本公開涉及纖維絲束表面處理系統(tǒng)，例如，碳纖維絲束表面處理。

背景技術(shù)：

對車輛制造商而言，提高燃料經(jīng)濟性是重要的目標(biāo)。對改善燃料經(jīng)濟性的需求可以是由燃料成本、排放標(biāo)準(zhǔn)(例如，針對二氧化碳)、增加行駛里程或其他原因驅(qū)使的。提高燃料經(jīng)濟性的一種方法是使用輕質(zhì)材料來減輕車輛重量。碳纖維是具有良好機械特性的低密度材料。目前，碳纖維通常用于諸如航空航天、風(fēng)能、體育用品和高端車輛的應(yīng)用中。與高產(chǎn)量的車輛相比，這些應(yīng)用通常產(chǎn)量較低并且價格較高。在汽車工業(yè)中，將碳纖維應(yīng)用到高產(chǎn)量的非豪華車輛中提出一些挑戰(zhàn)。其中一個挑戰(zhàn)是開發(fā)用于大量生產(chǎn)的低成本加工技術(shù)。板材成型復(fù)合(smc，sheetmoldingcompound)工藝已經(jīng)用于制造諸如行李艙蓋、引擎罩、保險杠等的玻璃纖維增強部件。然而，由于碳纖維與玻璃纖維的纖維類型的物理特性的差異，相同的smc工藝可能不適用于碳纖維。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在至少一個實施例中，提供了一種纖維絲束處理系統(tǒng)。所述系統(tǒng)可包括：空氣等離子體源，被構(gòu)造為發(fā)射等離子體流；支撐表面，與所述空氣等離子體源間隔開并且被構(gòu)造為在所述等離子體流從空氣等離子體源發(fā)射出來時接觸所述等離子體流；第一導(dǎo)向裝置和第二導(dǎo)向裝置，位于所述支撐表面的相背的端部上并且被構(gòu)造為使運動的纖維絲束在所述支撐表面和所述空氣等離子體源之間對齊。

所述支撐表面可被構(gòu)造為在所述纖維絲束被所述等離子體流處理時將所述纖維絲束的撓度減小到最多3mm。所述支撐表面可距所述空氣等離子體源5mm到20mm。所述第一導(dǎo)向裝置和所述第二導(dǎo)向裝置可被構(gòu)造為在所述纖維絲束被所述等離子體流處理時將所述纖維絲束保持在水平的方位。所述纖維絲束處理系統(tǒng)還可包括第三導(dǎo)向裝置，所述第三導(dǎo)向裝置被構(gòu)造為接納所述纖維絲束并使纖維絲束與所述第一導(dǎo)向裝置和所述第二導(dǎo)向裝置對齊。在一個實施例中，所述空氣等離子體源是大氣壓空氣等離子體探測器。

在另一個實施例中，所述空氣等離子體源被構(gòu)造為產(chǎn)生等離子體幕。所述纖維絲束處理系統(tǒng)還可包括：多個支撐表面，垂直于所述空氣等離子體源并位于所述等離子體幕的路徑中；多組第一導(dǎo)向裝置和第二導(dǎo)向裝置，每組第一導(dǎo)向裝置和第二導(dǎo)向裝置均被構(gòu)造為使纖維絲束在所述支撐表面和所述空氣等離子體源之間對齊以被等離子體幕處理。在一個實施例中，所述纖維絲束處理系統(tǒng)包括拉緊式繞線筒，所述拉緊式繞線筒被構(gòu)造為在所述纖維絲束被所述等離子體流處理之后接納纖維絲束。在另一個實施例中，所述纖維絲束處理系統(tǒng)包括切段裝置，所述切段裝置被構(gòu)造為在所述纖維絲束被所述等離子體流處理之后將所述纖維絲束切成段。在一個實施例中，所述纖維絲束處理系統(tǒng)可包括：另一個空氣等離子體源，被構(gòu)造為發(fā)射另一個等離子體流；另一個支撐表面，垂直于所述另一個空氣等離子體源并位于所述另一個等離子體流的路徑中。

在至少一個實施例中，提供了一種方法。所述方法可包括：將纖維絲束連續(xù)地輸送通過第一導(dǎo)向裝置、越過支撐表面并通過第二導(dǎo)向裝置；當(dāng)所述纖維絲束越過所述支撐表面時，對所述纖維絲束進行空氣等離子體處理，使得由空氣等離子體處理引起的纖維絲束的撓度受所述支撐表面限制。

