CN102362022B - 准各向同性三维预制件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种准各向同性三维织造预制件(100)，其包括单独的织物条带或织造元件(10)，所述织物条带或织造元件(10)随后编织在一起形成准各向同性三维织造结构，所述准各向同性三维织造结构具有一体式织造离轴加强件的阵列。织造元件(10)可以是织物条带，其被构造成具有沿着其长度周期性布置的一体式横向加强件(16)。织造元件(10)可包括三个蒙皮部分和三个横向加强件。可以有任意数目的蒙皮和加强件部分。更多的部分允许制得更大的面板(即，更多的六边形单元)。这些织造元件能够以使织造元件(10)的纵轴取向为0°、+60°和-60°方向的纹样进行编织。在织造元件(10)进行编织的同时，横向加强件(16)对着蒙皮折叠平，并随后在织造元件(10)被编织进合适位置后折叠进合适位置。纤维强化的复合材料可包含这样的准各向同性三维织造预制件(100)。

Description

准各向同性三维预制件及其制造方法

发明背景

发明领域

本发明一般性地涉及织造预制件，具体而言，涉及用于强化复合材料中的具有织造材料条带的编织预制件，所述编织预制件可以被编织成平的并折叠成其最终形状，所述最终形状在两个或更多个方向上得到强化。

通过引用并入

关于本文中所提及的任何产品的所有专利、专利申请、文件、参考文献、制造说明书、描述、产品规格和产品表均通过引用并入本文中，并可用在本发明的实施中。

现有技术描述

如今，使用强化复合材料制造结构部件已非常普遍，特别是在其中寻求的期望特征是重量轻、强、韧、耐热、自支承并适于形成和成形的应用中。这样的部件被用于例如航空、宇航、人造卫星、娱乐(如赛艇和赛车中)及其他应用中。

通常，这样的部件由包埋在基体材料中的强化材料组成。强化部件可由材料如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯和/或具有所需物理、热学、化学和/或其他性质的其他材料制造，在所述性质中，最主要的是高的抗应力破坏强度。通过使用这种最终变为成品部件的构成元件的强化材料，成品复合材料部件被赋予所需的强化材料特征如非常高的强度。构成的强化材料通常可由编织、针织或以其他方式取向成强化预制件所需的构造和形状。通常，特别要注意确保所选定的构成强化材料的性能的最佳利用。通常将这种强化预制件与基体材料进行组合，从而形成所需的成品部件或制造用于最终生产成品部件的工作原料。

在已经构造了所需的强化预制件后，可以将基体材料引向并引入预制件中，使得通常强化预制件变得埋嵌在基体材料中，并且基体材料填充强化预制件的构成元件之间的间隙区域。基体材料可以是广泛种类的材料中的任何材料，例如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或同样具有所需的物理、热学、化学和/或其他性质的其他材料。选择用作基体的材料可以与强化预制件的材料相同或不同，并且可以具有类似或不相类似的物理、化学、热学或其他性质。但通常，其与强化预制件不是相同的材料，或不具有类似的物理、化学、热学或其他性质，因为使用复合材料所寻求的常见目的首先是使成品获得组合性能，而这种组合性能不能通过单独使用一种构成材料来获得。组合在一起后，强化预制件和基体材料就可通过热固或其他已知方法以相同的操作硬化和稳定化，然后为了制造所需部件而进行其他操作。在这一点要特别注意的是，在如此硬化之后，基体材料的固化的主体通常很牢固地粘结于强化材料(例如强化预制件)。因此，成品部件上的应力、特别是通过其作为纤维之间的粘合剂的基体材料而作用在成品部件上的应力可被有效地传递至强化预制件的构成材料并由强化预制件的构成材料来承受。

常常需要制造构造不是这类简单的几何形状如(就其本身而论)板状、片状、矩形或方形固体等的部件。一种做法是将这类基础几何形状组合成所需的更复杂的形式。一种这样的典型组合通过以相对于彼此成一定角度(通常是直角)接合如上所述制得的强化预制件做到。接合的强化预制件的这种角形布置的通常目的是产生所需的形状以形成包括例如一个或更多个端壁或“T”形交叉的强化预制件，或加强所产生的强化预制件的组合及其制备的复合材料结构在暴露于外力如压力或张力时的抗挠曲性或抗破坏性。在任何情况下，相关的考虑是使组成部件间的各接合部尽可能地坚固。假定强化预制件构件本身具有所需的非常高的强度，则弱接合部事实上就成为结构“链”中的“薄弱环节”。

