專利名稱：制造先進(jìn)復(fù)合材料部件的方法
制造先進(jìn)復(fù)合材料部件的方法一般而言，本發(fā)明涉及由諸如玻璃纖維、碳纖維、“Kevlar”(注冊商標(biāo))以及環(huán)氧樹脂和其它樹脂的復(fù)合材料形成的板部件和管狀結(jié)構(gòu)及其它先進(jìn)復(fù)合材料部件的制造。本發(fā)明采用在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度下呈固態(tài)的樹脂。因此，本發(fā)明可以采用熱固性樹脂如環(huán)氧聚酯和丙烯酸類，在本申請中將使用這些材料來描述本發(fā)明。但也應(yīng)理解，本發(fā)明也可采用熱塑性材料如低溫?zé)崴苄圆牧先缇郾⒕郾揭蚁┖途垡蚁┘案邷責(zé)崴苄圆牧先?PEEK聚醚醚酮。因此，在本申請中術(shù)語“樹脂”應(yīng)理解為是指該范圍的材料。在本申請人的國際申請PCT/AU02/00078中，描述了多種制造先進(jìn)復(fù)合材料部件的不同方法和系統(tǒng)。在所述方法之一中，室溫下為固體的粘度非常高的樹脂通過加熱液化， 然后被施加到模具表面。施加后，該樹脂隨后冷卻和凝固，從而在模具表面上形成凝固樹脂層?？赏ㄟ^采用位于模具下方且溫度相對低的液體在其中循環(huán)的諸如管式冷卻器或冷卻囊的裝置冷卻模具表面來促進(jìn)樹脂的凝固。施加樹脂的優(yōu)選方法是采用噴射裝置，其有助于確保在噴射程序中空氣被沖擊模具表面的液化樹脂替代而遠(yuǎn)離模具表面，但如同作為本申請人的國際申請的一部分所預(yù)見的，可以采用一系列方法來向模具上施加熔融液體形式的樹脂以確保其在凝固前均勻分布。一旦樹脂層在模具表面上形成并凝固，然后可在凝固的樹脂層上鋪設(shè)布形式的纖維束層或組合構(gòu)造的布層或預(yù)成型件和其它部件如吸膠布和優(yōu)選至少一種樹脂流率控制膜，以形成最終復(fù)合材料部件疊層。流率控制膜可鋪設(shè)在樹脂層和纖維束層之間或者在不同的纖維束層之間，以在隨后的固化過程中控制樹脂通過纖維束層的遷移速率。然后在最終復(fù)合材料部件疊層上鋪設(shè)真空膜并密封到模具部分，使得可從真空膜下方的復(fù)合材料疊層抽出空氣。樹脂的固體性使得部件能被抽成完全真空，因此空氣沿布內(nèi)的開放通路抽出。在隨后的固化過程中，向樹脂和纖維束層施加熱和壓力，從而使樹脂再次液化并允許纖維束層以受控的方式沉入液化的樹脂中，使得在從部件移除所有空氣之前不會(huì)填塞樹脂流動(dòng)通路。部件的這種受控潤濕可通過利用橫跨部件的一列熱“熱波”以確保空氣從熔融樹脂波前面移除的方式熔融樹脂來促進(jìn)。本申請人的專利所提及的高溫、壓力和振動(dòng)可被施加到模具和復(fù)合材料疊層，由此還起到從復(fù)合材料疊層抽出任何殘余空氣的作用，使得所制造的最終先進(jìn)復(fù)合材料部件的重量輕且強(qiáng)度和韌性高。先向模具表面施加樹脂具有如下多個(gè)優(yōu)點(diǎn)a)最小化或避免其它制造方法如預(yù)浸漬、樹脂膜熔滲(RFI)或樹脂傳遞模塑 (RTM)發(fā)生的模具表面和復(fù)合材料疊層之間空隙中的空氣截留；b)與其中需要樹脂橫跨部件從樹脂進(jìn)入點(diǎn)移到真空抽吸點(diǎn)的液體控制模塑技術(shù)如RTM或熔滲模塑(在許多情況下，大約數(shù)米)不同，樹脂僅需要移動(dòng)通過層合物的厚度 (通常測得為毫米級(jí))；c)由于樹脂呈連續(xù)層并具有受控的橫跨部件的厚度，因此其可以受控的均勻方式上移通過并潤濕部件而與部件的尺寸無關(guān)。這肯定與液體控制模塑方法(在許多情況下， 必須采用多個(gè)樹脂流以在樹脂開始反應(yīng)并開始增大粘度和硬化之前快速潤濕部件)不同。 這些多個(gè)樹脂流必定在一些點(diǎn)處彼此接觸，并在所述流的接觸點(diǎn)處因這些點(diǎn)處性能的降低及沿流接觸線的薄弱而有空氣被截留在兩個(gè)流之間的可能；
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d)需要時(shí)，這更好地控制樹脂向表面上的分布并使樹脂向表面上的分布更均勻并且更精確，然后當(dāng)熔融時(shí)移動(dòng)通過纖維束而精確地潤濕和填充層合物，從而最小化纖維束內(nèi)干點(diǎn)的可能性并確保部件的所有部分中準(zhǔn)確的樹脂控制；e)通過小心控制施加到模具和復(fù)合材料疊層的溫度，并通過使用Kevlar遮蔽物 (veil)，樹脂通過復(fù)合材料疊層的遷移速率可得到更準(zhǔn)確和更精確的控制；f)由于在樹脂熔融前可抽拉完全真空，因此使得所有空氣從部件逸出或移除。因此，較少的氣泡保留在根據(jù)該方法制造的成品復(fù)合材料部件中，因?yàn)榭諝鈺?huì)隨著樹脂逐漸移動(dòng)通過并浸漬纖維束層而自然地移向復(fù)合材料疊層的上表面；g)由于樹脂不必行進(jìn)從進(jìn)入點(diǎn)到離開點(diǎn)的長距離，因此樹脂不必具有低粘度或一致的粘度。因此，可用于該制造工藝的樹脂與常規(guī)制造工藝如樹脂轉(zhuǎn)移模塑(RTM)中所用的樹脂類型相比，購買成本通常較低并且是較長鏈的樹脂類型。使用這類樹脂使得復(fù)合材料產(chǎn)品的強(qiáng)度和韌性比用其它樹脂制造的復(fù)合材料部件的強(qiáng)度和韌性大；和h)可向模具表面上噴射不同類型的樹脂?？