專利名稱：使用預堆疊的多方向連續(xù)纖維疊層模制復雜復合部件的方法
技術領域：
本發(fā)明總體涉及纖維加強復合結構和用于制造該結構的模制材料。更尤其地，本發(fā)明涉及單向預浸漬體帶的使用，以形成預堆疊(pre-plied)的，多向的連續(xù)纖維疊層，其適合用于經由近似網形的預制件模制復雜的三維纖維加強復合結構。
背景技術：
纖維加強復合結構通常包括作為兩個主要部件的樹脂基體和纖維。這些結構很好地適合用于苛刻的環(huán)境，諸如，在高強度和輕重量的組合是重要的航空航天領域。預浸漬復合材料(預浸漬體)廣泛地用于復合部件和結構的制造。預浸漬體是未固化的樹脂基體和加強纖維的組合，其常用于模制和固化形成最終的復合部件。通過使用樹脂預浸漬加強纖維，制造商可以仔細地控制被預浸漬進入纖維網的樹脂的數(shù)量和位置， 并且保證了樹脂在纖維網中如期望般分布。預浸漬體是在制造載荷承載結構部件中，特別是在機翼、機身、艙壁和控制表面中使用的載荷承載飛行器部件中使用的優(yōu)選材料。重要的是這些部件具有慣常為這些部件建立的足夠的強度，損傷容限和其它要求。單向(UD)帶是預浸漬體的通常形式。在單向帶中的纖維是彼此平行延伸的連續(xù)纖維。纖維通常是以數(shù)個個體纖維或者稱為“絲束”的細絲的束的形式。單向纖維浸漬有仔細控制數(shù)量的未固化樹脂。UD浸漬體通常放置在保護層之間以形成UD最終帶，其卷繞起來用于存儲或者運輸至制造設備。UD帶的寬度通常范圍從小于1英寸至1英尺或者更多。單向帶沒有良好地適合用于使用壓縮模制技術形成復雜三維結構的模制復合物。 當UD帶被強迫配合復雜部件的特征時，在UD帶中纖維的平行的方向和連續(xù)的本質致使纖維聚成束或者形成橋接。結果，使用UD帶的復雜三維部件的制造已經被限制為艱苦的過程，在該過程中UD帶的單獨層被直接應用至三維模具，三維模具接下來在高壓釜或者其它模制設備中進行處理。使用UD帶的該成層(lay-up)步驟往往是漫長且成本昂貴的操作。已經發(fā)現(xiàn)適合用于壓縮模制復雜部件的模制復合物通常應用更易于配合部件構造的隨機定向短纖維。然而，當被裝配成隨機配合時，該短纖維的使用引入了局部重量變動。該重量變動產生幾個問題。例如，它會造成合層設計的復雜性，當裝配幾個高可變合層用于特定部件幾何尺寸時，合層設計不得不適應于所有的可能的總的重量結果。短纖維的隨機配合中的局部重量變動也造成模制期間的不規(guī)則，因為低重量的區(qū)域由高重量的區(qū)域補償。該補償過程不可預測地一個模制部件不同于下一個模制部件，也在給定部件的不同特征之間不同。結果，設計者難于預測和確定模制復合物設計對于形成期望的部件是否是足夠的。鑒于上述情況，存在持續(xù)的需要以提供浸漬體模制方法，其適合在具有相對復雜形狀的壓縮模制加強纖維復合結構中使用。對于該方法的需要在部件強度是首要考慮的情況下是特別重要的。

發(fā)明內容
根據本發(fā)明，公開了單向(UD)帶可以形成為可以被處理為適于模制的預堆疊的， 多向的疊層。預堆疊的疊層通過取UD帶的單獨層并在彼此的上方放置它們得以形成，以使得該疊層的這些層或者層板包含沿不同方向延伸的纖維。本發(fā)明的預堆疊疊層不具有任何明顯的重量變化，重量變化可能在模制期間引起可能影響模制的三維結構的結構化性能的變化。此外，發(fā)現(xiàn)預堆疊的疊層的多向本質允許部件設計師以在疊層中切出槽，然后折疊該疊層為接近于三維部件的最終形狀的形狀。