CN102026799B - 夹芯复合材料的开口补强装置 - Google Patents

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Abstract

按照本发明相互组合运用两种技术形成按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置，以改善优选由泡沫材料制成的编织芯体的强度性能，为此将编绕与穿过编织芯体中的洞孔的束纤维进行组合。按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置因此具有特别优异的强度性能，且构件的重量很小。

Description

夹芯复合材料的开口补强装置
技术领域
本发明涉及一种夹芯复合材料的开口补强装置。
背景技术
夹芯复合材料具有特别好的刚度或强度密度比，尤其在飞机制造领域有广泛的应用。
夹芯复合材料通常包括上、下表层或覆盖层，在此之间是一种用来提高刚度的芯体结构，例如具有六角形横断面的垂直走向孔单元构成的蜂窝状芯体结构。
市面上能买到的蜂窝结构替代材料是硬质泡沫材料。主要在隔热与隔音方面，以及在夹芯复合材料的生产工艺技术方面，硬质泡沫材料优于蜂窝结构。与密度相同的蜂窝结构相比，泡沫结构的缺点是机械强度值比较小。为了补偿比较差的机械强度值，在专业文献中主要介绍了不同的缝制方法，这些方法部分也描述了市面上可以买到的产品。缝制技术可以从不同的角度、在构件范围内以不同的密度缝入纤维和纱线，可以用技术上能够实现的缝制速度连续缝制构件，经过树脂浸渍处理后的刺穿区域能够显著增强泡沫材料的机械强度。其优点是处理速度高，并且能够针对应用情况调整夹芯结构的机械特性。这些结构已经应用于卡车与船舶制造领域的夹芯复合结构。
所用缝制方法的共性是：用针刺穿泡沫材料，同时缝入纱线或纤维。各种方法的区别在于纱线的固定。若采用簇绒法，则在底面上形成例如可将其固定于硅橡胶之中的环。也可以按照其它具有底线的方法进行操作，或者像暗缝一样使用单面链缝线迹。
这些方法的最大缺点在于：退针后留下的孔眼与所缝入的纤维量相比有时太大(即针直径始终决定孔眼大小)。经过浸渍之后，空腔充满了树脂。因此改善机械特性主要就在于浸入的树脂。所形成的夹芯结构具有明显较大的重量。
对于飞机制造领域而言，重量的增加与机械性能的改善相比太大，因此不宜使用具有这类夹芯结构的夹芯复合材料结构。
DE 10 2005 024 408 A1公开了一种使用纤维或束纤维增强泡沫材料的方法，可将其用来生产复合材料，所加入的纤维基本上能改善泡沫材料的机械性能。不仅描述了增强泡沫材料的方法，也描述了一种增强夹芯复合材料。所述方法可以给泡沫材料加入束纤维，利用针将束纤维植入到泡沫材料之中。首先从某一侧用针在泡沫材料中刺穿一个通孔，然后用针钩住另一侧的束纤维，并且将其穿入到泡沫材料之中。
DE 10 2004 017 311 A1公开了一种利用圆形编结技术生产纤维复合材料半成品的方法，使用编结线编织芯体。
对于用于飞机中的构件来说，必须在夹芯复合材料的许多区域挖出若干孔洞。然后必须重新封闭所产生的切边，并且必须保证夹芯复合材料的边缘处不会出现不稳定。所有夹芯复合材料均必须如此，无一例外。若为负荷很高的开口部位，例如窗洞，这就有可能引起问题。
发明内容
因此本发明的目的在于提供一种在构件生产过程中就能设置开洞的方法，从而产生非常稳定的开口而且构件重量极小。
按照本发明，该目的分别通过独立权利要求所述的特征实现。关于本发明的有益实施方式和改进实施方式在从属权利要求中限定。
按照本发明所述利用圆形编结技术制造夹芯复合材料的开口补强装置的方法，使用纤维条子编绕一个环形的编织芯体，在进行编绕之前或之后，在编织芯体中形成若干通孔，用针将一股或多股束纤维穿入编织芯体的通孔之中。
最好在穿入束纤维时至少暂时将其钩入到针之中。将束纤维钩入针之中的好处在于，不需要穿线将针与束纤维结合。这样就能比较快、比较简单地将束纤维固定在针上。此外采用钩线方式比较容易实现自动连接。以这种方式也能有利地使用多个单股束纤维。
按照本发明的一种优选实施方式，当穿入束纤维时，在倒钩之外沿轴向基本上对针施加拉力。这样就不是用针将束纤维推入编织芯体之中，而是利用倒钩将其拉入。因此在通孔范围内穿入束纤维时除了针之外不需要将束纤维挤入通孔之中，否则就会导致通孔意外扩大。最好仅在倒钩的区域内额外有束纤维处在通孔之中。
按照另一种优选实施方式，对泡沫材料制成的编织芯体进行编绕。主要在隔热与隔音方面，以及在夹芯复合材料的生产工艺技术方面，泡沫材料优于广泛应用的蜂窝结构。
按照一种优选实施方式，在编绕之前将刚度高于编织芯体的至少一个覆盖层置于编织芯体上。该覆盖层能够提高夹芯复合材料的开口补强装置的外侧强度。
按照另一种实施方式，先后多次对编织芯体进行编绕。此外优选分别将多个非波浪形增强纤维层置于编织芯体上。这种方式的好处是改善了按照本发明所述方式形成的开口补强装置的可计算性，因为可以将数学计算式用于非定向织物。
按照另一种实施方式，用针还可以产生通孔。用针作为工具不仅可以产生通孔，也可将束纤维穿入编织芯体之中。这种方式的好处是仅需使用一种工具来执行这两个操作，因此可以节约时间，因为省去了中间更换工具的麻烦。此外这样还特别有利于节约成本，因为在机器上仅需要一种工具以及相应的机械和控制系统。
按照另一种优选实施方式，在快要进行编绕之前或者在编绕过程中将粘合剂涂覆到编织芯体或纤维条子上，所述粘合剂在编绕过程中还未发生硬化。通过粘合剂使得纤维条子与编织芯体和束纤维粘合，这样可提高编绕导线的强度。此外还能例如当部分编绕导线因为机械或热作用而受损时改善编绕导线的耐久性。
按照另一种优选实施方式，将束纤维穿入通孔之中以后，用可硬化的塑料实施通孔和/或编织芯体的浸渍。这样可以改善各个纤维与泡沫材料构成的编织芯体之间的连接。可以将任何一种已知的浸渍方法用于这种操作。
