CN101652243B

CN101652243B - 温度和湿度受控的复合材料制品及其使用方法

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Publication number: CN101652243B
Application number: CN2007800520822A
Authority: CN
Inventors: A·阿皮塞拉; M·扬诺尼; G·扬努佐; G·萨格尼拉
Original assignee: Alenia Aeronautica SpA
Current assignee: Alenia Aermacchi SpA
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: CA2679214A1; US8324537B2; EP2114666A1; US20100096383A1; RU2432260C2; ES2470680T3; CN101652243A; EP2114666B1; RU2009137119A; CA2679214C; ITTO20070176A1; WO2008107922A1

Abstract

复合材料的制品(1)，包括通过施加压力和加热被合并的材料的多个层板(10)，其中每个材料层板由用纤维材料增强的树脂基质制成。所述制品包括被嵌入复合材料中的加热电阻(20)和温度传感装置(30)，其分别被放置在所述材料层板之间的至少一个界面区域(11，13)中并且适于允许在使用时进行制品的温度控制。

Description

温度和湿度受控的复合材料制品及其使用方法

本发明涉及权利要求1的前序部分所述的复合材料。

已知的是，聚合材料具有大分子结构，即，由具有根据结构不同而异的相对活动性的长聚合链制成，但是其在所有情况下都允许具有较低分子量的物质分子的利用(access)，该分子在大分子之间渗透，从而形成真溶液。

这些物质的量当然根据聚合物和低分子量物质的分子性质的不同而异。相互作用也可是化学作用和/或物理作用。

对于一些在化学上更具攻击性的物质诸如酸和/或一些有机溶剂，化学相互作用可以诱导聚合物变性，有时也被称为聚合物溶解。物理相互作用替代地是指一般可逆的混合；其在聚合物和低分子量物质之间产生溶液，物理特征不同于纯聚合物的物理特征。作为低分子量物质，它们一般改善大分子间的相对活动性，通常诱导玻璃化转变温度(T_g)下降；从机械角度，屈服应力σ_y(拉伸屈服应力)和τ_y(剪切屈服应力)通常被降低，并且通常弹性模数E(拉伸弹性模数或杨氏模量)和剪切弹性模数(G)也被降低。作为一个整体被观察到的所有这些效果一般被定义为是“增塑效果”。

增塑效果根据聚合物性质以及低分子量物质的性质和量的不同而异。

诱导增塑效果的物质是有机溶剂(例如，MEK、甲醇、乙醇、己烷、丙酮)以及水。当聚合物被浸渍在增塑液体中时，聚合物趋向于吸收所述液体，并吸收一定量的所述液体，吸收速率根据增塑剂在聚合物中的扩散系数的不同而异。当达到平衡状态时，以致不发生增塑剂在聚合物中的任何进一步吸收(事实上，在分子水平上，进入分子数等于离开分子数)，因此可以说已经达到增塑剂的“饱和”含量，其根据聚合物和增塑剂二者的化学性质的不同而异，并且随着温度的不同而改变。

当聚合物被浸渍在其中部分地存在增塑剂的环境中时，饱和量根据存在于环境中的增塑剂的百分比的不同而异；更具体地说，在热动力学方面，讨论增塑剂活性。在气体混合物的情况中，所述活性根据分压的不同而异；如果x是增塑剂的体积分数，则分压是x·π，其中π是混合物的总压力。当水以气态分散在空气中时，在气态水和液态水之间建立平衡，气态水的活性等于液态水的活性。在这一情况下，该环境被定义为是水饱和的，相对湿度是100％并且在相同温度下气态中水的分压等于液态水的水蒸气压。

在暴露于包含一些水的环境下的聚合物的情况中，当达到饱和时，近似线性定律将相对湿度和被聚合物吸收的水百分数关联。

相反，关于被吸收的水作为温度的函数的变化性，一般地，对温度的依赖性不是很高；对于被用作航空结构应用的复合物基质的环氧树脂而言，被处于液态水(或者相当于具有100％湿度的空气环境)中的树脂所吸收的饱和水含量与树脂制剂变化约1-3％，并且在25℃-80℃的温度范围内与同样的树脂几乎恒定。

在不同环境中达到饱和所需的时间替代地受到水在聚合物内的扩散的控制，并因此根据扩散系数的不同而异，扩散系数取决于关于温度的指数定律。扩散定律的整合使得发现了在饱和时间和部件厚度之间存在二次相关。

