温度剖面测定的制作方法

本发明涉及用于在连续工艺中加热时确定材料温度的方法，并且特别涉及用于在生产过程中确定诸如预浸渍复合材料的网产品的温度的方法。

背景技术：

1、由与树脂基体组合的增强纤维构成的复合材料因其具备诸如强度高、重量轻以及可在相对低温度下模制成型的能力等有利特性而被广泛应用于多种应用中。

2、此类复合材料通常通过将树脂浸渍到增强结构中来制造。所述增强结构典型地是单向布置的纤维、织造纤维垫，或者在有限情形下是无规取向短切纤维网。

3、一旦纤维增强物已被树脂浸渍，所得预浸渍复合材料（通常称作 “预浸料”）就常常作为中间产物储存，其中树脂处于未固化状态，使得所述预浸料保持可塑形。这允许将预浸料运送至最终制造设施，在所述制造设施中可以在固化树脂之前将其模制成所希望的最终形状。

4、未固化树脂倾向于具有相对高的粘度。为了确保树脂在应用时充分浸渍纤维增强物（即，流入纤维网中以填充内部空间并且涂覆除表面纤维之外的内部纤维），于是通常将树脂加热一定量以降低其粘度并且从而增加其流入纤维增强物中的能力（即，浸渍纤维）。还通常在“辊隙点（nip point）”处向纤维和树脂施加压力，例如通过使用一个辊或一组辊将树脂和纤维压在一起。

5、用于制造预浸材料的许多树脂是热固化树脂（即，将树脂加热到高于一定温度持续足够长的时间段使其固化）。即使当与完全固化所需的时间或温度相比加热更短的时间或加热至更低的温度时，树脂本身和树脂中的组分（诸如额外的反应性和非反应性添加剂，例如固化剂、硬化剂、增韧剂、促进剂和阻燃剂）也可能对热起反应并且经受化学或物理变化。特定树脂组合物可以被分配“达最大速率的时间”（tmr）值，所述值指示树脂可以保持在升高的温度下在树脂中发生过度化学和/或物理变化使得最终复合材料产品（例如，预浸料）不再满足所需的质量阈值之前的总时间量。

6、为确保不超出tmr并且最终产品满足所需质量阈值，因此有必要准确了解在浸渍步骤期间树脂所暴露的热条件：如果超出树脂的tmr，则其质量以及因此复合材料产品的强度、可模制性和寿命可能下降。树脂在浸渍过程中的热条件同样可以影响浸渍程度，并且如果温度过低或者过高，则树脂浸渍可能不充分。这也会影响最终产品的质量。

7、然而，在树脂应用至纤维/浸渍纤维的位置（即，“辊隙点”）处直接监测树脂的温度通常不便利，原因是在这一点处对温度探针或者ir传感器的不可及（辊、工艺纸以及纤维网本身均阻碍对辊隙点的可及或者阻碍到辊隙点的视线）。

8、因此，现有的工艺和系统通常监测一个或多个辊的温度或者树脂进料本身的温度（即，在其到达辊隙点之前）。然而，所述一个或多个辊以及树脂进料典型地具有比辊隙点处的树脂/纤维体系高得多的热质量，并且因此对流入产品的热流波动不敏感。另外，辊温度的测量对线速度、辊压力或者线张力的任何变化或波动均不敏感。因此，在不仔细校准以及频繁重新校准（这会导致显著的系统停机时间）的情况下，这两种测量技术均无法可靠给出辊隙点处实际工艺温度的准确值。

技术实现思路

1、因此，本发明寻求提供一种用于在工艺点处直接测量温度不可行的情况下更准确地确定在所述工艺点处材料的温度的方法。

2、从第一方面来看，本发明提供了一种用于确定一定长度的材料在通过连续工艺中的加热步骤期间被加热到的温度的方法，其包括以下步骤：在所述加热步骤之后沿着所述材料的长度在两个或更多个距离处测量所述材料的温度；以及基于沿着所述材料的长度在所述一个或多个距离处的温度，计算在所述加热步骤处所述材料的温度。

