壁。与由固体材料所制备的类似结构相比，多孔芯使复合材料层压结构硬化并且包含小孔(cell)(例如，气穴)以减轻复合材料层压结构的重量。形成这种复合材料层压结构的一种方式是使用形成热固性材料的粘合剂(例如，环氧化物)将聚合物片材层压至多孔芯。使用粘合剂将聚合物片材连接至多孔芯可以在不损坏复合材料层压结构的情况下，抑制或防止复合材料层压结构的后续重塑。形成复合材料层压结构的另一种方法是在降低的压力的环境中将加热面板拉动到多孔芯上。将面板拉动到芯上可以不期望地导致产生在复合材料层压结构的外表面显示出芯的表面特征的复合材料层压结构。因此，存在对于形成具有多孔芯的复合材料层压结构的需求，其允许复合材料层压结构的后续重塑并且在复合材料层压结构的外表面具有最小或无芯的显示。

技术实现要素：

根据本发明公开的一个实施方式，在ccm法中形成具有多孔芯的复合材料层压结构的方法包括通过ccm机的驱动机构逐渐使堆叠件前进至ccm机的加热区。堆叠件包括多孔芯、一个或多个热塑性材料层和一个或多个纤维-增强聚合物层。一个或多个热塑性材料层的第一热塑性材料层位于多孔芯和一个或多个纤维-增强聚合物层的第一纤维-增强聚合物层之间。方法包括通过ccm机在加热区中将堆叠件挤压在一起。通过驱动机构，将堆叠件挤压在一起以使其厚度小于或等于堆叠件在接收时的厚度。在将堆叠件挤压在一起的同时，方法包括向堆叠件施加热。在加热区的部分中，热足以超过一个或多个热塑性材料层和一个或多个纤维-增强聚合物层的一个或多个载体聚合物两者的玻璃化转变温度。方法还包括通过驱动机构逐渐使堆叠件前进至ccm机的冷却区。冷却区将一个或多个热塑性材料层和一个或多个载体聚合物的温度降低至玻璃化转变温度以下。

根据本发明公开的另一种实施方式，在ccm法中形成具有多孔芯的复合材料层压结构的方法包括通过ccm机的驱动机构接收堆叠件。堆叠件包括位于第一热塑性材料层之间的多孔芯、位于纤维-增强聚合物层之间的第一热塑性材料层、位于第二热塑性材料层之间的纤维-增强聚合物层和位于用脱出剂处理的脱出层(releaselayer)之间的第二热塑性材料层。方法包括在ccm机的加热区中，通过ccm机的驱动机构将堆叠件挤压在一起至其厚度小于或等于堆叠件接收时的厚度。方法包括在将堆叠件挤压在一起的同时，向堆叠件施加热。在加热区的部分中，热足以超过第一热塑性材料层，纤维-增强聚合物层的载体聚合物和第二热塑性材料层的玻璃化转变温度。在材料处于加热区的时间内，热不足以降解多孔芯，或使多孔芯的一种或多种材料流动。方法还包括将堆叠件在ccm机的冷却区中冷却以将第一热塑性材料层、纤维-增强聚合物层的载体聚合物和第二热塑性材料层的温度降低至玻璃化转变温度以下。

根据本发明公开的另一种实施方式，复合材料层压结构包括多孔芯和与多孔芯连接的第一层压层。第一层压层包括第一热塑性材料层和第一纤维-增强聚合物层，其中第一纤维-增强聚合物层的第一表面热固结至第一热塑性材料层的第二表面。当第一热塑性材料层高于第一热塑性材料层的玻璃化转变温度并且多孔芯低于使得多孔芯材料流动或降解的温度时，通过将第一热塑性材料层的温度降低至第一热塑性材料层的玻璃化转变温度以下，同时将多孔芯在第一热塑性材料层上挤压，使第一热塑性材料层的第一表面直接接触并结合至多孔芯的第一表面。

附图说明

图1是用于形成具有多孔芯的复合材料层压结构的系统的图。

图2是用于形成具有多孔芯的复合材料层压结构的堆叠件的部分的实施方式的横截面图，其中堆叠件位于ccm机中。

图3是具有多孔芯的复合材料层压结构的部分的实施方式的横截面图。

图4是形成具有多孔芯的复合材料层压结构的方法的框图。

具体实施方式

参考附图，本发明公开的具体实施方式如下。在说明中，在整个附图中，通过共同的参考编号表示共同的特征。

附图和以下描述说明了具体的示例性实施方式。附图不是按比例绘制的。将理解尽管在本文中未明确描述或显示，但是本领域技术人员将能够设计体现本文的原理并且包括在本说明之后所附的权利要求的范围内的多种布置。此外，本文的任何实例旨在帮助理解本发明公开的原理并且旨在视为非限制性的。因此，本发明公开不局限于如下的具体实施方式或实例，而是通过权利要求及其等价形式限制。

