[发明专利]用于制备单向纤维带的方法和系统

说明书

单向纤维带包含基质材料和分散在基质材料内的多个纤维，所述基质材料包含热塑性材料，其中带的厚度为0.07mm至0.30mm。所述带的平均相对纤维面积覆盖率为65至90，变异系数为3至20。在所述带中，纤维包含碳纤维，并且带的纤维体积分数大于50％。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月13日递交的美国临时专利申请第62/470866号的优先权权益，其通过引用整体并入本文。

背景技术

1.技术领域

本发明一般涉及单向纤维带(“UD带”)，更具体地，涉及具有高纤维体积分数(例如，大于50％)和/或均匀密度(定义为平均相对纤维面积覆盖率(％)(“RFAC”)为65至90，和变异系数(％)(“COV”)为3至20)的薄(例如，具有约0.30毫米(mm)或小于0.30mm的厚度)的UD带，以及用于制备它们的方法和系统。

2.相关技术说明

与由常规材料形成的结构相比，UD带可用于制造具有有利结构特征，例如高刚度和高强度以及低重量的结构。因此，UD带广泛应用于各种行业，包括汽车、航空航天和消费电子行业。取决于UD带的应用，其可能需要满足许多标准，包括与强度、刚度、尺寸、重量和/或类似特征的相关标准，并且UD带可能需要始终满足那些标准。

与常规UD带制备技术相关的挑战可能使它们无法制备满足所需标准的UD带。例如，常规浸渍技术可能不能用基质材料充分浸渍纤维床，这会导致UD带具有不期望的低纤维体积分数、不均匀的密度、厚度大、重量高和/或类似特征。当纤维床具有低渗透性(例如，在碳纤维床中)和/或当基质材料具有低熔体强度和/或高黏度时(例如，在高温聚合物中)，该问题可能恶化。

另外，由于例如需要溶剂以及需要从浸渍的纤维床中蒸发溶剂和/或处理或回收溶剂，常规的基于溶剂的浸渍技术可能是不期望的昂贵和/或复杂的。同样地，由于例如需要制备基质材料的含水浆料，这通常需要制备基质材料的细粉末，常规的基于水的浸渍技术可能是不期望的昂贵和/或复杂的。

发明内容

已经发现了上述缺陷的解决方案。具体地，已经发现了允许具有特定性质的UD带的一致和可扩展制备的处理技术，特定性质例如小且均匀的密度和/或高的纤维体积分数。这种处理技术可包括使用第一铺展纤维层和第二铺展纤维层，其中：(1)第二铺展纤维层的纤维比第一铺展纤维层多至少10％，将基质材料引入第二铺展纤维层，并将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起；和/或(2)通过使在第一方向的第二铺展纤维层在挤出机模具的出口下并相对于挤出机模具的出口移动同时将基质材料通过沿垂直于第一方向或具有与第一方向相反的分量的挤出方向的出口挤出将基质材料引入第二铺展纤维层，并且将第一铺展纤维层和第二铺展纤维层压在一起。不希望受理论束缚，认为这些列举的加工技术可以单独使用或组合使用，促进铺展纤维层的浸渍，使UD带具有与现有的UD带相比有利的性能。

本发明的UD带的一些实施方案包含基质材料，该基质材料包含热塑性材料和分散在基质材料中的多个纤维，其中带的厚度为0.07mm至0.30mm。一些这样的UD带的平均RFAC为65至90，COV为3至20。一些这样的UD带的纤维体积分数大于50％。因此，一些本发明的UD带可以是薄的，同时具有均匀的密度和/或高的纤维体积分数。尽管本发明的一些UD带包含纤维，但是其可以具有这些期望的特性，当铺展到铺展纤维层中时，其具有相对低的渗透性(例如，碳纤维)。

本发明方法的一些实施方案可用于使用基于熔体的浸渍技术制备具有均匀的密度和/或高的纤维体积分数的薄带，这可以避免基于溶剂的浸渍技术或基于水的浸渍技术的成本和/或复杂性。