3、通过在加热步骤之后沿着材料长度在一个或多个距离处测量材料的温度，可以计算/推断出加热步骤/工艺点处的温度。因此，可以确定更准确且完整的材料温度历史。

4、在加热步骤处计算材料温度的步骤可以考虑以下中一个或多个：加热步骤与温度测量点之间的距离；材料的厚度；传热系数；环境空气温度；环境空气压力；湿度；材料周围的空气流速/材料的传输速度；材料的热扩散率（即，材料内部的内部热传导）；和来自附近工艺部件或其他部件的辐射热。

5、加热步骤处的温度计算可以基于经验导出模型，其基于初始校准数据以使曲线与实验数据相拟合。

6、加热步骤处的温度的计算可以基于牛顿冷却定律。牛顿冷却定律根据以下公式预测一段时间（t）后的温度（t）：

7、t = ta + (th – ta)ekt

8、其中ta是环境温度；th是初始温度（即，待确定的加热步骤处的温度），并且k是传热系数。因此，通过测量环境温度（ta）、在加热步骤后的已知时间（t）时（或者当传输速度已知时距加热步骤的已知距离处）的材料温度（t），然后在传热系数（k）已知的情况下，则可以确定加热步骤处的温度。

9、加热步骤处的温度的计算可以包括考虑材料沿着材料长度的材料热导率。可以使用前向欧拉法对沿着材料长度的热导率进行建模。

10、可替代地（或另外地），加热步骤处的温度的计算可以包括以下步骤：在有限元或流体动力学模拟或其他数值工具中复现物理系统。在这种模拟中，材料块被指定材料特性（热容量、传导等）。然后可以通过以下方式计算来自材料和其他系统元件（例如，辊）的热传递和其他特性：应用小的时间步长以收敛于平衡解，以预测在各种（可测量）位置处材料的温度。然后可以测量这些位置处的实际温度，与模拟进行比较，并且可以校正模拟以确定加热步骤处的预测温度。尽管实时运行模拟通常不切实际（由于所需处理能力的原因），但可以将模拟结果（以及实际温度测量值）输入机器学习算法（例如，卷积神经网络算法、k-最近邻算法、决策树模型）。通过将结果输入机器学习算法，可以将模型的准确度提高至与有限元/流体动力学模拟相当的水平，用于未来测量同时允许实时建模。

11、所述材料可以是树脂或者包含树脂，诸如可热固化树脂。当所述材料是或者包含树脂或可热固化树脂时，所述方法有利地能够更准确地确定树脂的温度历史，以确定树脂是否已经超出或接近其tmr。当所述材料包含可热固化树脂时，所述树脂优选处于未固化状态（即，尚未超出其tmr）。

12、所述材料可以是复合材料（即，所述材料可以由两种或更多种独立材料组分构成）。所述复合材料可以包含增强材料（诸如纤维材料）以及基体（诸如树脂或者可热固化树脂）。

13、所述材料可以包含树脂以及工艺膜，诸如塑料或纸背衬片材。

14、所述加热步骤可以包括使材料与受热表面接触、与受热材料接触、或间接加热。

15、例如，加热步骤可以包括使材料与一个受热辊或多个受热辊接触，以通过传导将热直接传递给材料。

16、所述一个（或多个）受热辊可以形成压实辊压系统的一部分，并且所述连续工艺可以包括压实辊压步骤。所述压实辊压系统可以是夹送辊压系统（或辊隙辊压系统），所述材料在连续工艺中通过所述夹送辊压系统（或辊隙辊压系统）。可替代地，所述一个（或多个）受热辊可以形成“s形缠绕”辊系统的一部分，其中材料以比夹送辊/夹压辊更大周向程度地围绕辊缠绕，并且因此与辊保持更长时间的接触以改善热交换。

17、连续工艺可以包括以下步骤：将两种或更多种单独的材料组分组合在一起，例如在夹送辊压系统处形成组合材料。在材料是两种或更多种材料组分的组合材料的情况下，则所述方法可以用于确定组合材料在加热步骤期间被加热到的温度或者在加热步骤期间加热组合材料中的一种或多种单独材料组分的方法。