在本文中，参考附图描述了具体实施方式。在说明中，在整个附图中，通过共同的参考编号表示共同的特征。在一些附图中，使用了具体特征类型的多个实例。

如本文所使用的，仅出于描述具体实施方式的目的使用多个术语，并且其不意欲限制。例如，除非上下文中明确指出，否则单数形式的“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。此外，术语“包含”与“包括”可互换使用。另外，术语“其中(wherein)”与术语“其中(where)”可互换使用。如本文所使用的，“示例性”表示实例、实施方式和/或方面，并且不应视为限制或视为表示优选或优选的实施方式。如本文所使用的，用于修饰元素，如结构、组件、操作等的序数术语(例如，“第一”、“第二”、“第三”等)本身不表示元素相对于另一个元素的任何优先级或顺序，而是仅区分该元素与(如不使用序数术语)具有相同名称的另一种元素。如本文所使用的，术语“组”是指一个或多个元素的组，并且术语“多个”是指多个元素。

图1是形成具有多孔芯104的复合材料层压结构102的连续压缩模塑(ccm)生产线100的图。在图1中，ccm生产线100包括堆叠件形成区106、预成型区108、ccm机110和驱动机构112。驱动机构112从ccm机110拉动复合材料层压结构102。在其它实施方式中，驱动机构112将用于形成复合材料层压结构102的材料堆叠件114推动到ccm机110中，或者ccm生产线100包括多个驱动机构，其使得能够将堆叠件114推入ccm机110中和将复合材料层压结构102从ccm机110中拉出。通过导向装置、滚轴、其它支撑结构或它们的组合(未显示)，可以将堆叠件114和复合材料层压结构102导向通过ccm生产线100。

ccm生产线100使得能够在不使用热固性材料(例如，热固性粘合剂，如环氧化物)和不使用降低的压力(例如，真空)的情况下形成复合材料层压结构102以将多孔芯104结合至层压层并将热塑性材料层固结至层压层。有利地，在不使用热固性材料的情况下，形成复合材料层压结构102使得能够在不导致复合材料层压结构102的热塑性材料层之间界面的物理损坏和不使层压层与多孔芯104分离的情况下，通过向复合材料层压结构102施加热和成形力，在多孔芯104所允许的耐受限度内对复合材料层压结构102进行后续成形。有利地，在不使用真空或降低的压力环境的情况下，形成复合材料层压结构102使得能够在复合材料层压结构102的外表面最小或不显示芯的特征。

在ccm生产线100的堆叠件形成区106中，将要形成复合材料层压结构102的多个材料板层堆叠在一起以形成堆叠件114。可以以特定长度的坯料提供堆叠件114的材料，可以从进料辊提供堆叠件114的材料，或它们的组合提供。在一些实施方式中，用脱出剂处理的脱出层116包括在堆叠件114中。脱出层116可以包括301不锈钢箔片，并且脱出剂可以包括frekote700-nc(得自henkelcorporation,rockyhill,connecticut)。在图1的实施方式中，通过ccm生产线100的驱动机构112抓住脱出层116，从而将堆叠件114和复合材料层压结构102移动通过ccm生产线100。在堆叠件经过驱动机构112之后，从复合材料层压结构102除去脱出层116。

图2显示了在堆叠件114固结发生之前，对于布置在ccm机110中的具体实施方式，层堆叠件114的一部分的横截面图示。图2的堆叠件114包括多孔芯104。多孔芯104可以包括中空多孔模式(例如，蜂房模式)并且是由热固性材料纸芯(例如，芳族聚酰胺纸芯)形成的。在其它实施方式中，多孔芯104可以具有与蜂房模式的六边形图案不同的中空多孔模式(例如，圆形、椭圆形、正方形、矩形等)，可以由不同材料(例如，金属、在形成复合材料层压结构102期间，在通过多孔芯所获得的温度下将不会明显软化的热塑性材料、热固性聚合物和热塑性材料的组合或它们的组合)制备，或者两者。在一些实施方式中，多孔芯104包括层叠在一起的两个或更多个分离的多孔芯。