所述空氣等離子體處理可來自垂直于所述支撐表面的方向。所述方法可包括：當(dāng)將所述纖維絲束連續(xù)地輸送越過所述支撐表面時，以距所述支撐表面3mm或更小的間距保持所述纖維絲束。在一個實施例中，所述方法可包括：當(dāng)將所述纖維絲束連續(xù)地輸送越過所述支撐表面時，以距所述空氣等離子體源的尖部5mm到15mm的距離保持所述纖維絲束。當(dāng)將所述纖維絲束連續(xù)地輸送通過所述第一導(dǎo)向裝置、越過所述支撐表面并通過所述第二導(dǎo)向裝置時，所述纖維絲束中的張力可保持在1mpa到12mpa。在一個實施例中，所述方法可包括：將多個纖維絲束連續(xù)地輸送越過支撐表面；當(dāng)所述多個纖維絲束越過所述支撐表面時，使用等離子體幕來對所述多個纖維絲束進行空氣等離子體處理。所述方法可包括：在所述空氣等離子體處理之后，將所述纖維絲束纏繞到滾線筒上，或者在所述空氣等離子體處理之后，將所述纖維絲束切成多個段。

在至少一個實施例中，提供了一種方法。所述方法可包括：將纖維絲束連續(xù)地輸送通過第一導(dǎo)向裝置、越過第一支撐表面和第二支撐表面并通過所述第二導(dǎo)向裝置；當(dāng)所述纖維絲束越過所述第一支撐表面時，從第一方向?qū)λ隼w維絲束進行空氣等離子體處理，并且當(dāng)所述纖維絲束越過所述第二支撐表面時，從第二方向?qū)λ隼w維絲束進行空氣等離子體處理，使得由所述空氣等離子體處理引起的纖維絲束的撓度受第一支撐表面和第二支撐表面限制。

附圖說明

圖1是根據(jù)一個實施例的用于對纖維絲束進行等離子體處理的系統(tǒng)的示意性立體圖；

圖2是根據(jù)一個實施例的纖維絲束導(dǎo)向裝置的前視立體圖；

圖3是根據(jù)一個實施例的纖維絲束導(dǎo)向裝置的后視立體圖；

圖4是根據(jù)一個實施例的另一個纖維絲束導(dǎo)向裝置的前視立體圖；

圖5是根據(jù)一個實施例的用于對纖維絲束進行等離子體處理的系統(tǒng)的側(cè)視立體圖，其中，該系統(tǒng)包括位于等離子體源下方的支撐板；

圖6是根據(jù)另一個實施例的用于對纖維絲束進行等離子體處理的系統(tǒng)的示意圖；

圖7是將未處理的碳纖維和根據(jù)所公開的系統(tǒng)和方法處理的碳纖維進行比較的xps數(shù)據(jù)；

圖8是未處理的碳纖維、等離子體處理后的碳纖維以及等離子體處理后老化了的碳纖維的結(jié)合能(bindingenergy)的曲線圖，其示出了等離子體處理后的纖維(老化和未老化的)的醇基的增加；

圖9是將未處理的碳纖維和根據(jù)所公開的系統(tǒng)和方法處理的碳纖維進行比較的xps數(shù)據(jù)；

圖10是對斷裂試驗之后的未經(jīng)處理的碳纖維復(fù)合物以50倍進行放大的sem；

圖11是對未經(jīng)處理的碳纖維復(fù)合物以250倍進行放大的sem；

圖12是對斷裂試驗之后的碳纖維復(fù)合物以50倍進行放大的sem，其中，所述碳纖維復(fù)合物中的纖維是根據(jù)所公開的方法等離子體處理后的；

圖13是對碳纖維復(fù)合物以250倍進行放大的sem；以及

圖14是針對未經(jīng)處理的碳纖維復(fù)合物和其纖維是根據(jù)所公開的方法處理后的碳纖維復(fù)合物的抗拉強度數(shù)據(jù)的圖示。

具體實施方式

根據(jù)需要，在此公開本發(fā)明的詳細實施例。然而，應(yīng)理解的是，所公開的實施例僅為本發(fā)明的示例，本發(fā)明可以以各種可替代形式實施。附圖不一定按比例繪制；可夸大或最小化一些特征以示出特定部件的細節(jié)。因此，在此公開的具體結(jié)構(gòu)和功能細節(jié)不應(yīng)解釋為具有限制性，而僅作為用于教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以各種形式利用本發(fā)明的代表性基礎(chǔ)。

如背景技術(shù)中所描述的，用于制造玻璃纖維增強部件的smc工藝可能不適用于生產(chǎn)碳纖維增強部件。碳纖維束在smc工藝中會導(dǎo)致一些問題。例如，樹脂可能難以浸潤(例如，完全浸漬)碳纖維，并且纖維在成型期間可能不能很好地流動。碳纖維的表面特性還可能阻礙樹脂的浸潤。這些問題可能導(dǎo)致碳纖維和樹脂之間的相對低的表面接觸。由于這些問題，碳纖維增強的smc部件尚未滿足一些應(yīng)用所需的機械性能。改進碳纖維smc工藝中的碳纖維分離的經(jīng)濟而有效的方法可以改善最終部件的性能。