18、在连续工艺包括将两种或更多种单独材料组分组合在一起的步骤的情况下，第一组分可以是树脂，诸如可热固化树脂。第二组分可以是增强材料，诸如纤维增强材料。所得组合材料可以是复合材料。可替代地，第二组分可以是纸或塑料膜或片材。

19、对于夹送辊压系统和s形缠绕连续系统，直接测量材料被加热到的温度通常具有挑战性，因为只能测量辊本身的温度，并且辊的物理本体妨碍了对其他温度探针或ir传感器的可及。辊的热质量也使得在加热位点处准确测量材料变得困难。通过提供一种通过在连续工艺中的加热步骤之后测量材料温度来确定材料温度的方法，本发明有利地消除了在加热位点处直接测量温度的需要。

20、可替代地，在加热步骤是间接加热的情况下，则加热步骤可以包括使用（例如）红外加热器/发射器对材料进行辐射加热。可以使用的其他间接加热方法包括对流加热、感应加热（即，在导电纤维诸如碳纤维中的直接电磁感应）、电阻加热（即，通过使电流流过纤维来直接加热导电纤维诸如碳纤维）、介电加热（即，向介电材料诸如树脂施加电场）以及微波或rf加热。

21、所述材料可以呈带的形式。在本发明的上下文中，术语“带”应被解释为意指材料是细长的（即，长度大于宽度），并且优选其长度为至少5倍于其宽度、或者更优选至少10倍于其宽度、或者甚至更优选至少50倍于其宽度；并且所述材料的厚度优选为小于其宽度的10%、或者更优选小于其宽度的5%、或者甚至更优选小于其宽度的1%。

22、测量材料的温度的步骤优选包括在加热步骤之后沿着材料的长度在两个、更优选三个或更多个距离处测量材料的温度；并且计算所述材料的温度的步骤优选因此包括基于沿着材料的长度在所述两个、更优选三个或更多个距离处的温度，计算加热步骤处材料的温度。

23、通过在加热步骤之后沿着材料长度在多个距离处测量材料的温度，可以更准确地确定加热步骤处材料的温度。例如，在温度的计算基于牛顿冷却定律的情况下，两个或更多个数据点通过揭示由于材料或环境的变化导致的传热系数（k）与已知值的任何变化来提高准确度。传热系数（k）可能根据环境条件（温度、空气流、湿度）、材料表面积的变化和材料的传输速度而与实验确定的值不同。因此，两个或更多个数据点（优选三个或更多个）能够以更高的准确度将这些变量纳入温度计算。在传热系数（k）未知的情况下，则两个或更多个数据点（优选三个或更多个）能够通过将指数曲线拟合到数据来确定k。

24、在加热步骤之后沿着材料长度在多个距离处测量材料的温度的情况下，优选使第一距离最小化（即，第一温度测量点尽可能靠近加热步骤，而不影响温度测量的准确度，例如由于受热辊的辐射发射）。实际第一距离将取决于对加热位点的可及性、所使用的温度探针或传感器的类型以及周围部件诸如辊的尺寸和辐射效应，然而，对于给定的系统，可以通过常规实验容易确定。

25、在加热步骤之后沿着材料长度在多个距离处测量材料温度的情况下，优选使最后距离最大化（即，在材料在连续工艺中进行可能影响其温度的进一步步骤（例如，进一步的接触点、进一步的直接或间接加热、通过暴露于冷却剂、强制空气流或与热交换器接触进行冷却、或向材料中添加进一步的材料组分）之前，最后温度测量点尽可能远离加热步骤）。实际最后距离将取决于系统配置，然而可以容易确定。

26、在加热步骤之后沿着材料长度在三个距离处测量材料温度的情况下，优选地，如本文所述使第一距离最小化，如本文中所述最后距离最大化，并且也在第一距离与最后距离之间的中间距离处测量温度。