图2的多孔芯104夹在第一热塑性材料层118之间。第一热塑性材料层118可以包括聚醚酰亚胺(“pei”)、聚醚醚酮(“peek”)、聚醚酮酮(“pekk”)、聚苯砜(“pps”)、其它热塑性材料或它们的组合。所使用的具体的热塑性材料可以选自在复合材料层压结构102形成期间，具有将不会导致多孔芯104的材料的热降解或流动的玻璃化转变温度的一组热塑性材料。第一热塑性材料层118可以包括影响第一热塑性材料层118的物理性质的一种或多种染料、其它添加剂、或两者。在一些实施方式中，邻接多孔芯104的第一侧面的第一热塑性材料层118中的第一个是不同于多孔芯104第二侧面上的第一热塑性材料层118中的第二个的材料。

图2的第一热塑性材料层118夹在纤维-增强聚合物层120之间。纤维-增强聚合物层120包括载体聚合物中的纤维。载体聚合物可以与第一热塑性材料层118的热塑性材料相同或不同。载体聚合物可以包括影响纤维-增强热塑性材料层的物理性质的染料、其它添加剂、或者两者。纤维可以是碳纤维、玻璃纤维(例如，s-型或e-型)、不同于载体聚合物的材料的聚合物纤维或它们的组合。纤维可以在载体聚合物中以单向或不均一布置取向。基于多种因素(例如，复合材料层压结构102的加工性质以及所期望的物理和机械性质)，纤维的相对类型、厚度、量以及纤维在载体聚合物内的取向以及载体聚合物的类型可以是非常不同的。

在一些实施方式中，纤维-增强聚合物层120夹在第二热塑性材料层122之间。在其它实施方式中，堆叠件114不包括第二热塑性材料层120。第二热塑性材料层120使得复合材料层压结构102的外表面能够具有通过纤维-增强聚合物层120难以实现的所期望的特征(例如，纹理和颜色)。在其它实施方式中，堆叠件114包括一个或多个附加层。

再次参考图1，堆叠件114从堆叠件形成区106经过至预成型区108。预成型区108加热堆叠件并使用导向装置、芯轴、其它工具元件或它们的组合以预成形堆叠件114。将堆叠件114加热至使堆叠件114的部分弯曲的足够高的温度，但是低于使堆叠件114的一个或多个层流动的温度。预成型区108将一条或多条曲线引入到堆叠件114中，将堆叠件114形成为具体的形状(例如，c-形、z-形、帽形加强件形或者其它形状)或它们的组合。离开预成型区108的堆叠件114具有通过ccm生产线100所生产的复合材料层压结构102的一般形状，并且使得能够形成成形的层压件。在一些实施方式中，未使用预成型区108。例如，在不使用预成型区108的情况下，将复合材料层压结构102形成为平面片材。

图1的驱动机构112将堆叠件114从预成型区108，或者当不使用预成型区108时从堆叠件形成区106逐渐逐步移动至ccm机110。当驱动机构112接合时，驱动机构112将堆叠件114垂直提起以使堆叠件114从ccm机110中的下压台脱离并使堆叠件水平向前移动特定距离。

随着堆叠件114移动进入ccm机110，堆叠件114进入ccm机110的加热区124。在加热区124中，ccm机110的压板(例如，图2中所示的压板202)密切抵靠堆叠件114并对堆叠件114施加压力和热，持续一定的挤压时间。在挤压时间之后，压板释放堆叠件114，通过驱动机构112使堆叠件114向前移动，并且再次接合压板以向堆叠件114施加压力和热，持续另一挤压时间。当压板密切抵靠堆叠件114时，控制压板的垂直移动距离。在一个实施方式中，控制移动距离以避免多孔芯104的机械损坏(即，避免多孔芯104的压碎)。压板中的一个或多个可以包括赋予通过ccm生产线100所生产的复合材料层压结构102的外表面纹理的纹理表面。在其它实施方式中，在压板和堆叠件114之间使用纹理覆盖层(blanket)或者通过后形成处理(例如，加热复合材料层压结构102的至少一个外表面并使用纹理辊以使至少一个外表面具有纹理)，实现了复合材料层压结构102的一个或多个外表面的纹理。在一些实施方式中，未对复合材料层压结构102表面施加纹理。