上蚰＞弑砻娴牟煌瑓^(qū)域上噴射不同的樹脂。也可以交疊或共混的方式在模具表面上噴射不同的樹脂層。i)當(dāng)含顏料或粉末的樹脂處于加熱狀態(tài)時(shí)，可向表面施加這些含顏料或粉末的樹脂層。這產(chǎn)生與涂漆或凝膠涂布表面等效的表面但無任何重量增加或樹脂浪費(fèi)，因?yàn)檫@將被拉進(jìn)部件中以潤濕部件而制造準(zhǔn)備安裝在飛行器或車輛上的基本部件。作為該方法的另一好處，部件的區(qū)域或邊緣可以是凹進(jìn)的并留下未固化/部分固化，以按本申請人的國際申請PCT/AU01/002M與另一部分合并。因此，根據(jù)本申請人的方法制造的先進(jìn)復(fù)合材料部件具有比用更常規(guī)的復(fù)合材料部件制造方法制造的部件優(yōu)越的材料性能。當(dāng)在樹脂層上鋪設(shè)纖維束時(shí)，各個(gè)束內(nèi)的纖維通常位于與樹脂層的平面平行的平面中?？梢栽诒舜说捻敳可弦允中畏绞戒佋O(shè)不同的纖維束層，各個(gè)相鄰層的纖維方向改變90度(我們分別稱這些纖維方向?yàn)椤唉址较蚝蛓方向”)。因此，這些纖維傾向于在最終復(fù)合材料部件內(nèi)主要在χ方向和y方向上提供增強(qiáng)。但如能在垂直于纖維束的總平面的方向(稱為“ζ方向”)上也提供增強(qiáng)將是有利的。由于ζ方向上也提供增強(qiáng)，因此這將使復(fù)合材料部件具有明顯更大的耐分層性。雖然在樹脂和纖維束內(nèi)分布纖維針狀體或納米顆粒以提供附加的增強(qiáng)(一些在 ζ方向上)是已知的，但難以控制這些纖維/納米顆粒在其移動(dòng)通過層合物時(shí)的排列。實(shí)際上，使用納米顆粒增強(qiáng)層合物已通過向凝固的樹脂膜層添加納米顆?；蛳蚰痰臉渲由先黾{米顆粒(稱為樹脂膜熔滲)，然后熔融樹脂以使其可熔進(jìn)層合物中、流經(jīng)層合物并向上通過層合物層得到應(yīng)用。這對于在層合物內(nèi)提供納米顆粒并在一定程度上排列它們是有效的。但其成本非常高，難以在復(fù)雜形狀的部件上實(shí)現(xiàn)，并且當(dāng)向模具表面施加超過一層凝固的樹脂膜時(shí)其有效性有限，因?yàn)橐呀?jīng)證明在樹脂膜的層之間截留的空氣非常難以移除。為克服這個(gè)問題，新近的工業(yè)研究和發(fā)展已集中在納米顆粒和樹脂熔滲的使用上， 由此移動(dòng)通過層合物的樹脂照理應(yīng)該拖拉納米顆粒通過層合物并移除空氣。這尚未成功， 因?yàn)閷雍衔餅V出納米顆粒并將其以團(tuán)塊或?qū)拥男问搅粝?，并且在部件中從一端到另一端或者在從一?cè)到另一側(cè)的整個(gè)厚度上根本沒有排列，也沒有均勻分布。在國際申請PCT/ US2007/011914.PCT/US2007/011913 和 PCT/US2008/009996 (這些申請均在 MassachusettsInstitute of Technology名下)中，描述了使用排列的納米結(jié)構(gòu)的方法，其可在ζ方向上提供增強(qiáng)。這些申請中所述的方法要求這些排列的納米結(jié)構(gòu)生長然后定位在相對的基材之間的界面中。因此這些方法難以實(shí)際應(yīng)用。此外，該方法不能解決與從復(fù)合材料及從用來形成層合物的固體樹脂膜層、模具表面和樹脂層移除空氣相關(guān)的困難?；谶@一點(diǎn)，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括向表面上施加液化樹脂，所述樹脂凝固形成樹脂層，沿大體與所述樹脂層平行的X 方向提供增強(qiáng)手段，沿與所述X方向成一定角度并大體與所述樹脂層平行的y方向提供增強(qiáng)手段，和在大體與所述χ方向和y方向垂直的ζ方向上提供增強(qiáng)手段。樹脂可通過向表面上噴射液化樹脂而施加到表面，然后所述樹脂在表面上凝固。 表面可自身由冷卻空氣或其它手段冷卻以及通過模具殼(mould skin)來冷卻以促進(jìn)樹脂凝固形成樹脂層。表面自身可由剛性模具的內(nèi)腔提供。作為替代方案或此外，可在另一剛性表面如墊板或者柔性或可彈性變形的表面如真空袋壁上或者以網(wǎng)格布或柔性載體的形式提供表面以容納樹脂。沿χ方向和y方向的增強(qiáng)手段可由玻璃纖維、碳纖維或其它相似材料的纖維束層來提供。這些纖維束層可如將隨后所述在最后的制造工藝之前鋪設(shè)在樹脂層上。在另一優(yōu)選的方案中，例如在其中層合物需要位于芯的任一側(cè)上的蜂窩芯的制造中，可將樹脂層鋪設(shè)在已經(jīng)置于模具中的纖維束的上。在此實(shí)例中，可將樹脂施加到模具面上并在樹脂上布置纖維層，然后可在纖維層上布置芯，然后可在芯相對模具表面的相對側(cè)上施加樹脂層，優(yōu)選噴射到表面上并凝固。該表面可以是真空袋、墊板或任何其它適合的容納樹脂的載體，樹脂一旦熔融就被釋放以提供潤濕芯上層合物層的材料。該載體可被支承在冷卻工具上并噴射在該工具上，以確保樹脂在所需層合物厚度所需要的地點(diǎn)、區(qū)域和部分中凝固且樹脂的厚度和載體的形狀與當(dāng)其覆蓋芯、泡沫、蜂窩等的部分時(shí)所形成的部件內(nèi)殼的近似形狀和厚度相當(dāng)。沿ζ方向的增強(qiáng)手段可通過在仍“濕”時(shí)在樹脂層上分布0. 