27、中间距离可以是第一距离和最后距离的平均值（均值距离）（即，中间温度测量点可以位于第一温度测量点与最后温度测量点之间的中间点）。

28、可替代地（并且优选地），中间距离使得在中间距离处测量的材料温度大约等于在第一距离和最后距离处测量的平均温度（均值温度）（即，使得相邻传感器之间的温度差均匀）。在这种情况下，第一温度测量点、中间温度测量点和最后温度测量点不是等间距的：由于材料冷却的指数性质，中间点将比最后点更靠近第一点。

29、在加热步骤之后沿着材料长度在多于三个距离处测量材料温度的情况下，优选地，如本文所述使第一距离最小化，如本文中所述最后距离最大化，并且也在第一距离与最后距离之间的一系列中间距离处测量温度。

30、所述系列的中间距离可以在第一距离与最后距离之间是等间距的。可替代地（并且优选地），可以间隔一系列中间距离，使得在每个中间距离处测量的温度大约等于在两个相邻距离（即，相邻的第一距离和中间距离；相邻的两个中间距离；或相邻的中间距离和最后距离）处测量的平均温度（均值温度）。

31、连续工艺可以包括进一步加热步骤，并且所述方法可以进一步包括以下步骤：通过在进一步加热步骤之后沿着材料长度在一个或多个距离处测量材料温度来确定材料在通过进一步加热步骤期间被加热到的温度；以及基于在进一步加热步骤之后沿着材料长度在一个或多个距离处的温度，计算在进一步加热步骤处材料的温度。

32、计算在进一步加热步骤处的材料温度的步骤可以基于本文定义的用于确定加热步骤处材料温度的任何公式。计算在进一步加热步骤处的材料温度的步骤可以基于与计算在加热步骤处的材料温度的步骤相同的公式或不同的公式。

33、所述进一步加热步骤可以与加热步骤基本相同，或者可以是不同的方法或使用不同的系统来加热材料。所述进一步加热步骤可以包括如本文所述用于加热步骤的任何方法或使用任何系统。

34、在进一步加热步骤之后沿着材料长度的一个或多个距离可以包括以下中的一个或多个：相对于进一步加热步骤最小化的第一距离；相对于进一步加热步骤最大化的最后距离；以及一个或多个中间距离，如本文中参考加热步骤所论述的。

35、所述连续工艺可以是用树脂浸渍增强材料层的工艺。因此，材料的长度可以是包含增强材料和树脂的复合材料的长度。可替代地，材料的长度可以是散布/沉积在增强材料上的树脂本身。

36、所述树脂可以是热塑性树脂或热固性树脂。所述树脂可以是通常用于制造复合材料的任何树脂。例如，所述树脂可以是基于酚醛的树脂、基于环氧的树脂、基于双马来酰亚胺的树脂、或基于聚酰亚胺的树脂。所述树脂可以包含一种或多种反应性和非反应性添加剂，诸如固化剂、硬化剂、增韧剂、促进剂和阻燃剂。

37、所述增强材料可以是包含多根长丝的纤维材料，所述多根长丝单向延伸或织造成织带。所述纤维材料可以是通常用于制造复合材料的任何纤维材料，例如玻璃纤维、碳纤维、聚乙烯或芳族聚酰胺。

38、可替代地，所述连续工艺可以是将聚合物或热固性树脂前体成膜的工艺，例如将聚合物或树脂应用到背衬片材或背衬纸上，之后将树脂或聚合物从背衬片材转移到纤维。在成膜工艺中，准确控制树脂/聚合物厚度很重要，并且这取决于树脂/聚合物的粘度。因此，在成膜工艺中准确了解/控制树脂/聚合物温度对于维持一致性和质量很重要。

39、所述方法可以进一步包括以下步骤：监测在加热步骤（和/或在适用的情况下，进一步加热步骤）处材料被加热到的温度；以及如果材料被加热到的温度下降到低于或超过指定值，则调整工艺条件。因此，所述方法可以有利地用于向连续工艺的加热步骤（和/或进一步加热步骤）提供反馈，以确保连续工艺具有一致的输出（即，材料被加热到的温度保持一致或至少在可接受的公差范围内保持一致）。

