用于具有增强可模塑性的复合材料中的连续碳纤维的制造方法技术

提供了用于具有增强可模塑性的复合材料的连续碳纤维的生产方法。在碳纤维制造过程中，将离散区域引入到包含诸如聚丙烯腈(PAN)的丙烯酸类聚合物材料的连续前体纤维中。当前体纤维在烘箱或炉中时，可向其施加激光能量以产生带有已施加激光能量的离散区域的异质纤维。在其它方面，可间歇性地施加机械压力以产生离散区域。在对连续前体纤维进行充分加热以进行碳化和/或石墨化后，该前体纤维形成具有多个离散薄弱区域的连续碳纤维。这些相对薄弱的区域提供了非邻接断点，其降低碳纤维聚合物复合材料硬度且提高其可模塑性，同时保持高强度水平。还提供了掺有具有多个离散不邻接薄弱区域的连续碳纤维的碳纤维聚合物复合材料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及连续碳纤维的制造方法，用于为连续碳纤维掺入异质性，这可以提高高强度碳纤维复合材料的可模塑性。
技术介绍
本节提供了有关本专利技术的背景信息，其不一定是现有技术。碳纤维一般是通过碳化或石墨化碳纤维前体材料纤维而生产。举例来说，传统的碳纤维前体可能形成自聚丙烯腈(PAN)前体、石油沥青前体、或人造纤维前体。碳纤维和石墨纤维在不同温度下制得并且进行热处理，因而各自的碳含量不同。通常，碳纤维是具有至少约90％碳(按重量计)的纤维。碳纤维被用作轻质增强相以制取轻质高强度聚合物复合材料。碳纤维可能是长度为数千微米(μm)或毫米(mm)的连续细丝。连续碳纤维组经常被归类为连续碳纤维细丝束。碳纤维“间隙”通常被指定为多个数以千计的细丝(在相应的间隙数之后由K指定)。替代地，碳纤维束可能被切碎或研磨，并且从而形成小段碳纤维(细丝或束)，其通常具有50μm到50mm(约1.97英寸)之间的平均纤维长度。当掺入碳纤维的复合材料都为轻质、高强度时，掺入连续碳纤维细丝的复合材料与掺入切碎或研磨后的碳纤维的复合材料相比具有尤其高的强度。作为非限制性示例，代表性单向连续碳纤维细丝掺入复合材料中时，其具有约1,500到2,000MPa的超高极限拉伸强度，而被切碎的碳纤维具有约200到500MPa的极限拉伸强度。虽然在某些应用中，超高强度是高度期望的，但在复合材料中使用连续碳纤维面临的一个技术挑战是缺乏可流动性和可模塑性，这是因为掺入连续碳纤维的复合材料预浸料可能过于刚硬，具有高流动阻力。这种非挠性和刚性转化为较差的可模塑性，这使得难以从具有连续碳纤维的复合材料形成三维形状。期望的是，形成连续碳纤维复合材料，其具有更大的挠性、更高的可流动性，并且从而具有更大的可模塑性，能容易地形成具有超高强度的复杂三维形状的部件。
技术实现思路
本节提供本专利技术的大体内容，而并非全面公开其全部范围或其所有特征。在各个方面，本专利技术提供了一种用于具有增强可模塑性的复合材料中的连续碳纤维的制造方法。该方法可包含将包含丙烯酸类聚合物材料的连续前体纤维引入到加热的环境。该方法还包括在加热环境中将激光能量引向连续前体纤维的多个离散目标区域。这样便产生了具有与多个离散目标区域相对应的多个离散薄弱区域的连续碳纤维。在其它方面，本专利技术设想了另一种用于具有增强可模塑性的复合材料中的连续碳纤维的制造方法。该方法可包含将包含丙烯酸类聚合物材料的连续前体纤维引入到加热的环境。通过在加热环境中间歇地施加机械应力到连续前体纤维的离散目标区域而产生多个离散非邻接薄弱区域。这样便产生了具有与多个离散目标区域相对应的多个离散非邻接薄弱区域的连续碳纤维。在又一个方面，提供了一种用于具有增强可模塑性的复合材料中的连续碳纤维的制造方法，其包含将包含丙烯酸类聚合物材料的连续前体纤维引入到氧化烘箱或炉中用于热稳定该前体纤维。该方法还可包括将前体纤维引入到碳化烘箱或炉中用于碳化该前体纤维以便形成连续碳纤维。然后，间歇地施加机械应力和/或激光烧蚀到连续碳纤维的离散目标区域，以便在该连续碳纤维中产生多个完整的离散非邻接薄弱区域。通过本文提供的描述，进一步的适用范围将变得显而易见。本
技术实现思路
中的描述和具体示例旨在仅用于说明的目的，而并非要限制本专利技术的范围。附图说明本文所述的附图是仅用于选定的实施例而并不是所有可能的实施例的说明目的，并且并非要限制本专利技术的范围。图1是根据本专利技术的某些方面所制备的连续碳纤维的示意图，该连续碳纤维具有散置在该连续碳纤维内的多个离散相对薄弱区域，当力或应力施加该于连续碳纤维上时，该区域充当断点。图2是具有根据本专利技术的某些方面所制备的多个连续碳纤维细丝的聚合物复合材料的示意图。每个相应的碳纤维细丝都具有散置于其中的多个离散的、非邻接的、相对薄弱的区域或断点。图3是根据本专利技术的某些方面所制备的多个连续碳纤维细丝束的示意图。每个相应的连续碳纤维细丝都具有散置于其中的多个离散的、非邻接的、薄弱区域。与相邻的碳纤维细丝中的薄弱区域相比，离散薄弱区域是交错和偏移的。图4示出了一种示例性碳纤维制造工艺，其包括用于前体纤维的热稳定化、碳化和石墨化的区域。图5示出了根据本专利技术的某些方面用于当在诸如烘箱的加热环境中将激光能量施加到连续碳纤维前体以便形成多个具有局部分子破坏的离散区域的系统，当被处理成碳纤维时，该多个离散区域将充当薄弱区域或断点。图6示出了根据本专利技术的某些方面用于当在诸如烘箱的加热环境中将间歇性机械压力施加到连续碳纤维前体以便形成多个离散区域的辊装置系统，当被处理成碳纤维时，该多个离散区域将充当薄弱区域或断点。图7示出了另一种根据本专利技术的某些方面具有用于当在诸如烘箱的加热环境中将间歇性机械压力施加到连续碳纤维前体以便形成多个离散区域的多个突出部的替代辊装置，当被处理成碳纤维时，该多个离散区域将充当薄弱区域或断点。贯穿附图的这几个视图，对应的参考标号指示对应的零件。具体实施方式提供这些示例性实施例是为了使得本专利技术将是全面的，并且将向本领域技术人员充分地传递关于本专利技术范围的信息。阐明了诸如具体构成、部件、装置和方法的示例等诸多具体细节，以便提供对本专利技术实施例的透彻理解。对于本领域普通技术人员显而易见的是，不需要采用具体细节，示例性实施例可以许多不同形式被体现，并且也不应被理解为限制本专利技术的范围。在一些示例性实施例中，没有对众所周知的过程、众所周知的装置结构和众所周知的技术进行详细描述。本文所使用的术语只是用于描述特定的示例性实施例，而并非旨在是限制性的。如本文中所使用的单数形式“一个”、“一”和“该”可以旨在也包括复数形式，除非上下文另外明确指出。术语“包含”、“含有”、“包括”和“具有”都是包括性的，并且因此指定所述的特征、元件、组分、步骤、整体、操作和/或部件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组的存在或增加。虽然开放式术语“包含”应理解为非限定性术语，用于描述和要求保护这里所述的各个实施例，但是相反，在某些方面该术语可以替换地被理解为更加限定限制性的和限定性的术语，如“由......组成”或“基本上由......组成”。因此，对于任何描述组分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤的给定实施例来说，本专利技术也具体地包括由或基本上由这些所述的组分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤组成的实施例。在“由......组成”的情况下，替代性的实施例排除任何另外的组分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤，而在“基本上由......组成”的情况下，任何实质上影响基本和新颖特性的另外的组分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤从这样一个实施例中排出，而任何实质上不影响基本和新颖特性的组分、材料、部件、元件、特征、整体、操作和/或过程步骤可被包括在该实施例中。本文中描述的任何方法步骤、过程和操作不应理解为必定需要以所讨论或示出的具体次序执行，除非特别标明执行次序。也应当理解的是，可以使用另外的或替代的步骤，除非另外指出。当一个部件、元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“联接至”另一个元件或层时，它可以是直接在另一个部件、元件或层上，或者直接接合至、连接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于具有增强的可模塑性的复合材料中的连续碳纤维的制造方法，所述方法包含：将包含聚合物材料的连续前体纤维引入到加热环境中；及当在所述加热环境中将激光能量引向所述连续前体纤维的多个离散目标区域，以形成具有与所述多个离散目标区域相对应的多个离散薄弱区域的连续碳纤维。