05-lmm短長度的增強(qiáng)纖維形式的纖維針狀體來提供。產(chǎn)生所述纖維的切割器可與常規(guī)玻璃纖維短切槍相似但在規(guī)模上小得多，并可例如用來在樹脂層仍熱時(shí)向樹脂層上噴射許多均勻分布的纖維針狀體?；蛘咦鳛樘娲桨福梢凿佋O(shè)樹脂層并凝固，然后向表面施加來由熱風(fēng)槍的熱風(fēng)以重新液化樹脂的最外層，使得針狀體嵌入其中。熱風(fēng)槍和切割槍可集成在一起以使工藝可以緊密的順序彼此鄰近地進(jìn)行。針狀體至少部分地以大體與樹脂層的表面成一定角度的方向嵌入樹脂層中，從而在樹脂層上形成“蓬松的”表面。然后可采用本申請人的方法施加更多的樹脂、潤濕和封裝針狀體和/或納米顆粒并移除截留在顆粒林內(nèi)的空氣。因此，一旦層合物層/預(yù)組裝體(pr印ack)就位、空氣被移除且樹脂熔融并流進(jìn)層合物中，針狀體就在鋪設(shè)在樹脂層頂部上的纖維束的纖維之間滲透。纖維束內(nèi)的纖維通常如前所述在X方向和y方向上延伸，而針狀體通常在Z方向上延伸。因此，針狀體起到將最終的先進(jìn)復(fù)合材料部件中的纖維束的增強(qiáng)纖維捆綁在一起的作用，從而通過在ζ方向上提供增強(qiáng)而改善耐分層性。作為替代方案，沿ζ方向的增強(qiáng)手段可呈分布到當(dāng)仍處于液態(tài)時(shí)的樹脂內(nèi)或樹脂層表面上的納米顆粒的形式。這些納米顆?？捎沙叽鐬榧{米級(jí)的碳納米管形成?？商峁?br> 6振動(dòng)裝置以振動(dòng)樹脂層，從而使得納米顆粒更均勻地分布和分散在樹脂層上或樹脂層內(nèi)以及破碎任何納米顆粒團(tuán)塊。由于納米管的尺寸為納米級(jí)，因此在后續(xù)制造工藝中當(dāng)樹脂層再次液化時(shí)，其可以以流的形式向上行進(jìn)通過樹脂以及纖維束的纖維之間。這些納米管也可經(jīng)過位于樹脂層上或纖維束之間的任何樹脂控制遮蔽物，從而使其自身大體沿ζ方向排列。因此，這些納米管在樹脂固化后在最終復(fù)合材料部件中起到在ζ方向上提供增強(qiáng)的作用。但行進(jìn)距離越大，納米顆粒越被打亂、阻塞、過濾、分散和排列越不整齊。因此，如MIT 專利中所述一開始即排列顆粒的好處隨納米顆粒為潤濕部件而必須行進(jìn)的距離而減小。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案中，可使用不同尺寸的納米管。因此，納米管的移動(dòng)可通過使用一個(gè)或多個(gè)樹脂流率控制膜來控制，所述膜僅允許特定尺寸的納米管在其間通過。因此， 較大的納米管不能通過而保留在膜后的區(qū)域中。這可更精確地控制最終復(fù)合材料部件中納米管的分布。此外，樹脂控制層還可包含或有助于部件中納米顆粒的含量；隨著樹脂被向上拉動(dòng)和/或流動(dòng)通過樹脂控制層，樹脂可使控制層中所含納米顆粒移出控制層而進(jìn)入鄰近的層合物中。這樣，樹脂可用來將納米顆?；蚶w維針狀體從樹脂控制層分散到層合物中。優(yōu)選可施加超過一個(gè)樹脂層，各個(gè)層具有不同的物理性質(zhì)。這可通過在下面的先前施加的樹脂層上依次沉積不同類型并具有不同添加劑的樹脂來實(shí)現(xiàn)。例如，可以如下順序沉積不同的樹脂層。第一沉積層可包含抗UV和顏色的添加劑，或者可以是為該層提供更高的抗劃性的樹脂類型。下一沉積層可包含增韌添加劑，下一層可以是增強(qiáng)添加劑，再下一層是高溫添加劑，最后的沉積層可包含例如阻燃化學(xué)添加劑。樹脂層還可包含雷擊 (lightning strike)添加劑如炭黑，對于用在飛行器結(jié)構(gòu)中來說，其在導(dǎo)電性方面有利。根據(jù)本發(fā)明制造的最終復(fù)合材料部件可在部件的厚度上和/或沿部件的長度具有不同的物理性質(zhì)。與采用常規(guī)方法制造的復(fù)合材料部件相比，預(yù)期根據(jù)本發(fā)明制造的先進(jìn)復(fù)合材料部件改善層間剪切和韌性，從而改善層合強(qiáng)度。還預(yù)期其適應(yīng)特定區(qū)域中特定部件的化學(xué)、 電學(xué)或力學(xué)要求。在本申請人的國際申請PCT/AU02/00078中，用來壓實(shí)和固化復(fù)合材料疊層的系統(tǒng)包括用以將模具支承在相對的壓力室之間的裝置。各個(gè)壓力室包括可彈性變形的室壁， 高溫高壓流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室。該系統(tǒng)特別適用于制造其中向模具表面施加液化樹脂以形成固體樹脂層的先進(jìn)復(fù)合材料部件。但根據(jù)本發(fā)明的方法涵蓋在其它表面上施加樹脂。因此，根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括在模具的模具表面上施加液化樹脂，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；在樹脂層上安置復(fù)合材料疊層；將模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，室壁以與安置在其間的模具組件相對的關(guān)系安置；另外在面向模具的相對表面上施加液化樹脂，相對表面上的樹脂凝固形成相對樹脂層，使得復(fù)合材料疊層可安置在所述樹脂層之間；和使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得樹脂層液化且復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬(可被振動(dòng))和固化。