要被固化的部件的該近似網形或者“預成形”避免了之前當UD帶直接用于模制復合物時產生的纖維成束和搭橋的問題。本發(fā)明針對在預堆疊的，多向疊層被折疊成可以接著固化成復合結構的預制坯的情況下，用于形成纖維加強復合結構的方法。該預堆疊疊層包括至少第一層預浸漬體和第二層預浸漬體，其中每個預浸漬體層包括未固化的樹脂基體和單向纖維。作為本發(fā)明的一個特征，在兩個預浸漬體層中的單向纖維的方向是不同的。對疊層進行折疊以形成預制坯會在模制期間提供控制纖維取向的能力，且因此使得三維部件非常堅固，尤其適合用于在航空器中和在其它航空航天設備中使用。本發(fā)明也針對使用該疊層制作的纖維加強復合結構。此外，使用疊層的切下部分形成的預制坯由本發(fā)明覆蓋。進一步，航空航天組件，諸如航空器，其包括使用該預堆疊的疊層制作的纖維加強復合結構由本發(fā)明覆蓋。作為本發(fā)明的一個特征，該疊層切下部分可以沿著彼此相交的至少兩根折疊線折疊以形成三維部件。此外，該疊層在折疊線相交處開槽從而提高折疊過程和避免纖維橋接。 包含槽也允許了設計師形成折疊預制坯，在此情況下，纖維如期望般取向以滿足加強設計要求。本發(fā)明的上述和許多其它特征和附隨的優(yōu)點通過當結合附圖時，參照接下來的詳細說明會變得更好理解。


圖1是示出單層的單向(UD)浸漬體或者帶如何被定向以形成適用于制造根據本發(fā)明的優(yōu)選層中使用的四層準各向同性疊層的圖示表示。圖2是示出纖維取向的圖示表示，當兩個如圖1所示的四層準各向同性疊層結合以形成根據本發(fā)明的優(yōu)選示例性對稱的八層準各向同性疊層時得到所述纖維取向。圖3示出了根據本發(fā)明的示例性對稱八層準各向同性疊層。圖4示出了層中切下部分(cut-out)，其被制作從而形成示例性凸緣支撐結構。圖5是示例性凸緣支撐結構的預制坯，其已經通過折疊和組合圖4中所示的切下部分而得以形成。圖6是示例性凸緣支撐結構，其當圖5的預制坯得以固化時形成。圖7是疊層的示例性切下部分，其用于制作用于連接兩個主要航空器部件在一起的航空器夾具結構。圖8是示例性航空器夾具結構的預制坯，其通過折疊圖7中的切下部分而形成。圖9是示例性航空器夾具結構，其當圖8的預制坯固化時得以形成。
具體實施例方式本發(fā)明涉及用于壓縮模制過程以形成三維部件的預堆疊的多向疊層的形成和使用。本發(fā)明特別適合用于制作具有復雜形狀和設計以承載大載荷的三維部件。雖然，本發(fā)明主要在航空航天工業(yè)中使用，但是，該過程也可以根據本發(fā)明用于生產三維結構，其適合用于期望高強度和輕重量的廣泛多種應用。接下來的詳細說明主要針對航空器部件的生產， 如使用本發(fā)明制作的優(yōu)選結構類型。應該理解的是，本發(fā)明也具有廣泛的應用以生產其它類型的高強度部件，諸如任何數(shù)量的復雜三維部件，其用于汽車、鐵路、船運、能源和運動產業(yè)。圖1-3示出如何根據本發(fā)明制造示例性預堆疊、八層的對稱準各向同性疊層10。 如圖1所示，預浸漬體12的第一層和預浸漬體14的第二層被提供。預浸漬體層12和14 每個分別包括未固化的樹脂基體和單向纖維16和18。在預浸漬體12中的單向纖維16以 0°方向取向。在預浸漬體14中的單向纖維18以45°方向取向。如圖1進一步所示，第二組兩個預浸漬體層1 和Ha得以提供。該兩層1 和Ha是與層12和14相同的層，除了它們已經旋轉了 90°以使得單向纖維16a以90°取向，單向纖維18a以-45°取向。