碳絲束是一束單個碳纖維長絲或一束形成較大股的單個碳纖維股。碳絲束可編織在一起成為布或織物。碳絲束可通過大小(諸如，3k、6k、12k、24k、36k、48k或更高，其中“k”表示一千根長絲)來限定或分類。例如，12k碳絲束可包括12000根碳長絲。碳絲束可具有各種尺寸，并且尺寸的選擇可取決于應(yīng)用。長絲的直徑還可根據(jù)期望的特性或應(yīng)用而變化。長絲的直徑可(例如)從1微米變化到25微米，或在其中的子范圍(諸如，5微米到15微米或5微米到10微米)內(nèi)變化。絲束可具有大致矩形的橫截面(具有寬度和高度)。絲束的寬度可根據(jù)長絲的數(shù)量和大小而變化，例如，寬度可為3mm到25mm或者其中任意的子范圍，諸如3mm到20mm或5mm到15mm。絲束的高度可類似地變化，但高度可為25μm到1mm或者其中任意的子范圍，諸如25μm到500μm或25μm到100μm。

碳纖維和碳纖維絲束的生產(chǎn)在本領(lǐng)域中是已知的，將不再詳細描述。通常，碳纖維絲束的生產(chǎn)包括聚合、紡絲、氧化、碳化和表面處理的步驟。然而，存在用于生產(chǎn)碳纖維絲束的多種方法，并且，任何方法可適合于本公開。聚合通常包括將聚合的原料(例如，前體)轉(zhuǎn)化為能夠形成纖維的材料。通常，纖維可通過由丙烯腈制成的聚丙烯腈(pan)形成，然而，纖維還可由諸如人造絲或瀝青類前體的其他前體形成。前體可以是粉末形式并可以溶解在溶劑(例如，有機溶劑或水溶劑)中，以形成漿料。

纖維可通過紡絲(例如，濕紡)形成。漿料可浸在凝結(jié)劑中，并通過具有與期望的絲束的長絲計數(shù)匹配的若干個孔的套管或噴絲頭中的孔擠出。濕紡纖維可被洗滌、干燥并拉伸。雖然濕紡是形成碳纖維的一種方法，但是也可使用本領(lǐng)域已知的其他方法。在干燥之后，纖維可(例如)被纏繞在線筒上。

然后，可被纏繞或卷繞的纖維可在氧化步驟期間被插入或送入通過一個或更多個烘爐。氧化溫度可在大約200℃至300℃的范圍內(nèi)變化。該過程會使聚合物鏈交聯(lián)并增加密度。在氧化之后，氧化的纖維可含有大約50％至65％的碳分子以及諸如氫、氮和氧的元素以形成平衡。

在碳化步驟中，纖維被再次加熱，但是是在惰性或無氧的氣氛中加熱。在無氧氣的情況下，非碳分子從纖維中去除。碳化步驟可包括在一個或更多個溫度(例如，第一較低溫度和第二較高溫度)下加熱。例如，溫度可在700℃到1500℃的范圍內(nèi)變化。在整個生產(chǎn)過程中，纖維可保持張緊。在碳化過程中，發(fā)生碳分子的結(jié)晶并且成品纖維可具有90％以上的碳。

在碳化之后，纖維可接受表面處理和/或稱為上漿(sizing)的涂覆。表面處理可包括拉動纖維通過包含溶液的電化學(xué)浴或電解池，以蝕刻每根長絲的表面或使每根長絲的表面變粗糙。然后，可將通常稱為上漿的涂覆應(yīng)用于纖維。上漿是為了在處理和加工期間保護碳纖維，使得纖維表面不被刮擦或損壞。在應(yīng)用過上漿并且已經(jīng)干燥之后，纖維絲束通常被捆扎或卷繞(例如，在繞線筒上)用于后續(xù)使用。

如上所述，在smc工藝中使用碳纖維的挑戰(zhàn)之一是碳纖維表面上的樹脂浸潤性。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，增強浸潤性的一種可能的解決方案是改變碳纖維的表面特性并減小樹脂在碳纖維上的接觸角度。增加碳纖維的表面能(surfaceenergy)可減小與樹脂的接觸角度并且增強與樹脂的浸潤性。在一個實施例中，等離子體處理可用于增加絲束中的碳纖維的表面能。等離子體處理可以是大氣壓空氣等離子體(apap)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，使用apap來處理碳纖維可以增加碳纖維表面上的極性基團，從而增加表面能并使得樹脂更容易浸潤。

然而，apap工藝通常采用高壓等離子體，高壓等離子體可能會使未被支撐的碳纖維絲束變形并且/或者損傷未被支撐的碳纖維絲束。受損的絲束會造成后續(xù)的加工問題和/或產(chǎn)品缺陷。除了可能的變形或損傷之外，未被支撐的碳纖維絲束在apap工藝的壓力下還會彎曲。由彎曲導(dǎo)致的結(jié)果是，在處理的過程中，碳纖維絲束可接受不一致和/或無效的等離子體劑量。

參照圖1到圖6，公開了對纖維絲束(例如，碳纖維)進行等離子體處理的系統(tǒng)和方法。所述系統(tǒng)和方法可對纖維進行等離子體處理，同時在等離子體處理期間支撐纖維并防止或減小纖維變形或損傷。所述系統(tǒng)還可在等離子體處理期間防止纖維彎曲，以提供一致且有效的等離子體劑量。所公開的系統(tǒng)和方法可減小纖維和樹脂之間的接觸角度并改善樹脂的浸潤性，這使得纖維復(fù)合物的機械特性得到改善。

