纤维丝束表面处理系统 |
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| 申请号 | CN201710224804.3 | 申请日 | 2017-04-07 | 公开(公告)号 | CN107268264A | 公开(公告)日 | 2017-10-20 |
| 申请人 | 福特全球技术公司; | 发明人 | 赵海波; 格伦·L·史密斯; 安·玛丽·斯特拉西亚; | ||||
| 摘要 | 公开了一种 纤维 丝束 表面处理 系统。还公开了对纤维丝束(如 碳 纤维丝束)进行 等离子体 处理的系统和方法。系统可以是纤维丝束处理系统，包括：空气等离子体源，被构造为发射等离子体流； 支撑 表面，与空气等离子体源隔开并被构造为在发射等离子体流时 接触 等离子体流。第一导向装置和第二导向装置可位于支撑表面的相背端部上并被构造为使运动的纤维丝束在支撑表面和空气等离子体源之间对齐。方法可包括：将纤维丝束连续输送通过第一导向装置、越过支撑表面并通过第二导向装置；当纤维丝束越过支撑表面时对其进行空气等离子体处理，使得由等离子体处理引起的纤维丝束挠度受支撑表面限制。公开的系统/方法在等离子体处理期间可减小对纤维丝束的损伤。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种纤维丝束处理系统，包括： |
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| 说明书全文 | 纤维丝束表面处理系统技术领域背景技术[0002] 对车辆制造商而言，提高燃料经济性是重要的目标。对改善燃料经济性的需求可以是由燃料成本、排放标准(例如，针对二氧化碳)、增加行驶里程或其他原因驱使的。提高燃料经济性的一种方法是使用轻质材料来减轻车辆重量。碳纤维是具有良好机械特性的低密度材料。目前，碳纤维通常用于诸如航空航天、风能、体育用品和高端车辆的应用中。与高产量的车辆相比，这些应用通常产量较低并且价格较高。在汽车工业中，将碳纤维应用到高产量的非豪华车辆中提出一些挑战。其中一个挑战是开发用于大量生产的低成本加工技术。板材成型复合(SMC，sheet molding compound)工艺已经用于制造诸如行李舱盖、引擎罩、保险杠等的玻璃纤维增强部件。然而，由于碳纤维与玻璃纤维的纤维类型的物理特性的差异，相同的SMC工艺可能不适用于碳纤维。发明内容 [0003] 在至少一个实施例中，提供了一种纤维丝束处理系统。所述系统可包括：空气等离子体源，被构造为发射等离子体流；支撑表面，与所述空气等离子体源间隔开并且被构造为在所述等离子体流从空气等离子体源发射出来时接触所述等离子体流；第一导向装置和第二导向装置，位于所述支撑表面的相背的端部上并且被构造为使运动的纤维丝束在所述支撑表面和所述空气等离子体源之间对齐。 [0004] 所述支撑表面可被构造为在所述纤维丝束被所述等离子体流处理时将所述纤维丝束的挠度减小到最多3mm。所述支撑表面可距所述空气等离子体源5mm到20mm。所述第一导向装置和所述第二导向装置可被构造为在所述纤维丝束被所述等离子体流处理时将所述纤维丝束保持在水平的方位。所述纤维丝束处理系统还可包括第三导向装置，所述第三导向装置被构造为接纳所述纤维丝束并使纤维丝束与所述第一导向装置和所述第二导向装置对齐。在一个实施例中，所述空气等离子体源是大气压空气等离子体探测器。 [0005] 在另一个实施例中，所述空气等离子体源被构造为产生等离子体幕。所述纤维丝束处理系统还可包括：多个支撑表面，垂直于所述空气等离子体源并位于所述等离子体幕的路径中；多组第一导向装置和第二导向装置，每组第一导向装置和第二导向装置均被构造为使纤维丝束在所述支撑表面和所述空气等离子体源之间对齐以被等离子体幕处理。在一个实施例中，所述纤维丝束处理系统包括拉紧式绕线筒，所述拉紧式绕线筒被构造为在所述纤维丝束被所述等离子体流处理之后接纳纤维丝束。在另一个实施例中，所述纤维丝束处理系统包括切段装置，所述切段装置被构造为在所述纤维丝束被所述等离子体流处理之后将所述纤维丝束切成段。