該四層12、14、12a、14a被組合，如圖1所示，以形成4層準各向同性疊層20。如圖2所示，第二 4層準各向同性疊層20a被提供，其是與疊層20相同的疊層，除了它已經受到倒轉以提供與疊層20為鏡像的單向纖維取向。該兩個4層墊20和20a組合如圖2和3中的30所示以形成優(yōu)選示例性的預堆疊，八層對稱準各向同性疊層10。疊層具有多于或者少于8層單向預浸漬體是可能的，假設它們可以被開槽和折疊以形成當該預制坯得以壓縮模制/固化時其不會經受纖維成束或者橋接的預制坯。例如，疊層可以在單向預浸漬體層的數(shù)量高至16或者低至2的情況下得以制備。在此所使用的術語“預堆疊”意味著組合各種UD纖維層以形成多層疊層，之后疊層被切割和/或折疊以形成近似網形(near-net)的預制坯。如對于優(yōu)選疊層10所示，疊層的相鄰層可以具有相同方向，只要至少兩層具有以不同方向取向的UD纖維。也應該指出的是，0°，士 45°和90°的UD纖維方向是優(yōu)選示例性纖維取向。如圖1-3所示，準各向同性取向是優(yōu)選的。然而，廣泛的多種其它UD纖維取向和層結合是可能的。UD纖維取向和 UD纖維層的特定組合通過部件設計師取決于用于復合結構的期望纖維取向得以選擇，如果必需的話，復合結構在疊層已經開槽之后形成，且折疊以形成三維形狀的最終部件。單向(UD)帶是用于形成本發(fā)明的預堆疊的疊層的預浸漬體層的優(yōu)選類型。單向帶是可購得的或者它可以使用已知的預浸漬體形成過程制造。UD帶的尺寸可以取決于形成期望的三維復合結構所需的切下部分的數(shù)量和尺寸而在大范圍內變化。例如，取決于期望的切下部分的尺寸和數(shù)量，UD帶的寬度(垂直于UD纖維的尺寸)可以從0. 5英寸到數(shù)英尺的范圍或者更多。取決于期望的切下部分的尺寸和數(shù)量，帶會通常地從0. 004到0. 012 英寸(0.01至0.03cm)厚，UD帶的長度(平行于UD纖維的尺寸)可以從0.5英寸(1.3cm) 至數(shù)英尺(1米)或者更多。UD帶或者預浸漬體可以包含從25至45的重量百分比的未固化樹脂基體。優(yōu)選地， 未固化樹脂基體的數(shù)量會在30至40重量百分比之間。樹脂基體可以是任何環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺(bismaleimide)樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯(vinylester)樹脂、 氰酸鹽酯樹脂、酚樹脂或者熱塑性樹脂。示例的熱塑性樹脂包括聚亞苯基硫化物(PPS)、聚砜(PQ、聚醚醚酮(PEEK)，聚醚酮酮(PEKK)、聚醚砜(PES)，聚醚酰亞胺(PEI)、聚酰胺-酰亞胺(PAI)。利用熱塑性使其堅硬的環(huán)氧樹脂是優(yōu)選的樹脂基體。通常存在于在航空航天工業(yè)中使用的類型的UD帶中的樹脂得以優(yōu)選。UD纖維可以是碳、玻璃、芳族聚酸胺或者任何通常在高壓環(huán)境中使用的復合部件制造中使用的其它纖維材料。該纖維可以包含從數(shù)百個絲束到12，000或者更多個絲束。優(yōu)選的UD纖維是碳纖維。優(yōu)選的示例性可購得單向預浸漬體是HexPly 8552，其可以從Hexcel公司(都柏林，加利福利亞)購得。