抗裂復(fù)合層壓體的制作方法
【專利說明】
【背景技術(shù)】
[0001]纖維增強(qiáng)層壓復(fù)合體因?yàn)樗鼈兺ǔ１憩F(xiàn)出一個(gè)或多個(gè)期望的特性，諸如輕質(zhì)、增加的耐用性和高強(qiáng)度重量比而在各種應(yīng)用中使用。復(fù)合物品中可能出現(xiàn)的一個(gè)問題是沿著纖維的定向不受控制的開裂，尤其是如果物體以足夠的質(zhì)量和/或能量撞擊復(fù)合物品以生成基本上或者完全穿透復(fù)合體的大缺口或者孔。盡管在一些情況下這樣的損傷可能較小或者甚至主要是刺激性的，但是如果復(fù)合品是，例如，飛機(jī)的機(jī)翼蒙皮，這樣的損傷可能具有災(zāi)難性的后果。
[0002]因此，本領(lǐng)域需要一種復(fù)合品，其在被物體撞擊時(shí)不會表現(xiàn)出沿著纖維的定向的不受控制的開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]提供本概述以便用簡化的形式介紹將在以下詳細(xì)說明中進(jìn)一步描述的一些概念的選擇。本
【發(fā)明內(nèi)容】
并不旨在用于限制所要求保護(hù)主題的范圍。本文中描述的概念和技術(shù)用于提供改進(jìn)的復(fù)合層壓體、制造復(fù)合層壓體的方法、以及使用復(fù)合層壓體的至少一個(gè)實(shí)例。
[0004]復(fù)合層壓體具有嵌入基體中的許多的增強(qiáng)纖維。在一個(gè)應(yīng)用中，第一多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與3至8度的范圍內(nèi)的定向平行，第二多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與-3至-8度的范圍內(nèi)的定向平行，第三多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與10至40度的范圍內(nèi)的定向平行，第四多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與-10至-40度的范圍內(nèi)的定向平行，以及第五多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與大約90度的定向平行。
[0005]一種制造復(fù)合層壓體的方法使增強(qiáng)纖維嵌入基體中，第一多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與3至8度的范圍內(nèi)的定向平行，第二多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與-3至-8度的范圍內(nèi)的定向平行，第三多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與10至40度的范圍內(nèi)的定向平行，第四多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與-10至-40度的范圍內(nèi)的定向平行，以及第五多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與大約90度的定向平行，定向是相對于預(yù)定的軸的。
[0006]一種飛機(jī)具有機(jī)身、操作性地連接至機(jī)身的機(jī)翼組件、以及至少結(jié)合至機(jī)身或者機(jī)翼組件的選擇的部分的復(fù)合層壓體。復(fù)合層壓體具有嵌入基體中的增強(qiáng)纖維，第一多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與3至8度的范圍內(nèi)的定向平行，第二多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與-3至-8度的范圍內(nèi)的定向平行，第三多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與10至40度的范圍內(nèi)的定向平行，第四多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與-10至-40度的范圍內(nèi)的定向平行，以及第五多個(gè)增強(qiáng)纖維通常與大約90度的定向平行，定向是相對于預(yù)定的軸的。