基于先前的考虑，可以声明，聚合物材料，包括例如聚合物基质复合材料的多种基质在内，被暴露以随着时间从大气环境吸水，在某种意义上根据使用环境条件的不同而异。由于环境条件的极端变化性，对于设计而言必需预先考虑最不利的因素，对于航空应用，已一致认为是对于整个飞行器使用年限(典型地为30年)为28℃e 85％相对湿度。因此，对于大部分复合物结构，85％的饱和度必需被考虑用于证明(certification)。

从温度的角度考虑，一般地，最低温度(最高巡航高度)是-55℃，最高温度(在地面上，最大日光暴露)是80℃。

由于关于增塑作用所提及的，高温的影响与水吸收是同方向的；因此，材料和结构证明通过评价在高温和水吸收后(“热湿”条件)的材料和在低温而通常无水吸收(“冷干”条件)的材料进行。

在航空证明计划中还考虑这些条件的要求-该航空证明计划关于在周围温度下的机械试验方面具有很高需求(在任何情况下，它们涉及试件、细部、零件、子部件和全尺寸组件)-在附加试验活性(还因为供试样品的暴露)和时间方面非常昂贵。事实上，由于以上所述，吸收很慢，并且模拟在室温下在30年时段期间的吸收，即使当加速老化是使用条件(在高温下)时也需要若干个月的时间。

因此，本发明的目的是提供由复合材料制成的制品，该复合材料具有克服由湿度对聚合物材料的影响所诱导的上述问题的能力。

因此，本发明的主题是由具有如权利要求1所述特征的复合材料制成的制品。

由于在复合材料制品中合并了加热设备和温度传感设备，有可能以永久的和最终确定的方式控制制品的使用条件。所得益处根据结构的尺寸的不同而异，无需考虑由被吸收的高水平水和低温所诱导的材料性质的劣化。所述益处具体地包括：

-允许使用更高的设计许可，其无需考虑由湿度和最终由低温诱导的劣化，因此运用更轻的结构；

-允许无需进行湿试法，在试件、零件、子部件和组件水平来证明结构。

实施本发明的优选方式在从属权利要求中被定义。

本发明的其它主题是分别具有如权利要求9-11所述特征的本发明的制品的使用方法，和计算机程序产品，该计算机程序产品可装载在计算机存储器内并包括当该程序在计算机上运行时用于实施该方法的软件编码部分，和分别具有如权利要求13-15所述特征的控制本发明的制品的使用条件的系统。

在下文中，参考附图阐述了一些本发明的优选的但非限制性的实施方案，在附图中：

-图1是本发明的复合材料面板的顶视图的图示，显示了该面板的一些特征；

-图2是图1面板的对应于II-II的截面的图示；

-图3是图1面板的顶视图的另外的图示，显示了其它特征；和

-图4是图3面板的对应于IV-IV的截面的图示；

-图5是要在图1面板的层合(lay-up)方法中使用的定位工具的顶视图的图示；

-图6表示在图5中由箭头VI所指的图5的工具的一部分的放大视图；

-图7是图6的对应于VII-VII的一部分的截面的图示；和

-图8-10是表示在本发明的复合材料面板中的湿度吸收曲线图形。

在附图中，示出了由本发明的复合材料制成的制品1，特别是面板形式，认为其要被安装到飞行器上。该面板1以本身已知的方式包括借助于压力和热被合并的多个材料层板10，其中每个材料层板10由被纤维材料增强的树脂基质形成。聚合物基质可以是热塑性或热固性的，并且用纤维、特别是长纤维例如碳纤维或玻璃纤维或凯芙拉(Kevlar)纤维增强。在材料层板10之间限定了界面区域11、12、13。

根据本发明，面板1包括被嵌入复合材料中的加热设备20和温度传感设备30，其分别地被布置在层板10之间的至少一个界面区域11，13内并适于允许在使用时在面板1内进行温度控制。

加热设备20适于在使用时连接控制设备40，用于启动加热设备以便升高部件温度高于环境水平，从而诱导潮气丧失的效应或者还控制材料的最小使用温度。优选地，加热设备20是由被嵌入复合材料的铜丝制成的局部电阻，被放置在复合物制品1的中央的界面11处。在这种情况下，控制设备40包括电流或张力发生器。