在一个实施例中，所述纤维丝束处理系统可包括：另一个空气等离子体源，被构造为发射另一个等离子体流；另一个支撑表面，垂直于所述另一个空气等离子体源并位于所述另一个等离子体流的路径中。 [0006] 在至少一个实施例中，提供了一种方法。所述方法可包括：将纤维丝束连续地输送通过第一导向装置、越过支撑表面并通过第二导向装置；当所述纤维丝束越过所述支撑表面时，对所述纤维丝束进行空气等离子体处理，使得由空气等离子体处理引起的纤维丝束的挠度受所述支撑表面限制。 [0007] 所述空气等离子体处理可来自垂直于所述支撑表面的方向。所述方法可包括：当将所述纤维丝束连续地输送越过所述支撑表面时，以距所述支撑表面3mm或更小的间距保持所述纤维丝束。在一个实施例中，所述方法可包括：当将所述纤维丝束连续地输送越过所述支撑表面时，以距所述空气等离子体源的尖部5mm到15mm的距离保持所述纤维丝束。当将所述纤维丝束连续地输送通过所述第一导向装置、越过所述支撑表面并通过所述第二导向装置时，所述纤维丝束中的张力可保持在1MPa到12MPa。在一个实施例中，所述方法可包括：将多个纤维丝束连续地输送越过支撑表面；当所述多个纤维丝束越过所述支撑表面时，使用等离子体幕来对所述多个纤维丝束进行空气等离子体处理。所述方法可包括：在所述空气等离子体处理之后，将所述纤维丝束缠绕到滚线筒上，或者在所述空气等离子体处理之后，将所述纤维丝束切成多个段。 [0008] 在至少一个实施例中，提供了一种方法。所述方法可包括：将纤维丝束连续地输送通过第一导向装置、越过第一支撑表面和第二支撑表面并通过所述第二导向装置；当所述纤维丝束越过所述第一支撑表面时，从第一方向对所述纤维丝束进行空气等离子体处理，并且当所述纤维丝束越过所述第二支撑表面时，从第二方向对所述纤维丝束进行空气等离子体处理，使得由所述空气等离子体处理引起的纤维丝束的挠度受第一支撑表面和第二支撑表面限制。附图说明 [0009] 图1是根据一个实施例的用于对纤维丝束进行等离子体处理的系统的示意性立体图； [0010] 图2是根据一个实施例的纤维丝束导向装置的前视立体图； [0011] 图3是根据一个实施例的纤维丝束导向装置的后视立体图； [0012] 图4是根据一个实施例的另一个纤维丝束导向装置的前视立体图； [0013] 图5是根据一个实施例的用于对纤维丝束进行等离子体处理的系统的侧视立体图，其中，该系统包括位于等离子体源下方的支撑板； [0014] 图6是根据另一个实施例的用于对纤维丝束进行等离子体处理的系统的示意图； [0015] 图7是将未处理的碳纤维和根据所公开的系统和方法处理的碳纤维进行比较的XPS数据； [0016] 图8是未处理的碳纤维、等离子体处理后的碳纤维以及等离子体处理后老化了的碳纤维的结合能(binding energy)的曲线图，其示出了等离子体处理后的纤维(老化和未老化的)的醇基的增加； [0017] 图9是将未处理的碳纤维和根据所公开的系统和方法处理的碳纤维进行比较的XPS数据； [0018] 图10是对断裂试验之后的未经处理的碳纤维复合物以50倍进行放大的SEM； [0019] 图11是对未经处理的碳纤维复合物以250倍进行放大的SEM； [0020] 图12是对断裂试验之后的碳纤维复合物以50倍进行放大的SEM，其中，所述碳纤维复合物中的纤维是根据所公开的方法等离子体处理后的； [0021] 图13是对碳纤维复合物以250倍进行放大的SEM；以及 [0022] 图14是针对未经处理的碳纤维复合物和其纤维是根据所公开的方法处理后的碳纤维复合物的抗拉强度数据的图示。 具体实施方式[0023] 根据需要，在此公开本发明的详细实施例。然而，应理解的是，所公开的实施例仅为本发明的示例，本发明可以以各种可替代形式实施。附图不一定按比例绘制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的细节。因此，在此公开的具体结构和功能细节不应解释为具有限制性，而仅作为用于教导本领域技术人员以各种形式利用本发明的代表性基础。 [0024] 如背景技术中所描述的，用于制造玻璃纤维增强部件的SMC工艺可能不适用于生产碳纤维增强部件。