40、例如，调节工艺条件的步骤可以包括调节一个或多个加热辊被加热到的温度，以调节从一个或多个受热辊传递到材料的热能的量。可替代地，在材料是两种或更多种单独材料组分的组合材料的情况下，或者在材料是组合材料的单独组分的情况下，并且其中在组合步骤之前加热一种/所述单独组分，则可以调节所述单独组分被加热到的温度。

41、从第二方面来看，本发明提供了一种在连续制造工艺中监测在浸渍步骤中模制材料被加热到的温度的方法，其包括以下步骤：将纤维增强层和热塑性或热固性树脂层组合，并且在浸渍步骤中将所述树脂至少部分地浸渍到所述纤维增强层中以形成至少部分浸渍的模制材料；在通过所述浸渍步骤之后沿着所述模制材料的长度在一个或多个距离处测量所述至少部分浸渍的模制材料的温度；以及基于沿着所述模制材料的长度在所述一个或多个距离处的温度，计算在所述浸渍步骤中所述模制材料被加热到的温度。

42、计算浸渍步骤处的温度的步骤可以基于牛顿冷却定律或如本文所述的任何其他计算方法。

43、所述浸渍步骤可以包括使所述纤维增强层和所述热塑性或热固性树脂层与受热表面接触并且施加压力。例如，所述浸渍步骤可以包括使纤维增强物通过s形缠绕系统或受热辊的夹送/夹压系统，同时将树脂应用到增强物并且对组合树脂和增强纤维施加压力以用树脂浸渍纤维增强物并且形成模制材料。

44、所述模制材料可以呈带的形式。

45、所述纤维增强物可以是通常用于制造复合材料的任何纤维材料，例如玻璃纤维、碳纤维、聚乙烯或芳族聚酰胺。所述树脂可以是通常用于制造复合材料的任何树脂，例如酚醛树脂、环氧树脂、双马来酰亚胺树脂或聚酰亚胺树脂。所述树脂可以包括一种或多种反应性和/或非反应性添加剂，诸如固化剂、硬化剂、增韧剂、促进剂或阻燃剂。

46、测量所述至少部分浸渍的模制材料的温度的步骤优选包括在浸渍步骤之后沿着模制材料的长度在两个或更多个（或更优选三个或更多个）距离处测量模制材料的温度，并且计算模制材料被加热到的温度的步骤优选包括基于沿着模制材料的长度在所述两个或更多个（或更优选三个或更多个）距离处测量的温度，计算浸渍步骤中模制材料的温度。

47、在浸渍步骤之后沿着至少部分浸渍的模制材料的长度在多个距离处测量所述至少部分浸渍的模制材料的温度的情况下，如本文参考本发明的第一方面所述，优选地最小化第一距离；和/或如本文参考本发明的第一方面所述，优选地使最后距离最大化。

48、在浸渍步骤之后沿着至少部分浸渍的模制材料的长度在三个或更多个距离处测量至少部分浸渍的模制材料的温度的情况下，可以如本文参考本发明的第一方面所述间隔一个或多个中间距离。

49、所述连续制造工艺可以包括在浸渍步骤之后的加热步骤，并且可以通过在加热步骤之后沿着模制材料的长度在一个或多个距离处测量模制材料的温度，确定模制材料在通过加热步骤期间被加热到的温度；以及可以基于沿着模制材料的长度在所述一个或多个距离处的温度，计算在加热步骤处模制材料被加热到的温度。

50、计算在加热步骤处的材料温度的步骤可以基于参考本发明的第一方面的本文定义的用于确定材料温度的任何公式。计算在加热步骤处的材料温度的步骤可以基于与计算在浸渍步骤中的材料温度的步骤相同的公式或不同的公式。