在1m×1m的复合面板中安置10米长的电阻20的一个实施例如图1的顶视图中所示。在该实施例中，电阻以曲线方式沿着在中央层板10之间的界面区域11延伸。

电阻所需功率可以根据以下考虑进行计算。

制品在高于周围温度的温度下的受控加热可允许进行干燥作用。事实上，在高于周围温度的温度下在增塑剂(水)离开和进入制品的流动之间的平衡条件下，在聚合物温度T_p(即复合物基质温度)下的水的蒸气压等于水的分压p_w，其是在周围温度T_a下的水蒸气压和周围相对湿度R.H的乘积。

在下面的表1中报道了总表，表明轻微加热诱导聚合物水含量在平衡条件下显著减少。

表1

相对饱和度比，定义如下：

(水含量/涉及饱和度/(周围R.H.)，等于以下比：

(在周围温度的水的蒸气压)/(在聚合物温度的水的蒸气压)。

例如，对于20℃的空气温度，当聚合物加热20℃时(聚合物温度在40℃，周围温度在20℃)，相对饱和度比为0.32，对于聚合物加热30℃(聚合物温度在50℃，周围温度在20℃)，则相对饱和度比为0.19。

这意味着，例如，如果周围相对湿度是R.H.＝85％，在聚合物加热20℃的平衡条件下，聚合物的饱和百分率x_p是0.32*0.85*100＝27％的饱和值，而在聚合物加热30℃的平衡条件下，饱和百分率x_p是0.19*0.85*100＝16％的饱和值。例如，如果干复合物由于在100％的周围R.H.下水吸收的重量增加是例如2％，则在85％R.H.下的平衡重量增加一般是1.7％，但是如果复合物加热30℃，则平衡重量增加只是0.32％。

在稳态条件下，始终需要热能以保持在聚合物和环境之间的温度差，根据通过对流与环境进行的热交换的不同而异。因此，如果h是对流交换系数且S是在被考虑的部件与环境之间的交换表面，则为获得温度差ΔT所需要的热功率是W＝h·S·ΔT。

对于在仅通过自然对流交换热的空气中的立式面板，在文献中报道了简化的无量纲方程(Perry-Chemical Engineers′Handbook-McGraw-Hill)，其允许计算对于不同值的无量纲格拉斯霍夫数(Gr)和普朗特数(Pr)的系数h：

h＝b(ΔT)^m L^3m-1

其中b和m的值在下表2中就不同的条件被报道。

表2

Y＝Gr Pr	m	b(空气)
			10⁴＜Y＜10⁹	1/4	0.28
Y＞10⁹	1/3	0.18

并且量纲是：

h＝(BTU)/(hr)(sqft)(°F)

L＝ft

ΔT＝°F

根据这些数据，考虑1×1m(因此暴露的表面为2sqm)的、在空气中的、立式的扁平的复合面板，其通过自然对流冷交换热，为保持在面板和外界环境之间的温度差ΔT所需的功率，其随着不同值的无量纲数的不同而变化，对于ΔT＝20℃为115-135W；对于ΔT＝30℃为192-231W；对于ΔT＝40℃为275-340W。

如果通过电阻获得加热，其通过欧姆定律进行控制，必需考虑以下的方程式：

ΔV＝R*I (1)

W＝ΔV*I＝R*I²＝(ΔV)²/R (2)

R＝Lρ/S (3)

因此

W＝(ΔV)²*S/L*ρ (4)

并且从方程式(4)可以表明，对于固定张力ΔV的功率W，线性地依赖于电阻截面表面S并且与其长度L为逆线性函数。

使用铜电阻器(铜电阻率是ρ＝0.0000000168ohm·m)，之前报道了对于两种情况所显示的计算(最小和最大的需要功率，115和340W)。

考虑了具有截面S＝0.025mm²，长度L＝10m的铜电阻器，对于张力ΔV＝8.8V所产生的功率是115W，对于张力为15.1V所产生的功率是340W。

如前所述的，温度传感设备30被安置在复合物内用于温度测量，被放置在不同深度的厚度内(优先地位于靠近面板1的两个外表面的界面区域13内和位于中央区域的界面区域11内)，处在与所述表面充分间隔的位置。优先地，还插入用于湿度检测的传感设备50，其以类似于温度传感器30的方式被安置。热传感器30优先是热电偶，而湿度传感器 50基于当湿度变化时传感器材料的性质变化(典型地，该材料是改变其衍射指数的吸湿性聚合物材料)。

在图3和图4中，显示了传感器布置方案的一个实施例，其基本上适合湿度传感器50和热传感器30二者。

当面板1被安装在飞行器上时(未示出)，传感器30、50可操作地连接于控制单元60，该控制单元60接收它们所提供的测量数据并根据特定算法加工这些测量数据。控制单元60又可操作地连接于张力发生器40以根据由传感器30和50所提供的测量数据控制面板1的加热。