液化樹脂可被施加到所述壓力室的可彈性變形室壁上。作為替代方案，當(dāng)使用真空袋來從復(fù)合材料疊層抽吸空氣以加固復(fù)合材料疊層時(shí)，可將樹脂施加到面向復(fù)合材料疊層的真空袋一側(cè)。如上所述，施加樹脂的優(yōu)選方法是向表面上噴射液化樹脂。可向各個(gè)表面施加超過一個(gè)樹脂層，各個(gè)隨后得到的樹脂層可具有不同的材料性質(zhì)。此外，如上所述在ζ方向上提供增強(qiáng)的增強(qiáng)手段也可在相對樹脂層中提供。相應(yīng)地，如果層合物從兩個(gè)方向得到潤濕且樹脂從模具面?zhèn)群驼婵沾?、載體或墊板側(cè)會(huì)合，則施加到模具相對側(cè)的樹脂以其在層合物內(nèi)所需最終位置的順序沉積在載體上。復(fù)合材料疊層可由夾在相對纖維束層之間的中央芯層來提供。可在中央芯層和纖維束層之間提供樹脂流率控制膜以控制或防止樹脂浸漬中央芯層。根據(jù)該方法制造的復(fù)合材料部件將具有在其相對側(cè)上覆蓋有纖維增強(qiáng)殼的中央芯層。作為替代方案，復(fù)合材料疊層可由“預(yù)組裝體”提供，所述“預(yù)組裝體”由預(yù)成形為所需形狀的纖維束層制成并包括部件如連接耳及待嵌入最終復(fù)合材料部件中的其它機(jī)械部件。形成預(yù)組裝體的纖維束層可具有膠料以使預(yù)組裝體在固化前保持其預(yù)成形形狀。由于預(yù)組裝體的橫截面寬度/厚度上可顯著變化，一些橫截面明顯比其它的厚IOmm以上，因此單靠在模具表面和內(nèi)表面上布置樹脂不總是能確保固化工藝中充分的樹脂浸漬。此外， 在纖維束層的“ζ”方向上可能不能提供足夠的增強(qiáng)。因此，本發(fā)明的優(yōu)選特征是直接在復(fù)合材料疊層和/或待嵌入復(fù)合材料疊層中并形成復(fù)合材料疊層的一部分的載體上再施加液化樹脂。因此，這在復(fù)合材料疊層的較厚區(qū)域上提供額外所需的樹脂。此外，如果在預(yù)組裝體被組裝時(shí)將熔融液體樹脂噴射到預(yù)組裝體上，則樹脂凝固時(shí)起到像熱熔膠一樣的作用，而在處理和向模具中放置過程中以及作為固化工藝的一部分當(dāng)周圍的樹脂層再次液化時(shí)有助于使復(fù)合材料疊層的多層預(yù)組裝體保持在一起。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，此時(shí)僅可添加有限量的樹脂，以確保在施加真空且熱波在部件上移動(dòng)以從層合物移除最后的空氣之前樹脂不封閉或填塞通過預(yù)組裝體的排氣通道。此外，噴射到復(fù)合材料疊層上的樹脂可包括諸如納米顆?；蜥槧铙w的增強(qiáng)手段。 因此，在隨后的固化工藝中，納米顆?？蛇w移通過復(fù)合材料疊層以在“ζ”方向上提供必要的增強(qiáng)。該制造方法可特別用于制造具有中央芯層或連接耳及形成在部件內(nèi)的其它裝置的更復(fù)雜的復(fù)合材料部件。在航空應(yīng)用中，由于其重量輕且阻燃性高，Nomex(注冊商標(biāo))蜂窩層常被用于形成飛行器板內(nèi)的中央芯。板在中央芯的相對面上具有纖維增強(qiáng)的殼。這樣的板可容易地使本發(fā)明的方法形成，其中復(fù)合材料疊層由芯的相對面上布置有纖維束層的 Nomex中央芯形成。也可在中央芯層和纖維束層之間安置樹脂控制遮蔽物以控制或防止樹脂進(jìn)入到中央芯層中。如上所述，當(dāng)先前凝固的樹脂熔融時(shí)，任何保留在纖維束中的空氣隨纖維束沉入樹脂中而被抽出?？諝獾某槌隹赏ㄟ^以垂直排列安置樹脂層和復(fù)合材料疊層并從下到上逐漸液化樹脂層來促進(jìn)。這產(chǎn)生迫使空氣向上并離開纖維束的“樹脂波”，從而進(jìn)一步減少保留在最終復(fù)合材料部件內(nèi)的氣泡的量。這可通過使用其中液體逐漸填充各個(gè)壓力室使得所述或各個(gè)樹脂層從其最低部分向其最高部分被逐漸加熱的上述系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。這提供沿模具及因此樹脂層和復(fù)合材料疊層的“熱波”。因此，根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包
8括在模具的模具表面上施加液化樹脂，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；在樹脂層上安置復(fù)合材料疊層；將模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，室壁安置為與安置在其間的模具成相對關(guān)系并以大體與安置在其間的模具垂直的方向排列；使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得樹脂層液化，復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬和固化；其中壓力室一開始就逐漸填充有所述流體，使得樹脂層從其底部向上逐漸液化。這種方法促進(jìn)空氣從纖維束抽出。