HexPly 8552是可在多種單向帶配置中得到的，多種單向帶配置包含胺固化堅固的環(huán)氧樹脂基體，其數(shù)量范圍從34至38重量百分比，且碳或者玻璃UD 纖維具有從3，000至12，000絲束。纖維通常占UD帶的60體積百分比。根據本發(fā)明的航空器凸緣支撐結構40的形成示出在圖4-6中。凸緣支撐結構40 設計為連接兩個航空器部件在一起。兩個航空器部件42和44在圖6中以虛線示出。航空器部件42和44是航空器的載荷承載主要結構元件。術語“載荷承載”意味著該部件被設計具有足夠的強度和剛度以支撐給定壓力或者負載而不會失效。通常由這些部件承載的負載為大約1000磅或者更多。大約6000磅或者更高的載荷在用該材料和過程制作的部件中并不是罕見的。該凸緣支撐結構40必須能夠支撐與主要航空器部件42和44相同或者更高的載荷以為了防止連接兩個載荷承載部件在一起的凸緣40的失效。經由閂穿過孔46或者通過粘結連接，航空器部件42和44可以連接至凸緣支撐40。凸緣支撐結構40如圖4所示使用六個切下部分(A-F)制成。該切下部分從優(yōu)選的對稱準各向同性疊層10切下。直線槽如48處示出形成在“A”切下部分中。切下部分A 沿著折疊線50、52和M折疊，如虛線所示。槽48位于折疊線50和M的交叉處和折疊線 52和討的交叉處。槽48自切下部分A的內部在折疊線交叉處延伸至切下部分的邊緣。槽 48與折疊線50和52在同一直線上。切下部分B在虛線56和58處折疊。由于該兩折疊線不交叉，所以不需要槽。切下部分C和D是彼此的鏡像，折疊線以虛線示出。以與切下部分A相同的方式，槽位于切下部分C和D中的折疊線的交叉處。切下部分E和F是彼此的鏡像，折疊線以虛線示出。以與切下部分A相同的方式，槽位于切下部分E和F中的折疊線的交叉處。槽作用為釋放切口，其允許所切下的部分折疊到位，而不會使纖維的取向變形，且在需要的情況下提供切下部分的橋接或者樹脂基體的流動。切下部分A-F被折疊并組合以形成如圖5中所示的預制坯60。如果需要的話，折疊線可以是略微加熱以減少樹脂基體的粘度且使得它更易于折疊切下部分。然而，加熱應該保持在最小以防止切下部分的不利的預成熟固化。通常，折疊線應當僅被加熱至足夠以減少樹脂基體的粘度而不用開始整個切下部分的固化。取決于所使用的樹脂基體的類型， 溫度會不同。折疊線應當僅被加熱足夠時間以允許疊層彎曲成期望的形狀。折疊線應當被加熱盡可能短的時間且優(yōu)選不超過大約幾分鐘以避免局部固化切下部分。本發(fā)明的一個優(yōu)點在于預制坯60可以被成型為接近最終部件的形狀。預制坯優(yōu)選為“近似網形”。近似網形意味著預制坯的尺寸在固化的纖維加強的復合結構的模制尺寸的至少3mm內。在固化的纖維加強的復合結構的模制尺寸的減小超過3mm的預制坯是可能的。例如，預制坯可以取決于最終固化部件的大小、幾何形狀和期望的結構性能而設計為以固化部件的模制尺寸的25mm或者更多來減小尺寸。預制坯60可以部分固化從而提高樹脂基體的粘度以確保預制坯保持期望的近似網形。樹脂基體可以是通過任何已知的局部固化過程而部分地固化(提前)，假設樹脂粘度被調整以使得保持預制坯60的形狀。通常已知為“B階段”的過程是用于在壓縮模制或者其它固化過程之前促進樹脂基體的優(yōu)選過程。預制坯60的固化可以通過通常在航空航天工業(yè)中使用的任何常用的固化或者模制方案得以實現(xiàn)。壓縮模制是用于轉化預制坯60成最終航空器凸緣支撐40的優(yōu)選過程。 