本发明的制品的制造方法实质上是典型地由预浸料坯生产部件的方法，基于由装配图规定的几何学和取向进行堆叠的预浸料坯。为了示例性目的，在以下的由具有用长纤维增强的热固性树脂的预浸料坯层板制成的面板的制造方法中给出了一个实施例。因此将第一个层板直接放到用脱模剂充分处理的工具上，以防止复合物与工具粘合。然后利用它们的粘附力放上其它的层板。在完成后，用袋靠拢层合体(还采用适当的辅助材料)并在规定的温度与压力周期下进行加工。

在本发明的面板主题和通过标准方法获得的面板之间的唯一差别是，在前者中，要被布置在第n个层板和与其相邻的第(n+1)个层板之间的电阻和/或传感器的布置，在布置第n个层板之后和在布置第(n+1)个层板之前进行。对于电阻和/或传感器的正确布置，可使用如图5-7所示的适当的布置工具100，其中用于电阻和/或传感器的外壳120相对于在复合部件内希望被提供给电阻和/或传感器的各自的位置被形成。所述工具100通过将其倒置并将其放置在其上假定要放置电阻和/或传感器的层板上进行布置，然后被除去，同时在层板上留下所需的电阻和/或传感器。例如，对于图1所示的电阻，布置工具具有与电阻几何学相当的曲线几何学的凹槽120，并具有比电阻横截面略宽的横截面。为了避免任何脱模问题，可包括一些抽出销121，其在导向装置121a中滑动穿过凹槽120。

在下文中描述了使用本发明的复合材料制品的方法的一些实施方案。

该方法的第一个实施方案提供了，将复合材料的制品1安装到飞行器上，安装方式为使得加热设备20和至少温度传感设备30连接于被布置在飞行器上的控制设备40、50。作为替代，有可能设想该控制设备被安装在地面上，并且加热设备和温度传感设备在飞行器停止期间可连接于控制设备。

当通过启动加热设备20提供定期的加热周期时，具有自加热能力的复合物的简单设计和制造已足够允许进行良好的湿度控制。在这种情况下，根据对水扩散定律和使用环境条件的认识计算这些周期，即使不采用湿度传感器也有可能利用本发明的益处。无论如何都需要热传感器以充分控制温度升高，以便获得所需的湿度降低效果。

例如，使用基于扩散菲克定律(单量纲情况)的算法，使用由申请人自己开发的软件进行计算，报道如下：

Φ＝-D*δc/δx

典型地，扩散系数D根据Arrhenius定律随着温度而改变：

D＝D₀*exp(-Ea/RT)

其中T是以°K表示的温度，Ea是活化能并且R是气体通用常数。

以下实施例显示了经历定期的使用中的吸收循环、交替使用诱导解吸的加热周期的面板的水含量百分数作为时间函数的计算，结果是被吸收的水分被保持低于固定阈值，即使在最坏条件下。

实施例

考虑了复合面板的厚度th，由水扩散系数值为使得在以下两种情况中都从干燥情况开始，在28℃在10年后达到等于饱和湿度的90％的湿度，或者相当于在80℃在1个月后达到相同的湿度的复合材料制成。

根据这些数据，在材料中的水扩散系数可根据具体情况进行计算；然而，对于一般的复合物，作为温度的函数的扩散系数水平可以通过在不同温度下进行吸收试验被获得。

对于所考虑的材料和厚度，进行分析的使用情况处于恒定的环境温度T＝28℃和85％的相对湿度(这种情况通常被认为是用于证明目的的最坏的条件)，同时为面板提供定期的面板加热周期，ΔT＝30℃，即，在58℃下。加热诱导解吸效应；事实上，根据表1中所报道的值，从环境相对湿度的角度考虑，85％的相对湿度在被加热面板显示85％*0.19＝16％的值。