按照另一种优选实施方式所述，纤维条子和束纤维在一道工艺步骤之中相互进行化学反应从而相互结合。这涉及到纤维条子与束纤维相互重叠、也就是相互交叉的部位。使得纤维条子与束纤维在交叉点相互结合或粘合，可进一步提高编织芯体与纤维构成的复合材料的强度。特别优选机械地通过压紧力、优选通过热作用或者光照在纤维之间促进结合。当然也可以使用任何其它方法来促进粘合。纤维条子和束纤维可以具有相同的粘合剂。纤维条子和束纤维最好具有多组分粘合剂的不同组分，这些组分此后可以相互反应形成粘合。最好加入能够引起粘合反应过程的第三种化学物质。
按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置包括环状编织芯体、编织芯体的编绕导线以及穿过环状编织芯体的至少一个通孔和至少一股布置于通孔之中的束纤维，所述通孔的横断面被至少一股束纤维基本上完全填满，并且编绕导线也在环状编织芯体的内侧区域中延伸。
按照本发明所述，组合运用两种技术改善优选由泡沫材料制成的编织芯体的强度性能，从而形成按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置。可按照穿缝法将编绕与穿过编织芯体的束纤维进行组合。本发明所述夹芯复合材料的开口补强装置具有特别优异的强度性能，且构件的重量很小。
按照一种优选实施方式所述，至少一股束纤维具有至少一个环，该环可实现利用倒钩将束纤维穿入编织芯体内的通孔之中。
附图说明
以下将借助于实施例并且参照附图详细阐述本发明。其中，
图1示出了根据本发明一种优选实施方式所述的按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置的横断面示意图；
图2示出了本发明所述方法某一状态的横断面示意图，针已经穿过编织芯体，在退针时将束纤维穿入编织芯体之中；
图3示出了编织芯体在编绕的方法步骤中的横断面示意图；
图4示出了具有覆盖导线的编织芯体的局部横断面图。
只要没有相反说明，附图中均使用相同的附图标记来表示相同的或者功能相同的部件。
具体实施方式
图1所示为根据本发明一种优选实施方式所述的按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置1的横断面示意图。按照这种优选实施方式，编织芯体1用泡沫材料制成且呈环状，被具有纤维条子3的编绕导线5围绕纤维条子。此外，编织芯体2具有多个穿过编织芯体2延伸的通孔4(在图1中以附图标记4表示)。束纤维13穿入通孔4之中。编织芯体2具有空出的内侧区域20。
首先用泡沫材料形成编织芯体2。就本实施例而言，该芯体在外侧具有基本上呈矩形形状的横断面，内侧区域20则为倒角的矩形横断面形状。视应用情况而定，编织芯体2可以具有不同的几何形状，例如圆形、多角形、没有内侧区域20的编织芯体。本优选实施例所述的编织芯体具有多个通过穿孔形成的通孔4，但也可以用其它方法制作通孔，例如钻孔、水切割、激光加工。然后将束纤维13穿过通孔4。这时可以使用各种不同的缝制方法。在本优选实施方式中，束纤维在编织芯体2的外侧以及在内侧区域20中延伸。在束纤维13穿入编织芯体2之前或之后，可以给其涂上一种粘合剂15，使得束纤维能够在粘合剂15固化之后特别牢靠地与编织芯体2结合在一起，从而使得按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置特别稳定。随后实施用纤维条子3对编织芯体2进行的编绕5，为此最好使用圆形编结机。按照该优选实施方式所述，然后给具有束纤维13和纤维条子3的编织芯体2涂上一种可硬化的塑料17。这种可硬化的塑料17优选渗透到已经穿入了束纤维13的通孔4之中，并且在硬化之后有助于固定本发明所述的夹芯复合材料的开口补强装置1。
图2所示为本发明所述方法某一状态的横断面示意图，针10已经穿过了编织芯体2。在针10的下方是一股束纤维13。这种实施方式中的针10具有一个倒钩11。束纤维13具有一个环14。
在刺穿编织芯体2之后，将束纤维13的环14钩入在针10的倒钩11之中。当针10退针时将束纤维13穿入编织芯体2内的通孔4之中。这种优选实施方式中采用钩挂方式使得针10与束纤维13连接。同样也可以在针10和束纤维13之间采用其它结合技术，例如粘附、夹紧等等。
图3所示为编织芯体2在编绕的方法步骤中的横断面示意图，可以看出编织芯体2上的网状编绕导线5，如图所示使用纤维条子3从右向左对编织芯体2进行编绕。
图4所示为具有覆盖层7的编织芯体的局部横断面图。利用束纤维13将覆盖层7与编织芯体2缝制在一起。
覆盖层7构成编织芯体2的加强层，本实施例中的编织芯体用泡沫材料制成，因此具有很小的表面刚度。加强层7最好由固体塑料材料构成。
尽管已根据上述优选实施例对本发明进行了阐述，但可以用多种方式来实现本发明，而并不仅限于上述示例。
按照本发明将两种技术相互组合形成按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置，以改善优选由泡沫材料制成的编织芯体的强度性能，为此可将编绕与穿过编织芯体中的洞孔的束纤维进行组合。按照本发明的夹芯复合材料的开口补强装置具有特别优异的强度性能，且构件的重量很小。
采用按照本发明的方法，在构件生产过程中就能设置开洞，形成非常稳定的开口。原料是按照上述方法使用束纤维进行补强的一种泡沫材料环。但本方法也可应用于没有经过补强的纯泡沫材料部件。内部轮廓具有开口的加工余量。将这种封闭的环放入圆形编结机之中，以非连续方式进行编绕，从而产生封闭的纤维包裹层。在覆上覆盖层之前将包裹了纤维的预制坯放入夹芯结构之中，然后与构件一起进行浸渍。此外也可以制作经过预浸渍的构件。为了防止将环中央灌满，可以放入一个预埋件，待完成浸渍之后将其重新取出。除了可能需要进行修整之外，经过浸渍后的开口马上就能使用。可以根据荷载情况调整纤维方向。还可以加入一些地经线。
附图标记列表
1夹芯复合材料的开口补强装置
2编织芯体
3纤维条子(编织)
4通孔
5编绕导线
7覆盖层
10针
11倒钩
13束纤维
14环
15粘合剂
17可硬化的塑料
20编织芯体的内部区域

