用于制造碳纤维的方法和装置制造方法及图纸

用于制造碳纤维的方法和装置。向细丝施加压力，以改变细丝的横截面形状并在细丝上产生多个独特表面。将细丝转变成具有所述多个独特表面的石墨碳纤维。将多种胶料施加至石墨碳纤维的所述多个独特表面，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。

【技术实现步骤摘要】
用于制造碳纤维的方法和装置
本公开总体上涉及碳纤维。更具体地说，本公开涉及用于利用聚丙烯腈材料和扁平化(flattening)工序来制造碳纤维的方法和装置。
技术介绍
碳纤维具有高刚度、高拉伸强度、重量轻、耐化学性高、耐高温、以及热膨胀小的特点。这些特性使碳纤维在某些应用中特别有用，包括航空航天、土木工程、军事、以及其它类型的应用。碳纤维最常见的用途之一是形成复合材料。例如，碳纤维可以与树脂结合以形成复合材料。典型地讲，碳纤维以连续丝束的形式来提供，该丝束是一束数百至数千个单独碳丝。这些碳丝形状为柱形，并且几乎全部由碳组成。碳纤维可以来源于不同类型的材料，包括但不限于，聚丙烯腈(PAN)、人造丝、以及石油沥青。使用聚丙烯腈(PAN)细丝制造碳纤维的一种方法包括由PAN材料形成多根PAN细丝，其中PAN细丝具有柱形。PAN细丝可以展开成单层排，从而形成丝束带。该丝束带被张紧并加热，以碳化该丝束带中的PAN细丝。然后可以将该丝束带进一步张紧并加热以使丝束带中的碳丝石墨化。可以将作为一种涂层的胶料(sizing)施加至碳纤维。胶料可以在处理和加工期间保护碳纤维，并且可以将碳纤维的细丝保持在一起。而且，当碳纤维要用于制造复合材料时，可以基于要在形成该复合材料中使用的树脂的类型来选择胶料。在某些情况下，可能希望将多种胶料施加至碳纤维以改善使用这些碳纤维形成的复合材料的质量。另外，使用通过上述工序制造的碳纤维的设计和制造成本可能比期望的更昂贵。通过这种工序制造的一些碳纤维可能不具有所需级别的刚度。而且，用于碳化和石墨化所需的时间也可能比期望的更长。因此，希望具有一种考虑至少一些上面讨论的问题，以及其它可能问题的方法和装置。
技术实现思路
在一个例示性实施方式中，提供了一种用于制造碳纤维的方法。向细丝施加压力，以改变所述细丝的横截面形状并在所述细丝上产生多个独特表面。将所述细丝转变成具有所述多个独特表面的石墨碳纤维。将多种胶料施加至所述石墨碳纤维的所述多个独特表面，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。在又一例示性实施方式中，提供了一种用于制造碳纤维的方法。将聚丙烯腈聚合物通过输出系统的多个开口挤出以形成多根细丝。利用辊系统将所述多根细丝中的每根细丝扁平化，以延长每根细丝的横截面形状，并在每根细丝上产生多个独特表面。所述多根细丝被转变成多根石墨碳纤维，并且所述多根石墨碳纤维中的每根都具有所述多个独特表面。将多种胶料施加至所述多根石墨碳纤维中的每根石墨碳纤维，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。在另一例示性实施方式中，提供了一种装置，该装置包括：辊系统、热系统、以及多个表面施胶器。所述辊系统可以用于向细丝施加压力，以改变所述细丝的横截面形状并产生多个独特表面。所述热系统可以用于将所述细丝转变成石墨碳纤维。所述多个表面施胶器可以用于将多种胶料施加至所述石墨碳纤维的所述多个独特表面，其中，所述多种胶料包括至少两种不同胶料。该特征和功能可以在本公开的不同实施方式中独立实现，或者可以在可以参照下列描述和附图看到进一步细节的其它实施方式中组合。附图说明例示性实施方式的新颖特征受信任特性在所附权利要求书中加以阐述。然而，当结合附图阅读时，该例示性实施方式以及优选使用模式、进一步的目的及其特征将通过参照本公开一例示性实施方式的下列详细描述而最佳地理解，其中：图1是根据例示性实施方式的、采用框图形式的制造环境的例示图；图2是根据例示性实施方式的纤维加工系统的例示图；图3是根据例示性实施方式的用于扁平化纤维的一组横截面形状的例示图；图4是根据例示性实施方式的用于制造一根碳纤维的工序的流程图；图5是根据例示性实施方式的用于制造多根碳纤维的工序的流程图；图6是根据例示性实施方式的用于将多根细丝变换成多根石墨碳纤维的工序的流程图；图7是根据例示性实施方式的用于向碳纤维施胶的工序的流程图；图8是根据例示性实施方式的飞机制造和保养方法的流程图；以及图9是根据例示性实施方式的飞机的框图。具体实施方式该例示性实施方式认识并考虑不同事项。例如，该例示性实施方式认识到并考虑到，可能希望有这样一种用于制造碳纤维的方法和设备，即，其允许将不同胶料施加至单个碳纤维。具体来说，可能希望有这样的方法和装置，其用于按降低与设计且制造使用碳纤维的零部件相关联的总成本的方式，来制造这些碳纤维。因此，该例示性实施方式提供了一种用于制造碳纤维的方法。在一个例示性实施方式中，将诸如聚丙烯腈聚合物这样的聚合物通过输出系统的多个开口挤出以形成多根细丝。可以向所述多根细丝中的每根细丝施加压力，以改变每根细丝的横截面形状，并在每根细丝上产生多个独特表面。例如，可以使每根细丝变扁平并延长以产生多个独特表面。所述多根细丝可以被转变成多根石墨碳纤维，并且所述多根石墨碳纤维中的每根都具有所述多个独特表面。可以将多种胶料施加至所述多根石墨碳纤维中的每根石墨碳纤维。例如，可以将第一种胶料施加至石墨碳纤维的一个表面，并且可以将第二种胶料施加至该石墨碳纤维的另一表面。这两种胶料可以同时或在不同时间施加至石墨碳纤维。可以利用被配置成使所述多根细丝变扁平的辊系统，将压力施加至所述多根细丝。扁平化所述多根细丝可以使所述多根细丝中的每根细丝的横截面形状延长(或变扁平)。这种扁平化可以允许所述多根细丝中的细丝在制造期间更密集地结合在一起。因此，可以形成更密集压缩的碳纤维增强塑料(CFRP)。而且，可以利用更密集压缩的碳纤维来实现更高的零部件刚度，其继而可以导致使用这些碳纤维制造的复合零部件重量减轻。此外，通过扁平化所述多根细丝而暴露的增加表面积可以允许将两种胶料容易地施加至所述多根细丝。例如，可以将第一种胶料施加至通过扁平化而暴露的所述多根细丝中的每根细丝的顶表面。可以将第二种胶料施加至通过扁平化而暴露的所述多根细丝中的每根细丝的底表面。在一个例示例中，该胶料可以是两种不同类型的环氧树脂。当这些分子在预浸渍或树脂灌注期间渗入构成碳纤维床的所述多根细丝之间的空间时，使用这些不同的胶料可以帮助化学对齐四官能环氧分子。这种化学对齐可以增加碳纤维的均匀性。增强复合层压材料(如碳纤维增强塑料层压材料)内碳纤维的均匀性，可以增加复合层压材料的可允许的机械特性。增加复合层压材料的可允许的机械特性可以减少制造零部件所需的复合材料的量。因此，在碳化和石墨化之前使所述多根细丝变扁平可以帮助降低材料和制造成本，协同减轻重量，并提高整体制造效率。另外，在碳化和石墨化之前使细丝变扁平可以减少碳化和石墨化所需的时间。这两个步骤所需的温度时间(time-at-temperature)可以根据热传导通过碳纤维的厚度来确定。已经辊压扁的碳纤维具有用于该热传导的更短的最小距离，从而减少碳化和石墨化所需的时间。而且，降低温度时间可以降低碳纤维的制造成本。下面，参照附图，并且具体来说，参照图1，根据例示性实施方式，采用框图形式描绘了制造环境的例示图。制造环境100可以是制造碳纤维102的环境。在这些例示例中，碳纤维102可以利用纤维加工系统104来制造。纤维加工系统104可以包括输出系统106、辊系统108、张紧系统110、热系统112、以及多个表面施胶器113。在一个例示例中，张紧系统110和热系统112是独立系统。在其它例示例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于制造碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：向细丝(121)施加(402)压力(124)，以改变所述细丝(121)的横截面形状(126)并在所述细丝(121)上产生多个独特表面(130)；将所述细丝(121)转变(404)成具有所述多个独特表面(130)的石墨碳纤维(142)；以及将多种胶料(145)施加(406)至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。