在加热区124中控制一步(astep)的挤压时间和前进时间，从而使邻接多孔芯104的第一热塑性材料层118的温度超过加热区124的部分中第一热塑性材料层118的热塑性材料的玻璃化转变温度。在挤压时间内，从压板向堆叠件114传导应用热。控制压板的温度，从而施加于热塑性材料层118、122和纤维-增强聚合物层120的热不足以使层降解并且足以将层的热塑性材料的温度升高至玻璃化转变温度以上。将热塑性材料的温度升高至玻璃化转变温度以上并且通过压板对堆叠件114施加压力使得热塑性材料在热塑性材料-热塑性材料界面处能够相互作用，从而当随后冷却至玻璃化转变温度以下时，热塑性材料将固结。升高邻接多孔芯104的第一热塑性材料层118的温度并通过压板施加压力使得邻近于多孔芯104的第一热塑性材料层118的部分流动，从而当随后将第一热塑性材料层118的温度降低至玻璃化转变温度以下时，第一热塑性材料层118可以结合至多孔芯104。

随着堆叠件114继续在ccm机110中移动，堆叠件114进入冷却区126。在冷却区中，ccm机110的压板保持在低于加热区124的温度下，从而使得热量从堆叠件114向压板传导。在冷却区126中从堆叠件114向压板的传热将堆叠件114中的热塑性材料的温度降低至玻璃化转变温度以下。将堆叠件114中的热塑性材料的温度降低至玻璃化转变温度以下可以导致第一热塑性材料层118结合至多孔芯104并且可以导致热塑性材料层118、122与纤维-增强聚合物层120固结以形成复合材料层压结构102。通过驱动机构112，使堆叠件114逐步向前通过冷却区126。在一个实施方式中，控制冷却区126中压板的垂直移动距离以避免多孔芯104的机械损坏(即，避免多孔芯104的压碎)。在其它实施方式中，控制冷却区126中压板的移动距离以导致多孔芯104的机械损坏(即，使多孔芯104具有一定程度的芯压碎)。

在从堆叠件114除去脱出层116之后，从ccm生产线100分离所得的复合材料层压结构102的部分。可以将所得复合材料层压结构102修边和加工成最终产品。加工成最终产品可以包括将复合材料层压结构102加热至允许弯曲，而不允许材料流动的温度，并在复合材料层压结构中引起一条或多条曲线以形成成形的复合材料层压结构。

图3显示了复合材料层压结构102的实施方式的一部分的横截面图示。可以通过图1的ccm生产线100生产复合材料层压结构102。复合材料层压结构102包括结合至并且夹在层压层302之间的多孔芯104。

每个层压层302由至少热塑性材料层和纤维-增强聚合物层组成。热塑性材料层的第一表面可以直接接触并结合至多孔芯的第一表面。当热塑性材料层高于热塑性材料层的玻璃化转变温度并且多孔芯低于其中多孔芯材料流动或降解的温度时，可以通过将热塑性材料层的温度降低至热塑性材料层的玻璃化转变温度以下，同时将多孔芯在热塑性材料层上挤压将热塑性材料层结合至多孔芯。热塑性材料层的第二表面可以热固结至纤维-增强聚合物层的第一表面。通过将热塑性材料层和第一-增强聚合物层的载体聚合物的温度升高至玻璃化转变温度以上，同时对热塑性材料层和纤维-增强聚合物层施加压力以导致在热塑性材料层和纤维-增强聚合物层之间产生至少一些相互作用，并将热塑性材料层和纤维-增强聚合物层的温度降低至玻璃化转变温度以下来实现热固结。

在一些实施方式中，将一个或多个其它热塑性材料层、一个或多个其它纤维-增强聚合物层或它们的组合热固结至纤维-增强聚合物层。例如，将第二热塑性材料层的第一表面热固结至纤维-增强聚合物层的第二表面。

图4是形成具有多孔芯的复合材料层压结构的方法400的实施方式的框图。可以使用机器，如图1中所示的ccm机110，通过ccm法形成复合材料层压结构。方法400包括在402中，通过机器的进料机构使材料逐渐前进至机器的加热区。

材料包括多孔芯、一个或多个热塑性材料层、一个或多个纤维-增强聚合物层和脱出片材。在一些实施方式中，多孔芯是金属芯。在其它实施方式中，多孔芯由热固性聚合物形成，但不包含热塑性聚合物。在其它实施方式中，多孔芯是或者包括热塑性聚合物。