參照圖1，示出了纖維絲束表面處理系統(tǒng)10的實施例。系統(tǒng)10可被構(gòu)造為容納纖維絲束(諸如，碳纖維絲束)14的繞線筒或卷線筒12。在圖1中示出的一個實施例中，繞線筒12可被可旋轉(zhuǎn)地支撐，從而允許其旋轉(zhuǎn)并且纖維絲束14能被解繞(例如，通過拉動絲束的自由端)。在另一個實施例中，繞線筒12可被構(gòu)造為保持靜止并且可沿著平行于繞線筒12的長軸線的方向從繞線筒12拉動纖維絲束14。在該實施例中，纖維絲束14可在繞線筒12不旋轉(zhuǎn)的情況下從繞線筒12解繞。然而，可使用將纖維絲束14從繞線筒12連續(xù)地解繞的任何適合的構(gòu)造。

一旦纖維絲束14從繞線筒12解繞，便可使其穿過第一導(dǎo)向裝置(guide)16。在圖2和圖3中分別示出了第一導(dǎo)向裝置16的一個實施例的前視立體圖和后視立體圖。在第一導(dǎo)向裝置16中可限定有孔縫(aperture)或孔18，孔縫或孔18從第一導(dǎo)向裝置16的前表面20延伸到后表面22?？卓p18可被構(gòu)造為接納纖維絲束14。在一個實施例中，孔縫18在前表面20處可具有比在后表面22處大的寬度或直徑?？卓p18在后表面22處的直徑可被構(gòu)造為略微地大于纖維絲束14的寬度，從而在纖維絲束14離開第一導(dǎo)向裝置16的后表面22時沿著孔縫18的方向引導(dǎo)纖維絲束14?？卓p18的壁24可從前表面20延伸到后表面22。在孔縫18的直徑從前表面20到后表面22減小的實施例中，壁24可具有連續(xù)變化的直徑。在一個實施例中，可對壁24進行倒圓角，以使壁24在前表面20與后表面22之間變得圓滑。圓角的半徑可以是(例如)0.2英寸到0.5英寸或者其中的任意子范圍(諸如，0.25英寸到0.45英寸或0.3英寸到0.4英寸)的半徑。除了孔縫18之外，第一導(dǎo)向裝置16可包括額外的孔26，所述孔26可被構(gòu)造為接納緊固件以將第一導(dǎo)向裝置16固定到系統(tǒng)10的基座28或系統(tǒng)中的其他部件。

在纖維絲束14穿過第一導(dǎo)向裝置16之后，它可穿過第二導(dǎo)向裝置30。在圖4中示出了第二導(dǎo)向裝置30的實施例的立體圖。與第一導(dǎo)向裝置16相似，第二導(dǎo)向裝置30可包括用于將第二導(dǎo)向裝置30附連到基座28或系統(tǒng)10的其他部件的孔26。在第二導(dǎo)向裝置30中可限定有通道32，該通道32從第二導(dǎo)向裝置30的前表面34延伸到后表面36。在第二導(dǎo)向裝置30的側(cè)壁38中可限定位于通道32的每個側(cè)部上的一對孔40。該孔可被構(gòu)造為容納桿或銷42，如圖1和圖5所示。孔40和桿42可豎直地間隔開。間距可略微地大于纖維絲束14的高度但小于纖維絲束14的寬度。例如，間距可小于5mm，諸如，小于3mm、小于1mm或小于0.5mm(500μm)。

第二導(dǎo)向裝置30可被構(gòu)造為通過桿42之間的間距接納纖維絲束14。因為桿之間的間距僅可略微大于纖維絲束14的高度并且小于絲束的寬度，所以桿42可將絲束保持在水平的位置以使絲束的寬度平行于桿42。桿42可固定在孔40內(nèi)或者可在孔40內(nèi)自由地旋轉(zhuǎn)。因此，第二導(dǎo)向裝置30可接納來自第一導(dǎo)向裝置16的孔縫18的纖維絲束14并且可在纖維絲束14離開第二導(dǎo)向裝置30時將絲束14定向在水平的位置或平面的位置。雖然第二導(dǎo)向裝置30被示出和描述為使用桿42來保持方位，但是也可使用提供相同功能的其他構(gòu)造。

在纖維絲束14穿過第二導(dǎo)向裝置30之后，它可被支撐板44接納。在圖5中示出了支撐板44的實施例。支撐板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構(gòu)造為接納纖維絲束14的通道50。通道50的寬度和高度可略微大于纖維絲束14的寬度和高度，但可具有水平的方位(例如，寬度大于高度)以便于將纖維絲束14保持在水平的方位。在第一端部和第二端部之間可存在支撐表面52。支撐表面52可在第一端部46和第二端部48之間延伸。在一個實施例中，支撐表面在通道50的底部之間延伸。