碳纤维束在SMC工艺中会导致一些问题。例如，树脂可能难以浸润(例如，完全浸渍)碳纤维，并且纤维在成型期间可能不能很好地流动。碳纤维的表面特性还可能阻碍树脂的浸润。这些问题可能导致碳纤维和树脂之间的相对低的表面接触。由于这些问题，碳纤维增强的SMC部件尚未满足一些应用所需的机械性能。改进碳纤维SMC工艺中的碳纤维分离的经济而有效的方法可以改善最终部件的性能。 [0025] 碳丝束是一束单个碳纤维长丝或一束形成较大股的单个碳纤维股。碳丝束可编织在一起成为布或织物。碳丝束可通过大小(诸如，3k、6k、12k、24k、36k、48k或更高，其中“k”表示一千根长丝)来限定或分类。例如，12k碳丝束可包括12000根碳长丝。碳丝束可具有各种尺寸，并且尺寸的选择可取决于应用。长丝的直径还可根据期望的特性或应用而变化。长丝的直径可(例如)从1微米变化到25微米，或在其中的子范围(诸如，5微米到15微米或5微米到10微米)内变化。丝束可具有大致矩形的横截面(具有宽度和高度)。丝束的宽度可根据长丝的数量和大小而变化，例如，宽度可为3mm到25mm或者其中任意的子范围，诸如3mm到20mm或5mm到15mm。丝束的高度可类似地变化，但高度可为25μm到1mm或者其中任意的子范围，诸如25μm到500μm或25μm到100μm。 [0026] 碳纤维和碳纤维丝束的生产在本领域中是已知的，将不再详细描述。通常，碳纤维丝束的生产包括聚合、纺丝、氧化、碳化和表面处理的步骤。然而，存在用于生产碳纤维丝束的多种方法，并且，任何方法可适合于本公开。聚合通常包括将聚合的原料(例如，前体)转化为能够形成纤维的材料。通常，纤维可通过由丙烯腈制成的聚丙烯腈(PAN)形成，然而，纤维还可由诸如人造丝或沥青类前体的其他前体形成。前体可以是粉末形式并可以溶解在溶剂(例如，有机溶剂或水溶剂)中，以形成浆料。 [0027] 纤维可通过纺丝(例如，湿纺)形成。浆料可浸在凝结剂中，并通过具有与期望的丝束的长丝计数匹配的若干个孔的套管或喷丝头中的孔挤出。湿纺纤维可被洗涤、干燥并拉伸。虽然湿纺是形成碳纤维的一种方法，但是也可使用本领域已知的其他方法。在干燥之后，纤维可(例如)被缠绕在线筒上。 [0028] 然后，可被缠绕或卷绕的纤维可在氧化步骤期间被插入或送入通过一个或更多个烘炉。氧化温度可在大约200℃至300℃的范围内变化。该过程会使聚合物链交联并增加密度。在氧化之后，氧化的纤维可含有大约50％至65％的碳分子以及诸如氢、氮和氧的元素以形成平衡。 [0029] 在碳化步骤中，纤维被再次加热，但是是在惰性或无氧的气氛中加热。在无氧气的情况下，非碳分子从纤维中去除。碳化步骤可包括在一个或更多个温度(例如，第一较低温度和第二较高温度)下加热。例如，温度可在700℃到1500℃的范围内变化。在整个生产过程中，纤维可保持张紧。在碳化过程中，发生碳分子的结晶并且成品纤维可具有90％以上的碳。 [0030] 在碳化之后，纤维可接受表面处理和/或称为上浆(sizing)的涂覆。表面处理可包括拉动纤维通过包含溶液的电化学浴或电解池，以蚀刻每根长丝的表面或使每根长丝的表面变粗糙。然后，可将通常称为上浆的涂覆应用于纤维。上浆是为了在处理和加工期间保护碳纤维，使得纤维表面不被刮擦或损坏。在应用过上浆并且已经干燥之后，纤维丝束通常被捆扎或卷绕(例如，在绕线筒上)用于后续使用。 [0031] 如上所述，在SMC工艺中使用碳纤维的挑战之一是碳纤维表面上的树脂浸润性。已经发现，增强浸润性的一种可能的解决方案是改变碳纤维的表面特性并减小树脂在碳纤维上的接触角度。增加碳纤维的表面能(surface energy)可减小与树脂的接触角度并且增强与树脂的浸润性。在一个实施例中，等离子体处理可用于增加丝束中的碳纤维的表面能。等离子体处理可以是大气压空气等离子体(APAP)。已经发现，使用APAP来处理碳纤维可以增加碳纤维表面上的极性基团，从而增加表面能并使得树脂更容易浸润。 [0032] 然而，APAP工艺通常采用高压等离子体，高压等离子体可能会使未被支撑的碳纤维丝束变形并且/或者损伤未被支撑的碳纤维丝束。受损的丝束会造成后续的加工问题和/或产品缺陷。