該過程涉及通過在按壓中閉合的模具向預制坯60施加壓力。固化壓力、溫度和時間取決于包括樹脂基體的類型和預制坯的大小的大量變量而變化。對于包括環(huán)氧樹脂、雙馬來酰亞胺(bismaleimide)樹脂、聚酰亞胺樹脂、聚酯樹脂、乙烯基酯樹脂、氰酸鹽酯樹脂、酚樹脂的不同類型的樹脂系統(tǒng)，這些固化變量對于那些本領域技術人員是已知的。該近似網形預制坯被形成且經過B階段，如果必需的話，以控制樹脂和纖維流，并且形成網形三維部件。根據本發(fā)明的航空器夾具結構70的形成示出在圖7-9中。夾具結構70被設計以連接兩個主要的結構航空器部件在一起。該兩個主要的結構航空器部件72和74以虛線的方式示出在圖9中。使用如在圖7中以78示出的一個或者多個切下部分制作夾具結構70。切下部分從優(yōu)選的對稱準各向同性疊層10切下。直線槽形成在如所示的80處的切下部分中。切下部分78沿著如虛線中所示的折疊線82和84折疊。槽80位于折疊線82和84的交叉處。 槽80從位于折疊線交叉處的切下部分的內部延伸至切下部分的邊緣。槽80與折疊線82
在同一直線上。切下部分78折疊以形成如圖8中所示的夾具預制坯90。該夾具預制坯90是近似網形以使得它接近于最終夾具70的形狀。在預制坯90中的纖維的取向以簡單的形式示出如線92，以說明當切下部分78折疊以形成預制坯90時，纖維的取向改變。設計師必須考慮發(fā)生在折疊步驟期間的UD纖維的重新定向，從而在預制坯90和最終的夾具70中提供期望的纖維取向。采用與凸緣支撐預制坯60相同的方式，夾具預制坯90可以部分固化以為了增加樹脂基體的粘度來確保預制坯合適地形成期望部件形狀的最終固化尺寸?！癇階段”是在壓縮模制或者其它固化過程之前，促進夾具預制坯90的樹脂基體的優(yōu)選過程。夾具預制坯90可以使用任何常用的固化或者模制方案，以與上述的用于固化凸緣支撐預制坯60的相同的方式得以固化。壓縮模制是用于轉化預制坯90成為最終航空器夾具70的優(yōu)選工藝。因此，已經說明了本發(fā)明的示例性實施例，應該指出的是對于本領域技術人員，本公開范圍內的僅為示例，各種其它替代，適應和更改可以在本發(fā)明的范圍內進行。因此，本發(fā)明不限于上述實施例，而是僅由附隨的權利要求限制。
權利要求
1.一種用于形成纖維加強復合結構的方法，包括以下步驟提供包括內部和邊緣的預堆疊的，多向的疊層，所述疊層包括至少第一層預浸漬體和第二層預浸漬體，其中每個所述預浸漬體層包括未固化的樹脂基體和單向纖維，其中在所述第一預浸漬體層中的所述單向纖維的方向與所述第二浸漬體層中的所述單向纖維的方向不同；折疊所述疊層以形成預制坯；以及固化所述預制坯以形成所述纖維加強復合結構。
2.根據權利要求1所述的用于形成纖維加強復合結構的方法，其中所述疊層包括至少兩根折疊線，沿著所述折疊線，所述疊層在所述預制坯形成期間被折疊，其中所述折疊線彼此交叉。
3.根據權利要求1所述的用于形成纖維加強復合結構的方法，其中所述疊層包括至少一個直線槽，所述直線槽從所述疊層的所述內部延伸至所述疊層的所述邊緣。
4.根據權利要求2所述的用于形成纖維加強復合結構的方法，其中所述疊層包括至少一個直線槽，所述直線槽從所述疊層的所述內部延伸至所述疊層的所述邊緣，其中所述直線槽與至少其中一根所述折疊線在同一直線上。
5.根據權利要求4所述的用于形成纖維加強復合結構的方法，其中所述直線槽從所述折疊線的交叉處延伸至所述疊層的所述邊緣。