51、所述加热步骤可以包括如本文所述用于第一方面的加热步骤的任何方法或使用任何系统。

52、在加热步骤之后沿着材料长度的一个或多个距离可以包括以下中的一个或多个：相对于加热步骤最小化的第一距离；相对于加热步骤最大化的最后距离；以及一个或多个中间距离，如本文中参考第一方面的加热步骤所论述的。

53、所述方法可以进一步包括以下步骤：监测在浸渍步骤（和/或在适用的情况下，加热步骤）中模制材料被加热到的温度；以及如果模制材料被加热到的温度下降到低于或超过指定值，则调整工艺条件。例如，调节工艺条件的步骤可以包括调节一个或多个受热辊的温度。可替代地或另外地，在浸渍步骤之前预热树脂的情况下，调节工艺条件的步骤可以包括调节树脂被预热到的温度。

54、从第三方面来看，本发明提供了一种用于连续处理材料的系统，其包括：加热器，其被配置为在加热点加热材料；一个或多个温度传感器，其被配置为在加热点之后的一个或更多个点处测量材料的温度；以及处理器，其被配置为从所述一个或多个温度传感器接收温度数据并且基于冷却模型确定所述材料在所述加热点处的温度。

55、所述冷却模型可以是牛顿冷却定律或如本文所述的任何其他计算方法。

56、所述材料可以呈带的形式。所述材料可以是包含纤维增强物和热塑性或热固性树脂的模制材料。所述纤维增强物和热塑性或热固性树脂可以如上文针对本发明的第二方面所定义。

57、所述加热器可以被配置为通过使材料与受热表面接触来加热材料。例如，加热器可以包括一个或多个受热辊，其被配置为沿着材料的传输路径接触材料。所述一个或多个受热辊可以是夹送辊/夹压辊系统或s形缠绕系统的一部分，所述系统也被配置为将多个单独材料组分（诸如纤维增强物和树脂）组合成组合材料（诸如模制材料）。

58、所述一个或多个温度传感器可以是红外传感器，其被定位为在加热步骤之后材料的传输路径间隔开并且指向材料的传输路径以测量材料在一个或更多点处的温度。可替代地，温度传感器可以是探针，其被配置为在加热步骤之后沿着材料传输路径在一个或多个点处接触材料，以测量该点处材料的温度。

59、可替代地，所述一个或多个温度传感器可以是热成像相机。所述热成像相机可以被配置为捕获覆盖多个温度测量点的材料的单个热图像。然后，通过读取图像中样本像素（或像素组）的记录温度，可以在每个测量点处观察材料的温度。这有利地能够实现在加热步骤之后在多个距离处同时测量材料的温度，而不需要多个单独传感器。通过简单地增加样本像素/组的数量，可以根据需要增加和减少测量点的数量，从而消除了对额外硬件的需求。

60、一个或多个温度传感器可以固定在相对于加热点位置的静态位置处，以测量距离加热点的固定距离处的材料温度。可替代地，一个或多个温度传感器可以被配置为在加热步骤之后基本平行于材料移动，以在加热点之后的一个或多个距离处或在从初始测量点到最终测量点的连续范围内测量材料上固定点处的材料温度。

61、移动的温度传感器可以被配置为以与材料的移动速率（即，线速度）基本相同的速率移动，使得传感器在其移动时有效地监测材料上的相同物理位置。可替代地，移动的温度传感器可以被配置为比线速度移动得更快。这有利地允许更快的测量频率（即，由于传感器移动更快，从初始测量点到最终测量点的全套温度测量可以在更短的时间内完成）。

62、在存在两个或更多个固定温度传感器的情况下，优选地，第一固定温度传感器被配置为在距加热步骤最小的距离处测量材料的温度。优选地，最后固定温度传感器被配置为在距加热步骤的最大距离处测量材料的温度。

63、在有一个温度传感器被配置为以与材料基本平行且相同的速率移动以在一个或多个距离处测量材料温度的情况下，则优选地，初始测量点位于距加热步骤的最小距离处；并且最终测量点位于距加热步骤的最大距离处。

64、在本发明的第一方面中，可以根据最大距离和最小距离来定义最大距离和最小距离。