[0007]例如但不限于，基體可以是環(huán)氧樹脂、聚合物、金屬或者陶瓷。在一個(gè)配置中，纖維被定位以基本具有以下一般定向:5度、-5度、30度、-30度和90度。在另一個(gè)配置中，纖維被定位以基本具有以下一般定向:5度、-5度、20度、-20度和90度。
[0008]已經(jīng)討論的特征、功能和優(yōu)勢可以在本公開內(nèi)容的各種配置中獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)或者可以結(jié)合在其他配置中，可以參考以下描述和附圖了解本公開內(nèi)容的更多細(xì)節(jié)。
【附圖說明】
[0009]圖1是示例性復(fù)合面板中的示例性大缺口損傷的示圖。
[0010]圖2示出一些復(fù)合測試面板的抗張強(qiáng)度與α疊層或者纖維的百分比之間的關(guān)系。
[0011]圖3是一個(gè)示例性復(fù)合層壓體的部分分解的等距視圖，所述復(fù)合層壓體如本文中公開的那樣被修改以改善抗從大缺口損傷縱向的開裂。
[0012]圖4是其蒙皮的一部分由復(fù)合層壓體構(gòu)成的示例性飛機(jī)的示圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]以下具體的描述涉及復(fù)合層壓體，用于產(chǎn)生復(fù)合層壓體的方法以及復(fù)合層壓體的使用。在以下詳細(xì)說明中，參考形成本公開內(nèi)容的一部分的附圖并且通過示圖、具體配置、或者實(shí)例來示出。遍及幾個(gè)附圖，相同的標(biāo)號表示相同元件。
[0014]復(fù)合層壓體，還已知為碳纖維增強(qiáng)聚合物，包括嵌入基體中的碳增強(qiáng)纖維，所述基體為諸如環(huán)氧樹脂、聚合物、金屬或者陶瓷。通常被簡稱為“樹脂”的聚合樹脂包括，但不限于，環(huán)氧樹脂、聚合物、聚酯、乙烯基酯或者尼龍。這些復(fù)合層壓體提供高強(qiáng)度重量比并且常常用于，例如而不限于，航空航天應(yīng)用、汽車、帆船、體育用品、自行車、摩托車、電子設(shè)備的外殼、及其他軍事的、工業(yè)的和消費(fèi)者應(yīng)用。纖維提供縱向方向上(而不是交叉纖維方向上)的強(qiáng)度，因此層壓體通常包括在不同方向上，通常相對于張力軸成O度、±45度和90度的纖維層。這樣的復(fù)合層壓體可以由多層或者接合在一起的疊層形成，每一層是嵌入基體中的多個(gè)纖維。
[0015]在用于復(fù)合層壓體的理想的環(huán)境中，與其他物體的主要沖擊是最小或者不存在的。在實(shí)際環(huán)境中，然而，例如飛機(jī)，可以從這種諸如冰雹的天氣相關(guān)的大氣現(xiàn)象、諸如發(fā)動機(jī)的另一個(gè)組件的故障、或者甚至敵人的拋射體或者從其中來的榴散彈的不同源預(yù)期與其他物體的強(qiáng)烈的撞擊。一些物體，不是造成單個(gè)疊層的較小損傷，而是頻繁造成許多疊層的損傷，并且可能甚至穿透所有的疊層。為方便討論起見，而不是作為限制，本文中將這類損傷可以稱為“大缺口”損傷。一些傳統(tǒng)的復(fù)合層壓體表現(xiàn)出通過層壓體在大致平行于張力的方向的方向上的縱向開裂而傳播大缺口損傷的傾向。因此，當(dāng)出現(xiàn)這種大缺口損傷時(shí)，在損傷區(qū)域上正常存在的張力可能導(dǎo)致層壓體的完全的和/或功能的故障，如果這種故障出現(xiàn)在，例如，機(jī)翼或者機(jī)身的一些部件中，可能具有災(zāi)難性的結(jié)果，諸如飛機(jī)的失聯(lián)。例如，如果飛機(jī)機(jī)翼的蒙皮中的裂痕朝向飛機(jī)機(jī)翼的桁梁傳播，那么開裂可以由桁梁阻止。然而，如果開裂平行于桁梁傳播，那么就沒有什么可以阻止開裂并且機(jī)翼可能故障。