也可優(yōu)選將使用上述系統(tǒng)制造先進(jìn)復(fù)合材料部件分成高溫和低溫制造區(qū)。為此，根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括在模具的模具表面上施加液化樹脂，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；將模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，室壁安置為與安置在其間的模具成相對關(guān)系；使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得樹脂層液化，復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬和固化；其中第一和第二壓力室連續(xù)地保持在高溫下，并且在外部遠(yuǎn)離所述壓力室冷卻模具?？墒怪圃煅b置內(nèi)的溫度保持在較高溫度下，使得在各個(gè)固化操作之間不必再加熱制造裝置而只有模具經(jīng)歷需要加熱和冷卻的固化循環(huán)，這僅在支承樹脂層和復(fù)合材料疊層的模具被插入裝置中并被壓縮和加熱時(shí)需要施加最少的能量以加熱和冷卻模具。因此，固化循環(huán)在壓力室內(nèi)被分開，其管道保持為熱的而只有包含部件的模具被加熱和冷卻；因此可以從裝置中取出模具并在單獨(dú)的區(qū)中冷卻，使得不必使較低溫度的流體在裝置中循環(huán)以冷卻整個(gè)裝置和已固化的復(fù)合材料部件。模具可以例如由機(jī)器手從熱的壓力室中取出并放置在冷卻液體在其中循環(huán)的冷卻囊上，從而實(shí)現(xiàn)模具的受控冷卻。這具有額外的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橐虿痪鶆蚶鋮s而導(dǎo)致的高應(yīng)力水平及復(fù)合材料部件的固化樹脂內(nèi)發(fā)生的微裂即“龜裂”的可能性較低。因此，不再需要為下一模具而再加熱制造裝置壓力室，從而促進(jìn)制造工藝中較快的循環(huán)時(shí)間和較低的能量損耗。使用模具載體作為冷卻區(qū)以通過在冷卻周期過程中使模具從一個(gè)位置移動(dòng)到另一位置而節(jié)省時(shí)間可能有利?？赡軟]必要為第一制造部件冷卻模具，但對于連續(xù)制造，這是工藝不可分割的一部分，否則模具將長時(shí)間是熱的，使得樹脂在與模具接觸時(shí)不能凝固而降低制造速度?？煞奖愕貐⒄崭綀D進(jìn)一步描述本發(fā)明，附圖示出了根據(jù)本發(fā)明的制造先進(jìn)復(fù)合材料部件的方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案。本發(fā)明可以有其它實(shí)施方案，因此附圖的特殊性不應(yīng)理解為替代本發(fā)明的前述描述的一般性。在附圖中

圖1為根據(jù)本發(fā)明的模具和樹脂層的部分橫截面?zhèn)纫晥D；圖2為圖1的模具的部分橫截面?zhèn)纫晥D，其中樹脂層上安置有纖維束和流動(dòng)控制遮蔽物以形成復(fù)合材料疊層；圖3為圖2的模具和復(fù)合材料疊層的部分橫截面?zhèn)纫晥D，示出了根據(jù)本發(fā)明的固化工藝中納米顆粒的轉(zhuǎn)移方向；圖4為根據(jù)本發(fā)明的制造裝置的模具、復(fù)合材料疊層和相對的壓力室壁的部分橫截面?zhèn)纫晥D5(a)到(g)示出了根據(jù)本發(fā)明的制造工藝中的各個(gè)階段；和圖6示出了被組裝的預(yù)組裝體，其中經(jīng)加熱的樹脂被噴射到層之間以穩(wěn)定各層并隨著樹脂冷卻和凝固而將各層粘附在一起。首先參照圖1，示出了具有模具表面2的模具1截面。凝固的樹脂層3已被施加到模具表面2上。樹脂層3自身由具有不同物理特性的不同樹脂層5、7、9、11形成。例如，與模具表面2緊鄰的層5可由固化時(shí)可具有高抗劃性的樹脂層提供。與第一層5相鄰的下一層7可以是樹脂和炭黑的混合物以為復(fù)合材料部件提供抗雷擊性。下一層9可包含增韌劑以幫助提高最終復(fù)合材料部件的強(qiáng)度。最后的最外層11可包含阻燃添加劑。根據(jù)復(fù)合材料部件的應(yīng)用還預(yù)期樹脂層的不同組合。根據(jù)本發(fā)明方法的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施方案，可將增強(qiáng)纖維針狀體噴射到仍然濕的樹脂層3上，使得針狀體至少部分地嵌入樹脂層中。這為樹脂層3提供蓬松的上表面，該蓬松表面由纖維針狀體沿大體與模具表面2垂直的方向(稱為ζ方向)向上并遠(yuǎn)離樹脂層3延伸形成。根據(jù)本發(fā)明方法的另一優(yōu)選實(shí)施方案，可向樹脂層3中混入碳納米管形式的納米顆粒?？商峁┱駝?dòng)裝置以振動(dòng)模具1，從而幫助納米管在樹脂層3內(nèi)更均勻分布以及破碎納米管的團(tuán)塊。也預(yù)期可將納米顆粒分布在樹脂層3的最上表面15上。圖2示出了根據(jù)本發(fā)明方法的下一步，其中在樹脂層3上鋪設(shè)多個(gè)不同纖維束17、 19的層。纖維束17、19以十字形方式鋪設(shè)，使得各個(gè)纖維束層中的纖維大體相對于彼此排列成90度。