支撐表面52可位于等離子體系統(tǒng)(例如，大氣壓空氣等離子體(apap)系統(tǒng))的等離子體探測器(plasmaprobe)54的下方。在一個實施例中，支撐表面52相對于地面可以是水平的或大體上水平的(例如，±5°)。等離子體探測器54可被構(gòu)造為相對于地面豎直或大體上豎直(例如，±5°)。因此，等離子體探測器54可垂直于支撐表面52(例如，±5°)，以使等離子體流的方向垂直于支撐表面52。因此，從支撐表面52到等離子體探測器54的尖部的豎直偏移量或豎直距離可以是恒定的或大體上恒定的(例如，最多±5mm)。

在纖維絲束14穿過支撐板44之后，它可穿過第三導(dǎo)向裝置56。第三導(dǎo)向裝置56可與第二導(dǎo)向裝置30相同或者大體上相似，在圖4中示出了第二導(dǎo)向裝置30的實施例并且在上面描述了第二導(dǎo)向裝置30的實施例。然而，雖然第三導(dǎo)向裝置56可與第二導(dǎo)向裝置30相同或者相似，但是也可使用提供相同功能的其他構(gòu)造。第二導(dǎo)向裝置30和第三導(dǎo)向裝置56可設(shè)置在支撐板44的相背的側(cè)部上。第二導(dǎo)向裝置30可鄰近支撐板44的第一端部46而第三導(dǎo)向裝置56可鄰近支撐板44的第二端部48。第二導(dǎo)向裝置和第三導(dǎo)向裝置的分隔開的桿42可分別與支撐板44的第一端部和第二端部中的通道50對齊。因此，纖維絲束14可從第二導(dǎo)向裝置30的分隔開的桿42之間穿過，通過支撐板44的第一端部46中的通道50，越過支撐表面52，通過支撐板44的第二端部48中的通道50并通過第三導(dǎo)向裝置56的分隔開的桿42。

當(dāng)纖維絲束14越過支撐表面時，它可接受來自等離子體探測器54的等離子體處理，例如，apap處理。第一導(dǎo)向裝置、第二導(dǎo)向裝置和第三導(dǎo)向裝置以及支撐板中的通道可被構(gòu)造為使得在纖維絲束14通過支撐表面52上方時纖維絲束14非常地靠近支撐表面52(例如，在不施用等離子體的情況下)。導(dǎo)向裝置/通道甚至可被構(gòu)造為使得在纖維絲束14通過支撐表面52上方時纖維絲束14與支撐表面52接觸。在一個實施例中，導(dǎo)向裝置/通道可被構(gòu)造為使得在纖維絲束14通過支撐表面52上方時纖維絲束14具有距支撐表面52為0到10mm或者其中的任意子范圍(諸如，0到5mm、0到3mm或0到1mm)的豎直間距。在另一個實施例中，導(dǎo)向裝置/通道可被構(gòu)造為使得在纖維絲束14通過支撐表面52上方時纖維絲束14具有距支撐表面52為0.1mm到10mm或者其中的任意子范圍(諸如，0.1mm到5mm、0.1mm到3mm或0.1mm到1mm)的豎直間距。

當(dāng)?shù)入x子體探測器54被啟用時，在纖維絲束14通過支撐表面52上方時可朝向纖維絲束14引導(dǎo)等離子體羽(plasmaplume)或等離子體流58。等離子體流58的形狀可取決于等離子體源的類型。等離子體流可具有圓形截面或者細長的矩形截面(例如，平面的或像幕的)。等離子體流58在纖維絲束14上施加壓力。所施加的壓力可取決于所使用的等離子體系統(tǒng)、操作參數(shù)、處理的距離和速度、噴嘴設(shè)計以及其他因素。在一個實施例中，等離子體探測器54的操作壓力可以是至少20毫巴(mbar)，例如，至少25mbar或至少30mbar。壓力通常可小于150mbar或小于140mbar。

來自等離子體流58的壓力通常足以使纖維絲束的長絲變形或者損傷纖維絲束的長絲。在下面沒有支撐的情況下，絲束14可能會被擊斷(blownapart)和/或向下彎曲或者沿著與探測器54相反的方向彎曲。除了損傷絲束之外，彎曲還會導(dǎo)致纖維絲束經(jīng)受不一致的等離子體處理。等離子體劑量可以是處理距離(例如，從探測器的尖部到基底(substrate)的距離)的函數(shù)。因此，通過使絲束遠離探測器彎曲，未被支撐的絲束不能保持恒定的處理距離，這會造成絲束的不一致的等離子體處理。