【技术特征摘要】
2017.06.05 US 15/614,4531.一种用于制造碳纤维的方法，该方法包括以下步骤：向细丝(121)施加(402)压力(124)，以改变所述细丝(121)的横截面形状(126)并在所述细丝(121)上产生多个独特表面(130)；将所述细丝(121)转变(404)成具有所述多个独特表面(130)的石墨碳纤维(142)；以及将多种胶料(145)施加(406)至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)，其中，所述多种胶料(145)包括至少两种不同胶料。2.根据权利要求1所述的方法，其中，向所述细丝(121)施加(402)压力(124)的步骤包括以下步骤：向所述细丝(121)施加压力成形力，以将所述细丝(121)的所述横截面形状(126)从大致圆形改变成扁平形状，从而产生用于所述细丝(121)的顶表面(131)和底表面(132)。3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述细丝(121)转变成所述石墨碳纤维(142)的步骤包括以下步骤：在向所述细丝(121)施加第一级热(134)的同时张紧所述细丝(121)，以形成无定形碳纤维(136)；以及在向所述无定形碳纤维(136)施加第二级热(140)的同时张紧所述无定形碳纤维(136)，以形成石墨碳纤维(142)。4.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：利用施胶辊(150)、施胶喷射器(150)、施胶刷(154)、或化学浴槽(155)中的至少一个，将所述多种胶料(145)中的每种胶料施加至所述石墨碳纤维(142)的所述多个独特表面(130)中的对应独特表面。5.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：将至少所述两种不同胶料同时施加到至少两个独特表面(130)。6.根据权利要求1所述的方法，其中，施加所述多种胶料(145)的步骤包括以下步骤：将至少两种不同胶料施加至所述多个独特表...

【专利技术属性】
技术研发人员：K·D·洪费尔德，S·哈特绍恩，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国,US