因此，最靠近樹脂層的纖維束17的纖維以垂直紙面向內(nèi)(看圖2時(shí))的方向延伸，而下一纖維束層19的纖維以與第一纖維束17的纖維成90度延伸，因此橫跨紙面(看圖2時(shí))。接下來的三個(gè)纖維束層17、19重復(fù)此布置?？稍跇渲瑢?和第一纖維束層17之間安置Kevlar遮蔽物21。還可在遠(yuǎn)離模具表面2的最上面的兩個(gè)纖維束層17、19之間安置第二 Kevlar遮蔽物21。當(dāng)樹脂層3因施加到模具和復(fù)合材料疊層的熱而開始液化時(shí)，這些Kevlar遮蔽物在固化工藝中起到控制樹脂通過纖維束層的流率的作用。圖3示出了固化工藝中復(fù)合材料疊層6。真空袋(未示出)鋪設(shè)在復(fù)合材料疊層 6上。在施加熱并使樹脂層3液化之前，抽成完全真空以利用纖維束17、19中存在的自由通路移除疊層6的所有空氣。如果部件在空氣被抽出之前已被潤濕，則濕的樹脂將以不受控的方式向上移動(dòng)而封堵空氣通路，從而在所有空氣被移除之前即阻止整個(gè)疊層6的排氣。 此外，需要將纖維束加熱到適當(dāng)?shù)臏囟纫员粯渲瑵櫇?。因此，隨著熱和壓力被施加到復(fù)合材料疊層6，樹脂層3開始液化，纖維束17、19如箭頭10所示開始沉入樹脂層中并被樹脂層潤濕。在其中纖維針狀體嵌入樹脂層3的上表面中的方法中，當(dāng)纖維束初始被安置在樹脂層3上時(shí)，纖維針狀體自身嵌入纖維束中。在固化工藝中，這些針狀體有助于使各纖維束鎖在一起，從而在ζ方向上提供增強(qiáng)。在其中納米顆粒分布在樹脂層3中的方法中，隨著熱和壓力被施加到復(fù)合材料疊層，納米顆粒開始與液體樹脂一起流過纖維束。這由箭頭8示出。Kevlar遮蔽物21起到控制樹脂和納米顆粒遷移速率的作用，并起到控制流動(dòng)和捕獲任何到達(dá)最外面遮蔽物的納米顆粒從而阻止其進(jìn)一步行進(jìn)的作用。此外，遮蔽物21可起到過濾各種納米顆粒的作用，并且需要聚集在各個(gè)層例如抗劃層、抗雷擊層、增韌層和阻燃層處的不同類型和尺寸的納米顆?？筛鶕?jù)需要分別被分離出來。當(dāng)復(fù)合材料部件完全固化時(shí)，納米顆粒起到在ζ方向上增強(qiáng)部件和/或根據(jù)需要提供特定性質(zhì)的作用。可使用本申請人的國際申請PCT/AU02/00078中描述的制造裝置(其詳細(xì)內(nèi)容通過引用并入本文中)來固化根據(jù)本發(fā)明制備的復(fù)合材料疊層。但應(yīng)理解，可以使用更常規(guī)的制造方法和系統(tǒng)來固化該復(fù)合材料疊層。本申請人的制造裝置采用在制造工藝中高溫高壓液體在其中循環(huán)的相對壓力室。模具1可被安置在各個(gè)壓力室的相對壓力室壁之間。圖 4更詳細(xì)地示出了在根據(jù)本發(fā)明復(fù)合材料部件的制造中使用該制造裝置。在模具1上施加樹脂層3。然后可在模具1和樹脂層3上鋪設(shè)復(fù)合材料疊層6。然后在疊層6上鋪設(shè)真空袋23，并從真空袋23下方抽吸空氣以提供疊層6的初始?jí)簩?shí)以及從疊層6抽出空氣。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選方案，可在真空袋23面向復(fù)合材料疊層6的表面上預(yù)先沉積第二樹脂層25。作為替代方案，在其中使用墊板或載體的情況下，可在墊板面向疊層6的表面上預(yù)先沉積第二樹脂層25。在圖4中，在固化工藝開始前復(fù)合材料疊層6安置在相對的樹脂層3、25之間。 復(fù)合材料疊層6可包括例如由Nomex蜂窩芯提供的中央芯層27。在中央芯層27的相對側(cè)上提供纖維束層17，在中央芯層27和各個(gè)纖維束層17之間提供Kevlar遮蔽物21。在制造裝置內(nèi)固化工藝中，模具1和墊板或真空袋23上的樹脂層液化并分別浸漬相鄰的纖維束層17。Kevlar遮蔽物21起到最小化或防止樹脂浸漬進(jìn)Normex芯27中的作用。所得復(fù)合材料部件包括相對側(cè)上覆蓋有纖維增強(qiáng)殼的中央芯27，在這種情況下為 Nomex蜂窩層。這樣的板特別適用于航空應(yīng)用。為制造高品質(zhì)復(fù)合材料部件，模具1和壓力室壁23可以大體豎直的方向排列。在制造工藝的初始階段中，各個(gè)壓力室逐漸填充有加熱的流體，使得樹脂層23、25從其最下部分向最上部分逐漸被加熱。因此，樹脂層3、25從底部向上逐漸液化，從而產(chǎn)生沿部件向上并通過纖維束層17逐漸前進(jìn)的熔融樹脂波。隨著纖維束17逐漸被液化樹脂所浸漬，這確?？諝庀蛏吓懦鲭x開纖維束17。這有助于最小化最終復(fù)合材料部件的纖維增強(qiáng)殼內(nèi)任何殘留氣泡，從而得到改進(jìn)的物理特性。壓力室的這種橫跨樹脂層并沿部件從下到上產(chǎn)生 “熱波”的漸進(jìn)式填充當(dāng)然可用在僅一個(gè)或多個(gè)樹脂層需要液化之時(shí)。圖5(a)到(g)示出了根據(jù)本發(fā)明制造工藝中所包括的各種步驟。一開始將模具 1布置在臺(tái)車27上，如圖5(a)中所示，使模具的模具表面2朝上。臺(tái)車27包括冷卻裝置以降低模具表面2的溫度，從而促進(jìn)樹脂層3冷卻和凝固。該冷卻裝置可以呈安置在模具 1下方的空氣冷卻鼓風(fēng)機(jī)或冷卻囊，或者安置在模具內(nèi)或臺(tái)車27自身的臺(tái)面部分內(nèi)的冷卻管的形式。將臺(tái)車27移到噴射間四中，在這里噴嘴30向模具表面2上噴射液化樹脂。該樹脂在模具表面2上凝固形成樹脂層3。如上所述，樹脂層3自身可由所噴射的不同樹脂層形成，這些樹脂層相繼噴射在彼此之上并具有不同的物理特性。在噴射完成且樹脂層3已凝固后，安置由纖維束層組件形成的預(yù)組裝體31，所述纖維束層通過膠料或通過預(yù)先噴射在纖維束上的凝固樹脂滴(樹脂凝固，從而使纖維束保持在一起)保持在一起。當(dāng)最終固化復(fù)合材料部件內(nèi)需要時(shí)，也可向預(yù)組裝體31之上或之中的區(qū)域噴射或以其它方式分布納米管。在預(yù)組裝體31和模具1上鋪放真空袋33，如圖5(d)中所示。空氣從真空袋33下方抽出，以從預(yù)組裝體31內(nèi)吸出大部分空氣以及提供預(yù)組裝體31的初步壓實(shí)。