除了可能的变形或损伤之外，未被支撑的碳纤维丝束在APAP工艺的压力下还会弯曲。由弯曲导致的结果是，在处理的过程中，碳纤维丝束可接受不一致和/或无效的等离子体剂量。 [0033] 参照图1到图6，公开了对纤维丝束(例如，碳纤维)进行等离子体处理的系统和方法。所述系统和方法可对纤维进行等离子体处理，同时在等离子体处理期间支撑纤维并防止或减小纤维变形或损伤。所述系统还可在等离子体处理期间防止纤维弯曲，以提供一致且有效的等离子体剂量。所公开的系统和方法可减小纤维和树脂之间的接触角度并改善树脂的浸润性，这使得纤维复合物的机械特性得到改善。 [0034] 参照图1，示出了纤维丝束表面处理系统10的实施例。系统10可被构造为容纳纤维丝束(诸如，碳纤维丝束)14的绕线筒或卷线筒12。在图1中示出的一个实施例中，绕线筒12可被可旋转地支撑，从而允许其旋转并且纤维丝束14能被解绕(例如，通过拉动丝束的自由端)。在另一个实施例中，绕线筒12可被构造为保持静止并且可沿着平行于绕线筒12的长轴线的方向从绕线筒12拉动纤维丝束14。在该实施例中，纤维丝束14可在绕线筒12不旋转的情况下从绕线筒12解绕。然而，可使用将纤维丝束14从绕线筒12连续地解绕的任何适合的构造。 [0035] 一旦纤维丝束14从绕线筒12解绕，便可使其穿过第一导向装置(guide)16。在图2和图3中分别示出了第一导向装置16的一个实施例的前视立体图和后视立体图。在第一导向装置16中可限定有孔缝(aperture)或孔18，孔缝或孔18从第一导向装置16的前表面20延伸到后表面22。孔缝18可被构造为接纳纤维丝束14。在一个实施例中，孔缝18在前表面20处可具有比在后表面22处大的宽度或直径。孔缝18在后表面22处的直径可被构造为略微地大于纤维丝束14的宽度，从而在纤维丝束14离开第一导向装置16的后表面22时沿着孔缝18的方向引导纤维丝束14。孔缝18的壁24可从前表面20延伸到后表面22。在孔缝18的直径从前表面20到后表面22减小的实施例中，壁24可具有连续变化的直径。在一个实施例中，可对壁24进行倒圆角，以使壁24在前表面20与后表面22之间变得圆滑。圆角的半径可以是(例如) 0.2英寸到0.5英寸或者其中的任意子范围(诸如，0.25英寸到0.45英寸或0.3英寸到0.4英寸)的半径。除了孔缝18之外，第一导向装置16可包括额外的孔26，所述孔26可被构造为接纳紧固件以将第一导向装置16固定到系统10的基座28或系统中的其他部件。 [0036] 在纤维丝束14穿过第一导向装置16之后，它可穿过第二导向装置30。在图4中示出了第二导向装置30的实施例的立体图。与第一导向装置16相似，第二导向装置30可包括用于将第二导向装置30附连到基座28或系统10的其他部件的孔26。在第二导向装置30中可限定有通道32，该通道32从第二导向装置30的前表面34延伸到后表面36。在第二导向装置30的侧壁38中可限定位于通道32的每个侧部上的一对孔40。该孔可被构造为容纳杆或销42，如图1和图5所示。孔40和杆42可竖直地间隔开。间距可略微地大于纤维丝束14的高度但小于纤维丝束14的宽度。例如，间距可小于5mm，诸如，小于3mm、小于1mm或小于0.5mm(500μm)。 [0037] 第二导向装置30可被构造为通过杆42之间的间距接纳纤维丝束14。因为杆之间的间距仅可略微大于纤维丝束14的高度并且小于丝束的宽度，所以杆42可将丝束保持在水平的位置以使丝束的宽度平行于杆42。杆42可固定在孔40内或者可在孔40内自由地旋转。因此，第二导向装置30可接纳来自第一导向装置16的孔缝18的纤维丝束14并且可在纤维丝束14离开第二导向装置30时将丝束14定向在水平的位置或平面的位置。虽然第二导向装置30被示出和描述为使用杆42来保持方位，但是也可使用提供相同功能的其他构造。 [0038] 在纤维丝束14穿过第二导向装置30之后，它可被支撑板44接纳。在图5中示出了支撑板44的实施例。支撑板44可具有第一端部46和第二端部48。在第一端部和第二端部中均可限定有被构造为接纳纤维丝束14的通道50。通道50的宽度和高度可略微大于纤维丝束14的宽度和高度，但可具有水平的方位(例如，宽度大于高度)以便于将纤维丝束14保持在水平的方位。