【技术特征摘要】
2015.09.09 US 14/8490251.一种用于具有增强的可模塑性的复合材料中的连续碳纤维的制造方法，所述方法包含：将包含聚合物材料的连续前体纤维引入到加热环境中；及当在所述加热环境中将激光能量引向所述连续前体纤维的多个离散目标区域，以形成具有与所述多个离散目标区域相对应的多个离散薄弱区域的连续碳纤维。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热环境是以下其中一种：(i)氧化烘箱或氧化炉，用于热稳定所述连续碳纤维，其中所述氧化烘箱或氧化炉具有高于或等于约200℃到低于或等于约300℃的温度；(ii)碳化烘箱或碳化炉，用于碳化所述连续碳纤维，其中所述碳化烘箱或碳化炉具有高于或等于约1,500℃的温度；或(iii)石墨化烘箱或石墨化炉，用于石墨化所述连续碳纤维，其中所述石墨化烘箱或石墨化炉具有高于或等于约1,600℃到低于或等于约3,000℃的温度。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物材料是丙烯酸类共聚物，其由丙烯腈单体和选自由以下各项组成的组的第二单体形成：丙烯酸、衣康酸、甲基丙烯酸、乙烯基酯、乙烯基酰胺、乙烯基卤化物、乙烯基化合物的盐、磺酸盐及其组合。4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述多个离散薄弱区域的每个相应的离散薄弱区域具有以下中的至少一种：(i)具有小于或等于约2英寸的长度；(ii)与所述连续碳纤维中的相邻薄弱区域间隔大于或等于约0.1英寸到小于或等于约12英寸的距离；或(iii)具有大于或等于约2英寸的平均长度。5.一种用于具...

【专利技术属性】
技术研发人员：H·G·起亚，
申请(专利权)人：通用汽车环球科技运作有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US