然而，支撐表面52可防止或減輕損傷或者可防止或緩和不一致的等離子體劑量。通過對絲束的底部或下側(cè)(相對于探測器)提供支撐，在纖維絲束14經(jīng)過支撐表面52上方時纖維絲束14不會彎曲，或者可彎曲非常小的量。這可防止絲束的長絲被擊斷、變形和/或破損。此外，纖維絲束14不會遠離探測器54彎曲大于某個非常小的量，從而為纖維絲束14提供恒定的處理距離和一致的等離子體劑量。通常，等離子體劑量可隨著處理距離和纖維絲束14的速度/速率的減小而增加。在一個實施例中，纖維絲束14和/或支撐表面52(例如，支撐板44的頂部表面)可被構(gòu)造為距等離子體探測器54的尖部3mm至20mm或者其中的任意子范圍，諸如，5mm到20mm、5mm到15mm或6mm到12mm。當(dāng)纖維絲束14通過支撐表面52上方時，纖維絲束14的速度可為50mm/s到1000mm/s或者其中的任意子范圍，諸如，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。

因此，在操作的過程中，系統(tǒng)10可拉動來自繞線筒、卷線筒或纖維絲束的其他來源的纖維絲束。然后，纖維絲束可穿過第一導(dǎo)向裝置和第二導(dǎo)向裝置并越過支撐表面。諸如apap探測器的等離子體探測器可被設(shè)置為垂直于支撐表面(例如，在上方或下方)并且可在纖維絲束通過支撐表面上方時將等離子體流發(fā)射到纖維絲束上。支撐表面可防止纖維絲束在等離子體流的壓力下彎曲，從而使施用于絲束的等離子體劑量保持一致。支撐表面還減小由等離子體流壓力給纖維束造成的損傷。在纖維絲束越過支撐表面之后，纖維絲束可穿過第三導(dǎo)向裝置。

在纖維絲束離開第三導(dǎo)向裝置之后，可將其再纏繞到繞線筒、卷線筒或滾線筒(與其最初來自的那個繞線筒、卷線筒或滾線筒類似)上，或者可將其切成較小的段。在圖1中所示的實施例中，纖維絲束被再纏繞到繞線筒上。例如，第三導(dǎo)向裝置56或者單獨的導(dǎo)向裝置可沿著繞線筒的長軸線往復(fù)運動以均勻地纏繞纖維絲束。該繞線筒可旋轉(zhuǎn)以拉動來自最初的繞線筒12的纖維絲束通過導(dǎo)向裝置并將纖維絲束拉動到最終的繞線筒(例如，等離子體處理后的繞線筒)上。諸如電動馬達的馬達可被配置為使拉緊式繞線筒(take-upbobbin)旋轉(zhuǎn)。

在至少一個實施例中，在處理的過程中纖維絲束中的張力可保持在一定的范圍內(nèi)。如果張力太低，則纖維絲束不會被保持為直的/緊的并且不會被保持在適當(dāng)?shù)奈恢?，但是如果張力太大，則該張力會損傷長絲。在一個實施例中，在等離子體處理的過程(例如，解繞、穿過導(dǎo)向裝置以及經(jīng)受等離子體處理)中可使纖維絲束的張力保持1mpa到12mpa之間或者其中的任意子范圍。例如，可使纖維絲束的張力保持在2mpa到10mpa、2.5mpa到8mpa或3.0mpa到6mpa之間?？赏ㄟ^拉緊式繞線筒、滾線筒、前者的組合或其他方法來保持張力?？衫脗鞲衅鱽磉B續(xù)地或間歇地(或者在開始時進行一次)監(jiān)測纖維絲束中的張力。在一個實施例中，一個或更多個傳感器可與絲束成直線地設(shè)置，以使其成為處理過程的一部分。基于諸如絲束的角度和產(chǎn)生的電壓(例如，傳感器(sensortransducer)的電壓)的參數(shù)，傳感器可確定張力。適合的傳感器的一個示例可以是單個的卷線張力傳感器。張力可受諸如絲束拉動速度和系統(tǒng)部件(例如，軸承、滾線筒等)的阻尼的參數(shù)影響。

參照圖6，示出了等離子體處理系統(tǒng)100的簡化示意圖。系統(tǒng)100可以以大體上類似于系統(tǒng)10的方式運行。圖1中示出的系統(tǒng)10可以是容量相對較低的系統(tǒng)，然而，基于本公開，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將理解，系統(tǒng)可按比例放大到更高的容量。系統(tǒng)100示出了更加通用的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可用于低容量或高容量的纖維絲束處理。纖維絲束102可從卷線筒或滾線筒104中解繞并且被拉動通過第一導(dǎo)向裝置106和第二導(dǎo)向裝置108。雖然示出了兩個導(dǎo)向裝置，但是也可使用單個導(dǎo)向裝置或兩個以上的導(dǎo)向裝置。然后，絲束102可被拉動越過垂直于等離子體源112設(shè)置的支撐表面110，該等離子體源112可以是apap等離子體源。如上所述，等離子體源可發(fā)射處理纖維絲束中的長絲的表面的等離子體流。