[0016]Max U.Kismarton 的題為“Composite Article Having Reinforcing FibersOriented To Suppress Or Delay Ply Splitting” 的美國專利 7,807,249、題為“Mult1-Axial Laminate Composite Structures And Methods Forming The Same” 的美國專利公開 US2006/0222837A1、題為 “Composite Skin And Stringer Structure AndMethod For Forming The Same”的美國專利公開US2006/0243860A1、以及題為“CompositeStiffeners For Aerospace Vehicles” 的美國專利公開 US2011/0045232A1 被轉(zhuǎn)讓給伊利諾斯州，芝加哥的波音公司。這些文件公開了制造和使用復(fù)合層壓體的各種方法。
[0017]圖1是示例性復(fù)合面板100中的示例性大缺口損傷115的示圖。面板100包括多個(gè)疊層。按照慣例，具有主要沿著張力軸T定向的纖維的疊層稱為“ α ”疊層和“ α ”纖維，具有主要在相對于該軸成另一個(gè)角度定向的纖維的疊層稱為“ β ”疊層和“ β ”纖維，以及具有主要在相對于該軸成又一個(gè)角度定向的纖維的疊層稱為“ γ ”疊層和“ γ ”纖維。在一個(gè)典型的復(fù)合體中，α疊層具有O度的纖維定向角度，β疊層具有±45度的纖維定向，和γ疊層具有90度的纖維定向，并且至少ιο%的疊層在這四個(gè)方向上的每一個(gè)上定向。還可以將具有不同定向的纖維置于單個(gè)疊層中。例如，α纖維和/或β纖維和/或γ纖維可以嵌入在單個(gè)疊層中。還例如，可以將具有不同定向的纖維紡到纖維織物里。當(dāng)然，許多應(yīng)用要求每個(gè)定向的多個(gè)疊層以實(shí)現(xiàn)期望的強(qiáng)度或者其他特性。多層也可以諸如通過但不限于樹脂接合在一起。
[0018]如圖1中所示，α層(未示出或者單獨(dú)編號)具有定向平行于張力T的平行纖維105，γ層(未示出或者單獨(dú)編號)具有定向垂直于張力T的平行纖維110，并且β層(未示出或者單獨(dú)編號)具有定向?yàn)椤?5度的平行纖維125Α、125Β。為說明的方便和清楚起見，β纖維125未在面板100中示出但是在插圖(insert) 130中示出。
[0019]現(xiàn)在假設(shè)存在引起大缺口損傷115的與物體的沖擊。將看到平行纖維105A在大缺口損傷點(diǎn)115處被切割。如果在面板100上存在張力T，那么張力沿著未切割的平行纖維105，從而它們響應(yīng)于張力拉伸。然而，切割的平行纖維105A在大缺口損傷115處終止，從而它們在該端部自由，因此未經(jīng)受相同程度的張力。因此，它們未拉伸，或者它們極小地拉伸。因?yàn)槲辞懈畹钠叫欣w維105拉伸，而切割的平行纖維105A未拉伸，在它們之間產(chǎn)生了剪力，如果張力T足夠大，拉伸的纖維與未拉伸的纖維的長度上的差異導(dǎo)致切割的平行纖維105A被從相鄰的未切割的平行纖維105剪切，如通過示例性裂縫120示出的。裂縫120可以沿著張力線傳播并且最終可以傳播貫穿板面板100中的疊層、或者多個(gè)疊層的整個(gè)長度。這使面板100的強(qiáng)度嚴(yán)重劣化。該開裂故障模式隨著與張力T平行的纖維的百分比的增加逐漸變得更可能。
[0020]大缺口縱向開裂的一個(gè)當(dāng)前解決方案是增加更多的45度纖維。45度纖維用來將開裂引導(dǎo)朝向開裂將被阻止的飛機(jī)機(jī)翼中的桁梁。然而，增加更多的這些45度疊層降低了模數(shù)(modulus)并且增加了重量。較高的模數(shù)增加了結(jié)構(gòu)效率的一些度量，諸如但不限于重量、無缺口的張力、填充孔張力、邊緣缺口張力以及填充孔壓縮。較低模數(shù)有時(shí)可能具有不期望的結(jié)果，諸如但不限于顫振和使飛機(jī)或者其他車輛或者結(jié)構(gòu)的各種組件集成的問題。因此，不希望減小模數(shù)，尤其是同時(shí)還增加重量。
[0021]圖2示出一些復(fù)合體測試面板的抗張強(qiáng)度與α疊層或者纖維的百分比之間的關(guān)