在第一端部和第二端部之间可存在支撑表面52。支撑表面52可在第一端部46和第二端部48之间延伸。在一个实施例中，支撑表面在通道50的底部之间延伸。 [0039] 支撑表面52可位于等离子体系统(例如，大气压空气等离子体(APAP)系统)的等离子体探测器(plasmaprobe)54的下方。在一个实施例中，支撑表面52相对于地面可以是水平的或大体上水平的(例如，±5°)。等离子体探测器54可被构造为相对于地面竖直或大体上竖直(例如，±5°)。因此，等离子体探测器54可垂直于支撑表面52(例如，±5°)，以使等离子体流的方向垂直于支撑表面52。因此，从支撑表面52到等离子体探测器54的尖部的竖直偏移量或竖直距离可以是恒定的或大体上恒定的(例如，最多±5mm)。 [0040] 在纤维丝束14穿过支撑板44之后，它可穿过第三导向装置56。第三导向装置56可与第二导向装置30相同或者大体上相似，在图4中示出了第二导向装置30的实施例并且在上面描述了第二导向装置30的实施例。然而，虽然第三导向装置56可与第二导向装置30相同或者相似，但是也可使用提供相同功能的其他构造。第二导向装置30和第三导向装置56可设置在支撑板44的相背的侧部上。第二导向装置30可邻近支撑板44的第一端部46而第三导向装置56可邻近支撑板44的第二端部48。第二导向装置和第三导向装置的分隔开的杆42可分别与支撑板44的第一端部和第二端部中的通道50对齐。因此，纤维丝束14可从第二导向装置30的分隔开的杆42之间穿过，通过支撑板44的第一端部46中的通道50，越过支撑表面52，通过支撑板44的第二端部48中的通道50并通过第三导向装置56的分隔开的杆42。 [0041] 当纤维丝束14越过支撑表面时，它可接受来自等离子体探测器54的等离子体处理，例如，APAP处理。第一导向装置、第二导向装置和第三导向装置以及支撑板中的通道可被构造为使得在纤维丝束14通过支撑表面52上方时纤维丝束14非常地靠近支撑表面52(例如，在不施用等离子体的情况下)。导向装置/通道甚至可被构造为使得在纤维丝束14通过支撑表面52上方时纤维丝束14与支撑表面52接触。在一个实施例中，导向装置/通道可被构造为使得在纤维丝束14通过支撑表面52上方时纤维丝束14具有距支撑表面52为0到10mm或者其中的任意子范围(诸如，0到5mm、0到3mm或0到1mm)的竖直间距。在另一个实施例中，导向装置/通道可被构造为使得在纤维丝束14通过支撑表面52上方时纤维丝束14具有距支撑表面52为0.1mm到10mm或者其中的任意子范围(诸如，0.1mm到5mm、0.1mm到3mm或0.1mm到1mm)的竖直间距。 [0042] 当等离子体探测器54被启用时，在纤维丝束14通过支撑表面52上方时可朝向纤维丝束14引导等离子体羽(plasma plume)或等离子体流58。等离子体流58的形状可取决于等离子体源的类型。等离子体流可具有圆形截面或者细长的矩形截面(例如，平面的或像幕的)。等离子体流58在纤维丝束14上施加压力。所施加的压力可取决于所使用的等离子体系统、操作参数、处理的距离和速度、喷嘴设计以及其他因素。在一个实施例中，等离子体探测器54的操作压力可以是至少20毫巴(mbar)，例如，至少25mbar或至少30mbar。压力通常可小于150mbar或小于140mbar。 [0043] 来自等离子体流58的压力通常足以使纤维丝束的长丝变形或者损伤纤维丝束的长丝。在下面没有支撑的情况下，丝束14可能会被击断(blown apart)和/或向下弯曲或者沿着与探测器54相反的方向弯曲。除了损伤丝束之外，弯曲还会导致纤维丝束经受不一致的等离子体处理。等离子体剂量可以是处理距离(例如，从探测器的尖部到基底(substrate)的距离)的函数。因此，通过使丝束远离探测器弯曲，未被支撑的丝束不能保持恒定的处理距离，这会造成丝束的不一致的等离子体处理。 [0044] 然而，支撑表面52可防止或减轻损伤或者可防止或缓和不一致的等离子体剂量。通过对丝束的底部或下侧(相对于探测器)提供支撑，在纤维丝束14经过支撑表面52上方时纤维丝束14不会弯曲，或者可弯曲非常小的量。