Claims (17)

1.一种利用圆形编结技术制造夹芯复合材料的开口补强装置的方法，其中，使用纤维条子(3)对环形的编织芯体(2)进行编绕，且在编绕之前或之后在编织芯体(2)中形成通孔(4)，以及利用针(10)将一股或多股束纤维(13)穿入编织芯体(2)内的通孔(4)之中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在束纤维(13)穿入时将其至少暂时地钩入到针(10)之中。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在束纤维(13)穿入时在倒钩(11)之外沿轴向对针(10)基本上施加拉力。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对泡沫材料制成的编织芯体(2)进行编绕。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在进行编绕之前将至少一个刚度高于编织芯体(2)的覆盖层(7)置于编织芯体(2)上。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，对编织芯体(2)先后多次进行编绕。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，用针(10)制作通孔(4)。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在快要进行编绕之前或者在编绕过程中，将粘合剂(15)涂覆到编织芯体(2)或纤维条子(3)上，所述粘合剂在编绕过程中还未硬化。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在将束纤维(13)穿入到通孔(4)中以后，用可硬化的塑料(17)浸渍通孔(4)和／或编织芯体(2)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，纤维条子(3)和束纤维(13)相互发生化学反应从而相互结合。
11.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在浸渍之前遮盖编织芯体(2)的内侧区域(20)。
12.一种夹芯复合材料的开口补强装置(1)，包括环形的编织芯体(2)、编织芯体(2)的编绕导线(5)、至少一个穿过环形的编织芯体(2)的通孔(4)以及至少一股布置于通孔(4)中的束纤维(13)，其中，所述通孔(4)具有横断面，所述横断面被至少一股束纤维(13)基本上填满，且编绕导线(5)也在环形的编织芯体(2)的内侧区域(20)中延伸。
13.根据权利要求12所述的开口补强装置，其特征在于，至少一股束纤维(13)具有至少一个环(14)。
14.根据权利要求12或13所述的开口补强装置，其特征在于，纤维条子(3)包括碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维和／或者凯芙拉纤维。
15.根据权利要求12或13所述的开口补强装置，其特征在于，在编织芯体(2)上布置至少一个刚度高于编织芯体(2)的覆盖层(7)。
16.根据权利要求12或13所述的开口补强装置，其特征在于，纤维条子(3)至少部分地由格里隆纱线构成。
17.根据权利要求12或13所述的开口补强装置，其特征在于，纤维条子(3)和束纤维(13)能够通过化学反应相互粘合。
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