11
然后從臺(tái)車27取下包括預(yù)組裝體31和真空袋33的模具組件34并如圖5(e)中所示置于制造裝置35中。該制造裝置包括相對的下部和上部壓力室37、39，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的壓力室壁23。壓力室37、39由鉸鏈41相連，以使模具組件34可被安置在相對的壓力室壁23之間。制造裝置35保持在高操作溫度下，使得不必在各個(gè)固化循環(huán)過程中再加熱裝置。這與本申請人的國際申請PCT/AU02/00078中描述的制造裝置(其還需要在不同的運(yùn)行溫度之間循環(huán)，從而導(dǎo)致循環(huán)時(shí)間長，因此制造周期長且能源成本高)的操作不同。壓力室37、39可用氮?dú)饧訅阂詫δ＞吆蛯雍衔锾峁簩?shí)壓力，其后逐漸向壓力室中引入熱液體，壓力室保持傾斜狀態(tài)，從而利用熱波從下到上逐漸使樹脂層3液化，從而如上所述促進(jìn)移除任何殘留空氣。應(yīng)指出，通過施加作用于熔融樹脂的HTF流體柱壓力并使熔融樹脂保持其噴射狀態(tài)，此豎直或半豎直狀態(tài)操作工藝得到增強(qiáng)。該平衡密度效應(yīng)在本申請人的專利申請2006^5783中描述，如果無此平衡效應(yīng)，熔融樹脂將傾向于向模具面下流動(dòng)并向下“芯吸”到部件的底部。在另一壓力室壁23上提供定位銷43，以使模具組件 34保持就位于制造裝置35內(nèi)，如圖5(f)中所示。然后如圖5(g)中所示將上部壓力室蓋在下部壓力室上以實(shí)施固化循環(huán)。在固化循環(huán)結(jié)束時(shí)，從壓力室泵出熱流體并從模具回收與模具1接觸的囊，從而從模具釋放壓實(shí)壓力。一旦收回囊，即可打開壓力室37和39并由機(jī)器手從制造裝置35取走處于熱狀態(tài)的部件并置于臺(tái)車上以冷卻。臺(tái)車上的冷卻裝置促進(jìn)復(fù)合材料部件的快速冷卻，從而最小化部件中龜裂的可能性。圖6更詳細(xì)地示出了預(yù)組裝體31的組裝。在開放結(jié)構(gòu)(open form) 50或“maule” 上鋪設(shè)相繼的纖維束層49。當(dāng)液化樹脂通過樹脂槍51噴射到纖維層上時(shí)，真空使層保持在開放結(jié)構(gòu)50上。該樹脂槍通過混合頭52噴射熱樹脂，樹脂管線53和硬化劑管線55分別向混合頭52供給加熱的樹脂和硬化劑。在噴射樹脂的前一層上相繼鋪設(shè)其它纖維束層 49。應(yīng)理解，當(dāng)形成具有更復(fù)雜形狀和厚度的復(fù)合材料部件時(shí)，中央芯層27可用預(yù)組裝體31替代。預(yù)組裝體31也可被預(yù)先噴射有包含增強(qiáng)手段如納米顆粒的液化樹脂。在后續(xù)的固化工藝中，該樹脂凝固時(shí)將起到將預(yù)組裝體31結(jié)合在一起的作用。此外，預(yù)組裝體 31中額外的樹脂將再次液化以幫助預(yù)組裝體31的浸漬，同時(shí)確保有足夠的納米顆粒進(jìn)入預(yù)組裝體31的內(nèi)部以如上所述在ζ方向上提供必要的增強(qiáng)。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的修改和變化涵蓋在由所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1.一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括向表面上施加樹脂，所述樹脂凝固形成樹脂層；沿大體與所述樹脂層平行的X方向提供增強(qiáng)手段；沿與所述X方向成一定角度并大體與所述樹脂層平行的y方向提供增強(qiáng)手段；和在大體與所述X方向和y方向垂直的ζ方向上提供增強(qiáng)手段。
2.一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括在模具的模具表面上施加液化樹月旨，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；在所述樹脂層上安置復(fù)合材料疊層；將所述模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，所述室壁安置為與安置在其間的所述模具成相對關(guān)系；另外在面向所述模具的相對表面上施加液化樹脂，所述相對表面上的樹脂凝固形成相對的樹脂層，使得所述復(fù)合材料疊層可安置在所述樹脂層之間；和使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得所述樹脂層液化且所述復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬和固化。