6.根據權利要求1所述的用于形成纖維加強復合結構的方法，其中所述疊層包括至少一根折疊線，其中所述折疊線在折疊所述疊層之前被加熱以形成所述預制坯。
7.—種纖維加強復合結構，其根據包括以下步驟的方法制作提供包括內部和邊緣的預堆疊的、多向的疊層，所述準疊層包括至少第一層預浸漬體和第二層預浸漬體，其中每個所述預浸漬體層包括未固化的樹脂基體和單向纖維，其中在所述第一預浸漬體層中的所述單向纖維的方向與所述第二預浸漬體層中的所述單向纖維的方向不同；折疊所述疊層以形成預制坯；以及固化所述預制坯以形成所述復合結構。
8.根據權利要求7所述的纖維加強復合結構，其中所述疊層包括至少兩根折疊線，沿著所述折疊線，所述疊層在所述預制坯形成期間被折疊，其中所述折疊線彼此交叉。
9.根據權利要求7所述的纖維加強復合結構，其中所述疊層包括至少一個直線槽，所述直線槽從所述疊層的所述內部延伸至所述疊層的所述邊緣。
10.根據權利要求8所述的纖維加強復合結構，其中所述疊層包括至少一個直線槽， 所述直線槽從所述疊層的所述內部延伸至所述疊層的所述邊緣，其中所述直線槽與至少其中一根所述折疊線在同一直線上。
11.根據權利要求10所述的纖維加強復合結構，其中所述直線槽從所述折疊線的交叉處延伸至所述疊層的所述邊緣。
12.根據權利要求7所述的纖維加強復合結構，其中所述復合疊層包括至少一根折疊線，其中所述折疊線在折疊所述疊層之前被加熱以形成所述預制坯。
13.一種用于形成纖維加強復合結構的預制坯，所述預制坯根據包括以下步驟的方法制成提供包括內部和邊緣的預堆疊的，多向的疊層，所述疊層包括至少第一層預浸漬體和第二層預浸漬體，其中每個所述浸漬體層包括未固化的樹脂基體和單向纖維，其中在所述第一預浸漬體層中的所述單向纖維的方向與所述第二預浸漬體層中的所述單向纖維的方向不同；以及折疊所述疊層以形成所述預制坯。
14.根據權利要求13所述的預制坯，其中所述準各向同性疊層包括至少兩根折疊線， 沿著所述折疊線，所述疊層在所述預制坯形成期間被折疊，其中所述折疊線彼此交叉。
15.根據權利要求13所述的預制坯，其中所述疊層包括至少一個直線槽，所述直線槽從所述疊層的所述內部延伸至所述疊層的所述邊緣。
16.根據權利要求14所述的預制坯，其中所述疊層包括至少一個直線槽，所述直線槽從所述疊層的所述內部延伸至所述疊層的所述邊緣，其中所述直線槽與至少其中一根所述折疊線在同一直線上。
17.根據權利要求16所述的預制坯，其中所述直線槽從所述折疊線的交叉處延伸至所述疊層的所述邊緣。
18.根據權利要求13所述的預制坯，其中所述復合疊層包括至少一根折疊線，其中所述折疊線在折疊所述疊層之前被加熱以形成所述預制坯。
19.一種航空航天組件包括 第一航空器部件；第二航空器部件；連接所述第一航空器部件至所述第二航空器部件的根據權利要求7所述的纖維加強復合結構。
20.根據權利要求19所述的航空航天組件，其中所述第一和第二航空器部件是所述航空器的載荷承載元件。
全文摘要
單向(UD)纖維浸漬體(12、14)的層被形成為預疊置的、多向的、連續(xù)的纖維疊層(10)，其用于作為模制復合物以形成三維結構(40)。從疊層切下部分沿著所述折疊線被開槽和折疊以提供近似網形的預制坯，其可以被壓縮模制以形成具有復雜形狀的纖維加強復合結構。
文檔編號B29C70/20GK102548741SQ201080041530
公開日2012年7月4日 申請日期2010年8月21日 優(yōu)先權日2009年9月17日
發(fā)明者M·克韋德 申請人:赫克賽爾公司