在图8-10中显示了湿度吸收曲线，其根据在上述条件中的面板进行计算。

在图8中，在面板中的湿度的典型进展显示了在长解吸周期下的吸收/解吸的交替周期。

图9显示了与1个月的使用周期并交替进行12小时的解吸周期有关的曲线。

图10显示了与1个月的使用周期并交替进行36小时的解吸周期有关的曲线。

有可能观察到解吸周期持续时间还影响最大被吸收湿度的渐近值，该值仅根据理论的数值预报并采用未使用湿度传感器的适当的解吸周期时被保持低于固定值。

正如所理解的那样，本发明的益处是能够确定结构的大小而无需考虑材料的性质由于低温和高吸湿所导致的劣化，并且其包括：

-有机会使用更高的设计许可，其不受由被吸收的水分所诱导的劣化的影响，从而获得更轻的结构；

-有机会证明结构而无需在湿条件下进行试验，在试件水平下和在子部件和组件水平下都无需进行湿试法。

温度传感器的使用使得具有另外的辅助性优点：根据该方法的第二实施方案，使用加热通过在低温下启动加热来增加最低使用温度(对于航空应用而言，典型为-55℃)。对于这一目标，当制品1的使用温度通过温度传感设备30的测量达到低于固定的最低温度(即，最低制定阈值)的温度时，预计经由加热设备20的启动进行加热步骤。因此，使用更高的设计许可并采用更轻的结构，有可能设计具有更高的最低温度的温度范围的部件，防止由低温诱导的一些性质的劣化。但是在这种情况下，可能需要更强的热量产生，因为在使用时可能在高的强制对流(高巡航速度)时发生热交换条件，并且这一产生必须在使用时被需要。取而代之，在飞行器停止周期期间在地面上可以计划为达到干燥而进行的加热。

该方法的第三个实施方案包括采用湿度传感器50以当水含量超过固定水平(即，最大制定阈值)时启动除湿功能。

Claims

1.用于控制被安装在飞行器上的制品(1)的湿度的方法，所述制品由复合材料制成，所述复合材料包括通过施加压力和加热被合并的材料的多个层板(10)，其中材料的每个层板由用纤维材料增强的树脂基质制成，特征在于该方法包括以下步骤：

-提供被嵌入复合材料中的加热设备(20)和温度传感设备(30)，它们分别被放置在这些材料层板之间的至少一个界面区域(11，13)内；

-提供与所述加热设备和温度传感设备连接的控制设备(40，60)；和

-对所述控制设备编程以启动所述加热设备用于根据定期的加热周期加热所述制品，其中所述加热周期根据复合材料内的水分扩散定律并根据环境温度的数据进行计算，所述数据相对于飞行器的操作条件进行确定。

2.用于控制被安装在飞行器上的制品(1)的湿度的方法，所述制品由复合材料制成，所述复合材料包括通过施加压力和加热被合并的材料的多个层板(10)，其中材料的每个层板由用纤维材料增强的树脂基质制成，特征在于该方法包括以下步骤：

-提供被安装在飞行器上并与所述加热设备和温度传感设备连接的控制设备(40，60)；

-对所述控制设备编程以当制品内的操作温度经传感设备检测达到低于最低制定阈值的值时启动所述加热设备来加热所述制品。

3.用于控制被安装在飞行器上的制品(1)的湿度的方法，所述制品由复合材料制成，所述复合材料包括通过施加压力和加热被合并的材料的多个层板(10)，其中材料的每个层板由用纤维材料增强的树脂基质制成，特征在于该方法包括以下步骤：

-提供被嵌入所述复合材料中的湿度传感设备(50)，其被放置在材料层板之间的至少一个界面区域内；

-提供被安装在飞行器上并与所述加热设备、湿度传感设备和温度传感设备连接的控制设备(40，60)；和

-对所述控制设备编程以当制品内的相对湿度经湿度传感设备检测达到超过最大制定阈值的值时启动加热设备来加热所述制品。

4.前述权利要求中任一项所述的方法，其中该制品是面板形式，并且加热设备被放置在该面板的中央界面区域(11)中。

5.前述权利要求1-3中任一项所述的方法，其中该制品是面板形式，并且温度传感设备被放置在该面板的中央界面区域(11)中以及被放置在靠近该面板的外表面的界面区域(13)中。

6.权利要求3所述的方法，其中该制品是面板形式，并且湿度传感设备被放置在该面板的中央界面区域(11)中以及被放置在靠近该面板的外表面的界面区域(13)中。

7.前述权利要求1-3中任一项所述的方法，其中加热设备由至少一个电阻制成。

8.权利要求7所述的方法，其中电阻包括沿着材料层板之间的界面区域(11)以曲线方式延伸的金属线。

9.前述权利要求1-3中任一项所述的方法，其中温度传感设备由至少一个热电偶型传感器制成。

10.权利要求3或6所述的方法，其中湿度传感设备由至少一个吸湿性的聚合物基传感器制成。