3.—種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括在模具的模具表面上施加液化樹月旨，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；在所述樹脂層上安置復(fù)合材料疊層；將所述模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，所述室壁安置為與安置在其間的所述模具成相對關(guān)系并以大體與安置在其間的所述模具垂直的方向排列；使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得所述樹脂層液化，所述復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬和固化；其中所述壓力室一開始逐漸填充有所述流體，使得所述樹脂層從其底部向上逐漸液化。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，所述方法還包括在面向所述模具的相對表面上施加液化樹脂，所述相對表面上的樹脂凝固形成相對的樹脂層，使得所述復(fù)合材料疊層安置在所述樹脂層之間。
5.一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括在模具的模具表面上施加液化樹月旨，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；將所述模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，所述室壁安置為與安置在其間的所述模具成相對關(guān)系；使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得所述樹脂層液化，所述復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬和固化；其中所述第一和第二壓力室連續(xù)地保持在高溫下，并且在外部遠(yuǎn)離所述壓力室冷卻所述模具。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中將所述模具從所述壓力室之間取走并置于冷卻裝置上以冷卻固化的復(fù)合材料部件。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中將所述樹脂噴射到所述表面上。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增強(qiáng)手段包括分布在所述樹脂層上的纖維針狀體。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的方法，其中所述增強(qiáng)手段包括分布在整個(gè)所述樹脂層中的碳納米管形式的納米顆粒。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，所述方法包括振動(dòng)所述表面和所述樹脂層以使所述納米顆粒分布在整個(gè)所述樹脂層中。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的方法，其中在所述表面上或已在先前施加的所述樹脂層上依次噴射不同類型并具有不同添加劑的樹脂。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法,其中所述不同的樹脂層包括抗劃層、增韌劑層、雷擊層或阻燃層中的至少一種以適合機(jī)械要求。
全文摘要
在一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括向表面上施加樹脂，所述樹脂凝固形成樹脂層，沿大體與所述樹脂層平行的x方向提供增強(qiáng)手段，沿與所述x方向成一定角度并大體與所述樹脂層平行的y方向提供增強(qiáng)手段，和在隨后的制造步驟中在大體與所述x方向和y方向垂直的z方向上提供增強(qiáng)手段。在另一方面，本發(fā)明提供一種制造復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括在模具的模具表面上施加液化樹脂，所述樹脂凝固以在其上形成樹脂層；在所述樹脂層上安置復(fù)合材料疊層；將所述模具安置在第一和第二壓力室之間，各個(gè)壓力室具有可彈性變形的室壁，所述室壁安置為與安置在其間的模具成相對關(guān)系；另外在面向所述模具的相對表面上施加液化樹脂，所述相對表面上的樹脂凝固形成相對的樹脂層，使得所述復(fù)合材料疊層可安置在所述樹脂層之間；和使高壓高溫流體循環(huán)通過各個(gè)壓力室，使得所述樹脂層液化且所述復(fù)合材料疊層被壓縮、為樹脂所浸漬和固化。
文檔編號(hào)B29C70/54GK102481731SQ201080032820
公開日2012年5月30日 申請日期2010年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月12日
發(fā)明者尼爾·德里克·布雷·格雷厄姆 申請人:快步科技私人有限公司