一个或多个热塑性材料层的第一热塑性材料层位于多孔芯和一个或多个纤维-增强聚合物层的第一纤维-增强聚合物层之间。在一个实施方式中，第一纤维-增强聚合物层夹在一个或多个热塑性材料层的第二热塑性材料层之间。第二热塑性材料层位于热塑性材料层的一个或多个其它层、纤维-增强聚合物层或它们的组合之间。

脱出片材可以是邻接形成复合材料层压结构的材料的最外层的金属箔。可以用脱出剂处理脱出片材以有利于脱出片材从所形成的复合材料层压结构的去除。对于在多孔芯的每一侧上具有相同层数的对称形成的复合材料层压结构，位于多孔芯一侧上的最外层是一个或多个热塑性材料层中的一个或者一个或多个纤维-增强聚合物层中的一个。对于在多孔芯的每一侧上具有不同层数的非对称形成的复合材料层压结构，最外层是热塑性材料层、纤维-增强聚合物层或者一个热塑性材料层和一个纤维-增强聚合物层。材料不包含粘合剂以将特定的层粘附至多孔芯或将特定的层粘附至另一层。在不使用降低的压力环境的情况下形成了复合材料层压结构。

方法400包括在404中，在加热区中通过机器将材料挤压在一起。将材料挤压在一起至小于或等于前进至机器中的材料的合并厚度的厚度。机器的压板将材料挤压在一起。

在将材料挤压在一起的同时，在406中，对材料施加热。在加热区的部分中，热足以超过一个或多个纤维-增强聚合物的一个或多个载体聚合物以及一个或多个热塑性材料层的玻璃化转变温度。在材料处于加热区期间，施加于材料的热不足以使多孔芯降解，或使多孔芯的材料流动。热可以从机器的至少一个压板传导至材料。

方法400还包括在408中，通过进料机构使材料逐渐前进至机器的冷却区。冷却区将一个或多个载体聚合物和一个或多个热塑性材料层的温度降低至玻璃化转变温度以下。将一个或多个载体聚合物和一个或多个热塑性材料层的温度降低至玻璃化转变温度以下可以形成热固结的层压层并且可以将多孔芯结合至热固结的层压层。

方法400还可以包括通过驱动机构，在410中，使堆叠件逐渐前进离开机器，并且在412中，从所形成的复合材料层压结构除去脱出片材。在414中，可以使复合材料层压结构的全长与堆叠件分离以产生产品。在一个实施方式中，复合材料层压结构的全长与堆叠件的分离包括在堆叠件中在多孔芯片段之间的位置切割热固结的层压层以产生产品。在一些实施方式中，产品是用于所期望的应用的最终产品。在其它实施方式中，对产品进行其它处理。例如，使产品的一个或多个外表面纹理化以赋予一个或多个外表面纹理。作为另一个实例，将产品成形成所期望的形式。为了使产品成形，在416中，将产品加热至允许热固结层压层弯曲，但不允许热固结层压层的材料明显流动的温度，并且在418中，成形机使产品经受一个或多个弯曲力以将弯曲引入到产品中，从而在产品冷却之后所产生的最终产品具有所期望的形状。

对本文的实例的描述旨在对多种实施方式的结构提供一般性理解。描述不意欲用作使用本文的结构或方法的设备和系统的所有元素和特征的完整描述。通过回顾本发明公开，多种其它实施方式对于本领域技术人员可以是显而易见。可以使用其它实施方式，并且其它实施方式可以来源于本发明公开，从而可以在不背离本发明公开的范围的情况下做出结构和逻辑性替换和改变。例如，可以以不同于附图中所示的顺序进行方法操作，或者可以省略一种或多种方法操作。因此，将本发明公开和附图视为说明性的而不是限制性的。

此外，尽管已在本文中显示和描述了具体实例，但是应理解设计以实现相同或类似结果的任何后续方案可以替代所示的具体实施方式。本发明公开旨在涵盖多种实施方式的任何和全部后续调整或变化。通过回顾描述，以上实施方式和本文未具体描述的其它实施方式的组合将对于本领域技术人员是显而易见的。

提交了说明书摘要，但条件是它将不用于解释或限制权利要求的范围或含义。另外，在上述发明详述中，出于使本发明公开合理化的目的，可以在单一实施方式中集合或描述多个特征。上述实例描述但不限制本发明公开。还应理解根据本发明公开的原理，多种修改和变化是可能的。如以下权利要求所反映的，所主张的主题可以涉及任何所公开的实例的并非全部的特征。因此，通过以下权利要求及其等价形式限定了本发明公开的范围。