在對纖維絲束進行等離子體處理之后，可將其拉動通過第三導(dǎo)向裝置114和可選的一個或更多個額外的導(dǎo)向裝置。如所示出的，絲束102可再纏繞到通過馬達118運轉(zhuǎn)的卷線筒或滾線筒116上?？蛇x地，可將處理后的絲束加工成被包含到諸如smc復(fù)合物的纖維復(fù)合物中。在一些實施例中，纖維絲束102在被等離子體處理之后可被切成較短的段。然后，所述較短的段可被收集以備后續(xù)使用或者可直接將其用于形成smc板材。例如，可將處理后的纖維絲束切斷并允許纖維絲束掉落到其上設(shè)置有樹脂的膜(film)上。然后，所述膜可與另一層膜壓在一起以形成smc板材。

雖然示出了在系統(tǒng)10和100中處理單個絲束，但是也可處理多個絲束?？芍貜?fù)所示出的系統(tǒng)，使得存在多組導(dǎo)向裝置、支撐板、等離子體探測器等，以增加輸出并且減少循環(huán)次數(shù)。在一個實施例中，作為大致圓點形的等離子體探測器的替代(或者除了大致圓點形的等離子體探測器以外)，等離子體源112可以是產(chǎn)生細長的“幕”或呈平面/薄板形狀的等離子體流的等離子體幕(plasmacurtain)。在本實施例中，類似于上面的內(nèi)容，多個纖維絲束可解繞并被輸送通過導(dǎo)向裝置以使其并排移動或平行地移動。每個纖維絲束均可具有支撐板，或者可存在為多個纖維絲束提供支撐表面的共用的支撐板。然后，在等離子體幕垂直于纖維絲束行進的方向的情況下，等離子體幕的源可發(fā)射同時處理多個纖維絲束的等離子體流。等離子體幕的源的使用可簡化多個絲束的等離子體處理并且減少所需的等離子體源的數(shù)量。在一個實施例中，等離子體幕的源可同時處理至少5個纖維絲束，例如，至少10個、15個或20個纖維絲束。

在上述的實施例中，等離子體源被配置為在從底部方向支撐纖維絲束的同時從頂部方向?qū)w維絲束進行處理。當(dāng)然，方向可相反或者可使用其他構(gòu)造。例如，支撐表面可以是豎直的(例如，相對于地面)并且等離子體探測器可以是水平的，使得等離子體源被配置為在從一側(cè)的方向支撐纖維絲束的同時從相背的一側(cè)的方向?qū)w維絲束進行處理。此外，每個系統(tǒng)均可包括多個等離子體源并且可從一個以上的方向?qū)w維絲束進行等離子體處理。例如，在圖1中所示的實施例中，等離子體源是從上方對纖維進行處理。然而，在從上方對纖維絲束進行處理之前或之后，另一個等離子體源可從下方對纖維絲束進行處理?？纱嬖诹硪粋€支撐板并且所述另一個支撐板可在纖維絲束上方提供支撐表面以執(zhí)行與上面所描述的功能相同的功能。因此，該系統(tǒng)可包括多組等離子體源和支撐板。可選地，單個支撐板可被構(gòu)造為在系統(tǒng)內(nèi)的不同位置為纖維絲束的相背的側(cè)部提供支撐表面(例如，在一個位置在纖維絲束的下方延伸，在另一個位置在纖維絲束的上方延伸)。

如上所述，諸如碳絲束的纖維絲束的各個長絲可能相對易碎。為了獲得纖維的最優(yōu)性能，應(yīng)在等離子體處理過程中避免對長絲的損傷。所公開的支撐板可減小來自等離子體處理自身的損傷，然而，系統(tǒng)的其他的部分也應(yīng)盡可能地避免損傷纖維絲束。在一個實施例中，系統(tǒng)中與纖維絲束相互作用或者接觸的一些部件或所有部件可具有平滑的表面。例如，可對金屬(或者其他)部件進行拋光以消除或減小長絲和部件之間的摩擦的可能性或者具有可能損傷或破壞長絲的尖銳特征的可能性。

對未經(jīng)處理的碳纖維絲束和使用所公開的系統(tǒng)和方法處理后的碳纖維絲束的樣品進行測試以確定等離子體處理和處理系統(tǒng)的效果。執(zhí)行了x射線光電子能譜(xps)以確定apap處理之后的表面化學(xué)變化。xps能測量增加到表面的氧(或極性基團)的量，氧(或極性基團)可有助于復(fù)合基質(zhì)(compositematrix)中的碳纖維絲束的黏附和樹脂浸潤。使用來自plasmatreatna的apap旋轉(zhuǎn)噴嘴來執(zhí)行該處理。等離子體參數(shù)為：在噴嘴處的60mbar的氣壓下，距離為8mm，速度為150mm/sec。

在圖7中示出了xps分析的結(jié)果。對用未改性的環(huán)氧樹脂上漿后的碳纖維絲束進行xps分析的結(jié)果是：對于所分析的6個區(qū)域，平均的氧含量為19.1原子％，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.77原子％。在等離子體處理之后，對于沿著被處理的絲束所分析的3個區(qū)域，平均的氧含量增加至26.3原子％，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.67原子％。在被處理的絲束上幾乎不存在點與點之間的差異，因此獲得了均質(zhì)的處理。