这可防止丝束的长丝被击断、变形和/或破损。此外，纤维丝束14不会远离探测器54弯曲大于某个非常小的量，从而为纤维丝束14提供恒定的处理距离和一致的等离子体剂量。通常，等离子体剂量可随着处理距离和纤维丝束 14的速度/速率的减小而增加。在一个实施例中，纤维丝束14和/或支撑表面52(例如，支撑板44的顶部表面)可被构造为距等离子体探测器54的尖部3mm至20mm或者其中的任意子范围，诸如，5mm到20mm、5mm到15mm或6mm到12mm。当纤维丝束14通过支撑表面52上方时，纤维丝束14的速度可为50mm/s到1000mm/s或者其中的任意子范围，诸如，50mm/s到800mm/s、 50mm/s到700mm/s、100mm/s到800mm/s、100mm/s到700mm/s、50mm/s到600mm/s、100mm/s到 600mm/s、50mm/s到450mm/s、50mm/s到300mm/s或100mm/s到300mm/s。 [0045] 因此，在操作的过程中，系统10可拉动来自绕线筒、卷线筒或纤维丝束的其他来源的纤维丝束。然后，纤维丝束可穿过第一导向装置和第二导向装置并越过支撑表面。诸如APAP探测器的等离子体探测器可被设置为垂直于支撑表面(例如，在上方或下方)并且可在纤维丝束通过支撑表面上方时将等离子体流发射到纤维丝束上。支撑表面可防止纤维丝束在等离子体流的压力下弯曲，从而使施用于丝束的等离子体剂量保持一致。支撑表面还减小由等离子体流压力给纤维束造成的损伤。在纤维丝束越过支撑表面之后，纤维丝束可穿过第三导向装置。 [0046] 在纤维丝束离开第三导向装置之后，可将其再缠绕到绕线筒、卷线筒或滚线筒(与其最初来自的那个绕线筒、卷线筒或滚线筒类似)上，或者可将其切成较小的段。在图1中所示的实施例中，纤维丝束被再缠绕到绕线筒上。例如，第三导向装置56或者单独的导向装置可沿着绕线筒的长轴线往复运动以均匀地缠绕纤维丝束。该绕线筒可旋转以拉动来自最初的绕线筒12的纤维丝束通过导向装置并将纤维丝束拉动到最终的绕线筒(例如，等离子体处理后的绕线筒)上。诸如电动马达的马达可被配置为使拉紧式绕线筒(take-up bobbin)旋转。 [0047] 在至少一个实施例中，在处理的过程中纤维丝束中的张力可保持在一定的范围内。如果张力太低，则纤维丝束不会被保持为直的/紧的并且不会被保持在适当的位置，但是如果张力太大，则该张力会损伤长丝。在一个实施例中，在等离子体处理的过程(例如，解绕、穿过导向装置以及经受等离子体处理)中可使纤维丝束的张力保持1MPa到12MPa之间或者其中的任意子范围。例如，可使纤维丝束的张力保持在2MPa到10MPa、2.5MPa到8MPa或3.0MPa到6MPa之间。可通过拉紧式绕线筒、滚线筒、前者的组合或其他方法来保持张力。可利用传感器来连续地或间歇地(或者在开始时进行一次)监测纤维丝束中的张力。在一个实施例中，一个或更多个传感器可与丝束成直线地设置，以使其成为处理过程的一部分。基于诸如丝束的角度和产生的电压(例如，传感器(sensor transducer)的电压)的参数，传感器可确定张力。适合的传感器的一个示例可以是单个的卷线张力传感器。张力可受诸如丝束拉动速度和系统部件(例如，轴承、滚线筒等)的阻尼的参数影响。 [0048] 参照图6，示出了等离子体处理系统100的简化示意图。系统100可以以大体上类似于系统10的方式运行。图1中示出的系统10可以是容量相对较低的系统，然而，基于本公开，本领域的普通技术人员将理解，系统可按比例放大到更高的容量。系统100示出了更加通用的系统，该系统可用于低容量或高容量的纤维丝束处理。纤维丝束102可从卷线筒或滚线筒104中解绕并且被拉动通过第一导向装置106和第二导向装置108。虽然示出了两个导向装置，但是也可使用单个导向装置或两个以上的导向装置。然后，丝束102可被拉动越过垂直于等离子体源112设置的支撑表面110，该等离子体源112可以是APAP等离子体源。如上所述，等离子体源可发射处理纤维丝束中的长丝的表面的等离子体流。 [0049] 在对纤维丝束进行等离子体处理之后，可将其拉动通过第三导向装置114和可选的一个或更多个额外的导向装置。