此外，在室內(nèi)環(huán)境條件下使相同的等離子體處理后的樣品老化以分析該處理是否會隨時間而變化。在兩周內(nèi)，氧含量相對于最初被處理的表面僅下降約4.6％。在30天之后，測量到氧更顯著地減少。在30天以上的更長的時間，測量到氧含量下降約11.8％。參照圖8，通過xps高分辨率核級c1s譜(xpshighresolutioncorelevelc1sspectra)確定增加的氧主要是以醇的形式存在。碳纖維絲束上醇基的增加提供了用于提高樹脂浸潤性的更具極性的表面和用于復(fù)合基質(zhì)內(nèi)的黏附性的更適用的羥基(-oh)。因此，根據(jù)環(huán)境條件，為了生產(chǎn)而處理并儲存纖維是可行的。

對未用環(huán)氧樹脂上漿的粗碳纖維(rawcarbonfiber)絲束進行的等離子體處理執(zhí)行額外的分析。為了對粗碳纖維進行處理，使用來自plasmatreatna的靜止apap炬(torch)，其參數(shù)被設(shè)置為：在速度為150mm/sec和450mm/sec下，距離為10mm。參照圖9，xps分析再次展示出在等離子體處理之后氧的原子百分比(atomic％)顯著增加。未進行等離子體處理的粗碳纖維的氧含量為9.3原子％。在以150mm/sec和450mm/sec進行等離子體處理之后，氧的原子百分比分別增加到17.2原子％和12.1原子％。這個數(shù)據(jù)表明，粗碳纖維絲束可以在上漿之前進行等離子體處理以提高浸潤性和上漿樹脂(sizingresin)的黏附性，因此，可能增大最終復(fù)合樹脂基質(zhì)的總體強度。因此，用于對纖維絲束進行等離子體處理的所公開的系統(tǒng)和方法可用于以下兩方面：1)在用樹脂上漿之前對粗碳纖維絲束進行處理；和/或2)在復(fù)合材料成型之前對上漿后的碳纖維絲束進行處理。

參照圖10到圖13，使利用環(huán)氧樹脂浸潤的單束的碳纖維(用環(huán)氧樹脂上漿的)制成的拉擠成型(protrusion)樣品斷裂并使用sem分析斷面。采用等離子體處理而制成的樣品具有優(yōu)于未進行等離子體處理的樣品的樹脂浸潤性。圖10以50倍的放大率示出了斷裂后的拉擠成型樣品的斷面的總體視圖。在未進行等離子體處理的情況下，纖維與樹脂基體松散地結(jié)合，這表明浸潤性能較差。圖11以250倍的放大率示出了相同的斷面。

圖12(再次以50倍的放大率)示出了根據(jù)本公開處理后的碳纖維絲束的斷裂的拉擠成型樣品的斷面的總體視圖。如所示出的，等離子體處理后的樣品具有與樹脂基體更好的黏附性。圖13以250倍的放大率示出了相同的斷面。浸潤了樹脂的等離子體處理后的碳纖維保持所期望的較為均勻的圓柱形結(jié)構(gòu)。相比之下，未經(jīng)處理的絲束的長絲在浸潤之后是松散的和散開的。等離子體處理后的碳纖維絲束的改善的浸潤性和結(jié)構(gòu)將增加纖維與基體之間的負載轉(zhuǎn)移，從而復(fù)合物的整體的機械性能得到改善。在展現(xiàn)較差的浸潤性的未經(jīng)等離子體處理的樣品中，長絲不能利用樹脂完全地浸潤。因此，當(dāng)該樣品受到負載時，長絲可能會靠著彼此滑動并且復(fù)合物失效。

在圖14中示出了復(fù)合物(包括所公開的經(jīng)等離子體處理后的碳纖維絲束)的機械性能得到改善的證據(jù)。經(jīng)過等離子體處理和未經(jīng)等離子體處理的碳纖維與環(huán)氧樹脂進行復(fù)合。然后，復(fù)合后的材料成型為12英寸乘12英寸的平板。拉力試棒(tensilebar)由該平板切制而成以用于拉力測試。在圖14中示出了結(jié)果。未經(jīng)等離子體處理的樣品的抗拉強度為53.3mpa，而經(jīng)等離子體處理后的樣品的強度為126mpa，增加了136％。因此，機械性能測試證實了使用所公開的系統(tǒng)和方法來處理的等離子體處理后的碳纖維的表面化學(xué)性質(zhì)變化和改善的浸潤性能引起了機械性能顯著提高。

雖然上文描述了示例性實施例，但是并非意味著這些實施例描述了本發(fā)明的所有可能的形式。更確切地，說明書中所使用的詞語為描述性詞語而非限制性詞語，并且應(yīng)理解的是，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可做出各種改變。此外，可組合各種實施的實施例的特征以形成本發(fā)明的進一步實施例。