如所示出的，丝束102可再缠绕到通过马达118运转的卷线筒或滚线筒116上。可选地，可将处理后的丝束加工成被包含到诸如SMC复合物的纤维复合物中。在一些实施例中，纤维丝束102在被等离子体处理之后可被切成较短的段。然后，所述较短的段可被收集以备后续使用或者可直接将其用于形成SMC板材。例如，可将处理后的纤维丝束切断并允许纤维丝束掉落到其上设置有树脂的膜(film)上。然后，所述膜可与另一层膜压在一起以形成SMC板材。 [0050] 虽然示出了在系统10和100中处理单个丝束，但是也可处理多个丝束。可重复所示出的系统，使得存在多组导向装置、支撑板、等离子体探测器等，以增加输出并且减少循环次数。在一个实施例中，作为大致圆点形的等离子体探测器的替代(或者除了大致圆点形的等离子体探测器以外)，等离子体源112可以是产生细长的“幕”或呈平面/薄板形状的等离子体流的等离子体幕(plasma curtain)。在本实施例中，类似于上面的内容，多个纤维丝束可解绕并被输送通过导向装置以使其并排移动或平行地移动。每个纤维丝束均可具有支撑板，或者可存在为多个纤维丝束提供支撑表面的共用的支撑板。然后，在等离子体幕垂直于纤维丝束行进的方向的情况下，等离子体幕的源可发射同时处理多个纤维丝束的等离子体流。等离子体幕的源的使用可简化多个丝束的等离子体处理并且减少所需的等离子体源的数量。在一个实施例中，等离子体幕的源可同时处理至少5个纤维丝束，例如，至少10个、15个或20个纤维丝束。 [0051] 在上述的实施例中，等离子体源被配置为在从底部方向支撑纤维丝束的同时从顶部方向对纤维丝束进行处理。当然，方向可相反或者可使用其他构造。例如，支撑表面可以是竖直的(例如，相对于地面)并且等离子体探测器可以是水平的，使得等离子体源被配置为在从一侧的方向支撑纤维丝束的同时从相背的一侧的方向对纤维丝束进行处理。此外，每个系统均可包括多个等离子体源并且可从一个以上的方向对纤维丝束进行等离子体处理。例如，在图1中所示的实施例中，等离子体源是从上方对纤维进行处理。然而，在从上方对纤维丝束进行处理之前或之后，另一个等离子体源可从下方对纤维丝束进行处理。可存在另一个支撑板并且所述另一个支撑板可在纤维丝束上方提供支撑表面以执行与上面所描述的功能相同的功能。因此，该系统可包括多组等离子体源和支撑板。可选地，单个支撑板可被构造为在系统内的不同位置为纤维丝束的相背的侧部提供支撑表面(例如，在一个位置在纤维丝束的下方延伸，在另一个位置在纤维丝束的上方延伸)。 [0052] 如上所述，诸如碳丝束的纤维丝束的各个长丝可能相对易碎。为了获得纤维的最优性能，应在等离子体处理过程中避免对长丝的损伤。所公开的支撑板可减小来自等离子体处理自身的损伤，然而，系统的其他的部分也应尽可能地避免损伤纤维丝束。在一个实施例中，系统中与纤维丝束相互作用或者接触的一些部件或所有部件可具有平滑的表面。例如，可对金属(或者其他)部件进行抛光以消除或减小长丝和部件之间的摩擦的可能性或者具有可能损伤或破坏长丝的尖锐特征的可能性。 [0053] 对未经处理的碳纤维丝束和使用所公开的系统和方法处理后的碳纤维丝束的样品进行测试以确定等离子体处理和处理系统的效果。执行了X射线光电子能谱(XPS)以确定APAP处理之后的表面化学变化。XPS能测量增加到表面的氧(或极性基团)的量，氧(或极性基团)可有助于复合基质(composite matrix)中的碳纤维丝束的黏附和树脂浸润。使用来自Plasmatreat NA的APAP旋转喷嘴来执行该处理。等离子体参数为：在喷嘴处的60mbar的气压下，距离为8mm，速度为150mm/sec。 [0054] 在图7中示出了XPS分析的结果。对用未改性的环氧树脂上浆后的碳纤维丝束进行XPS分析的结果是：对于所分析的6个区域，平均的氧含量为19.1原子％，标准偏差为0.77原子％。在等离子体处理之后，对于沿着被处理的丝束所分析的3个区域，平均的氧含量增加至26.3原子％，标准偏差为0.67原子％。在被处理的丝束上几乎不存在点与点之间的差异，因此获得了均质的处理。 [0055] 此外，在室内环境条件下使相同的等离子体处理后的样品老化以分析该处理是否会随时间而变化。在两周内，氧含量相对于最初被处理的表面仅下降约4.6％。在30天之后，测量到氧更显著地减少。在30天以上的更长的时间，测量到氧含量下降约11.8％。参照图8，通过XPS高分辨率核级C 1s谱(XPS High Resolution Core Level C 1s spectra)确定增加的氧主要是以醇的形式存在。碳纤维丝束上醇基的增加提供了用于提高树脂浸润性的更具极性的表面和用于复合基质内的黏附性的更适用的羟基(-OH)。因此，根据环境条件，为了生产而处理并储存纤维是可行的。 [0056] 对未用环氧树脂上浆的粗碳纤维(raw carbon fiber)丝束进行的等离子体处理执行额外的分析。为了对粗碳纤维进行处理，使用来自Plasmatreat NA的静止APAP炬(torch)，其参数被设置为：在速度为150mm/sec和450mm/sec下，距离为10mm。参照图9，XPS分析再次展示出在等离子体处理之后氧的原子百分比(atomic％)显著增加。未进行等离子体处理的粗碳纤维的氧含量为9.3原子％。在以150mm/sec和450mm/sec进行等离子体处理之后，氧的原子百分比分别增加到17.2原子％和12.1原子％。这个数据表明，粗碳纤维丝束可以在上浆之前进行等离子体处理以提高浸润性和上浆树脂(sizing resin)的黏附性，因此，可能增大最终复合树脂基质的总体强度。因此，用于对纤维丝束进行等离子体处理的所公开的系统和方法可用于以下两方面：1)在用树脂上浆之前对粗碳纤维丝束进行处理；和/或2)在复合材料成型之前对上浆后的碳纤维丝束进行处理。 [0057] 参照图10到图13，使利用环氧树脂浸润的单束的碳纤维(用环氧树脂上浆的)制成的拉挤成型(protrusion)样品断裂并使用SEM分析断面。采用等离子体处理而制成的样品具有优于未进行等离子体处理的样品的树脂浸润性。图10以50倍的放大率示出了断裂后的拉挤成型样品的断面的总体视图。在未进行等离子体处理的情况下，纤维与树脂基体松散地结合，这表明浸润性能较差。图11以250倍的放大率示出了相同的断面。 [0058] 图12(再次以50倍的放大率)示出了根据本公开处理后的碳纤维丝束的断裂的拉挤成型样品的断面的总体视图。如所示出的，等离子体处理后的样品具有与树脂基体更好的黏附性。图13以250倍的放大率示出了相同的断面。浸润了树脂的等离子体处理后的碳纤维保持所期望的较为均匀的圆柱形结构。相比之下，未经处理的丝束的长丝在浸润之后是松散的和散开的。等离子体处理后的碳纤维丝束的改善的浸润性和结构将增加纤维与基体之间的负载转移，从而复合物的整体的机械性能得到改善。在展现较差的浸润性的未经等离子体处理的样品中，长丝不能利用树脂完全地浸润。因此，当该样品受到负载时，长丝可能会靠着彼此滑动并且复合物失效。 [0059] 在图14中示出了复合物(包括所公开的经等离子体处理后的碳纤维丝束)的机械性能得到改善的证据。经过等离子体处理和未经等离子体处理的碳纤维与环氧树脂进行复合。然后，复合后的材料成型为12英寸乘12英寸的平板。拉力试棒(tensile bar)由该平板切制而成以用于拉力测试。在图14中示出了结果。未经等离子体处理的样品的抗拉强度为53.3MPa，而经等离子体处理后的样品的强度为126MPa，增加了136％。因此，机械性能测试证实了使用所公开的系统和方法来处理的等离子体处理后的碳纤维的表面化学性质变化和改善的浸润性能引起了机械性能显著提高。 [0060] 虽然上文描述了示例性实施例，但是并非意味着这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。更确切地，说明书中所使用的词语为描述性词语而非限制性词语，并且应理解的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可做出各种改变。此外，可组合各种实施的实施例的特征以形成本发明的进一步实施例。 |
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