美国专利6,103,337中给出了交叉构造的一个实例，该专利的公开内容通过引用并入本文中。该参考文献给出了一种将两块强化板一起接合为T-形的有效措施。

过去已提出多种其他方案来制作这样的接合部。已提出彼此独立地形成和硬化面板元件和成角的加固元件，后者具有单个面板接触表面或在一端分叉形成两个发散的共面面板接触表面。然后使用热固性粘合剂或其他粘合剂材料将加固元件的一个或更多个面板接触表面以粘合剂方式与另一部件的接触表面粘结而使两个部件接合。然而，当向复合材料结构的硬化面板或蒙皮施加张力时，由于接合处的有效强度是基体材料的而非粘合剂的，所以在不可接受的低值下的载荷就导致了使得加固元件与面板在它们的界面处分离“剥离”力。

在这类部件的界面处使用金属螺栓或铆钉是不可接受的，这是因为这种附加物至少部分地破坏和削弱复合材料结构自身的完整性、增加重量并使这类元件和周围材料之间的热膨胀系数产生差异。

解决这个问题的其他方法是基于这样的理念：通过采用将部件之一缝合到另一个部件并依靠缝合线将这种高强度纤维引入和穿过接合部位的这种方法而引入跨接合区域的高强度纤维。美国专利4,331,495及其分案美国专利4,256,790中披露了这样一种方法。这些专利公开了在第一和第二复合材料面板之间由粘合剂粘合的纤维复合层制成接合部。第一面板以现有技术的方式在一端分叉从而形成两个发散的、共面的面板接触表面，通过将未硬化的柔性复合材料线缝合穿过两个面板而将它们接合到第二面板。然后使面板和线“共同硬化”，即同时硬化。改进接合强度的另一方法见述于美国专利5,429,853。但是该方法与前述方法相似，这是因为独立构造的不同元件通过在两者之间缝合第三纱线或纤维而接合在一起。无论使用哪种方法，所得到的结构在各个件之间的界面处均将具有较弱的接合，并且需要大量的接触工作来裁切和整理各个复合层。

虽然现有技术已寻求改进强化复合材料的结构完整性并已取得成功，特别是在美国专利6,103,337的情况下，但仍需要通过不同于使用粘合剂或机械联接的方法对其进行改进或解决所述问题。在这点上，一种方法可以是通过专用的机器创建三维(“3D”)织造结构。但涉及的费用相当高且很少希望织机专用于创建单一结构。尽管存在这一事实，但可被加工成纤维强化复合材料部件的3D预制件是需要的，因为其强度比常规的二维层压复合材料高。这些预制件在要求复合材料承载面外载荷的应用中特别有用。然而，上面讨论的现有技术预制件在其承受高面外载荷、在自动化织机工艺中织造及提供预制件的部分以不同厚度的能力方面受限。

另一方法是织造二维(“2D”)结构并将其折叠成3D形状以便面板一体式地被加固，即纱线在平面底基或面板部分和加强件之间连续地交织。美国专利6,874,543中公开了折叠成3D形状的2D织造结构的一个实例，该专利的全部内容通过引用并入本文中。具有特定结构形状如“T”、“I”、“H”或“π”截面的纤维预制件可在常规的有梭织机上织造，若干现有专利描述了织造这类结构的方法(例如美国专利6,446,675和美国专利6,712,099)。构造加固面板的另一方法见述于美国专利6,019,138，该专利的全部内容通过引用并入本文中，该专利公开了一种用于制造在经向和纬向二者上均具有增强加强件的加固面板的方法。如所公开的，该方法通过反复织造或简单地将凸起处织造进预制件的面板部分中而在两个方向上取得了强化。然而，在所有现有技术中，预制件均构造为使加强件取向为0度或+/-90度。

发明内容

因此，需要在两个或更多个方向上提供强化的一体式织造预制件，所述预制件可在使用常规织机的一种工艺中织造而不经任何特别改动。具体而言，需要具有离轴加强件的一体式织造预制件，其中所述加强件以除了0和90度之外的方向或角度取向，或者所述离轴加强件与以0和90度方向取向的加强件组合地形成。

本发明通过一体式织造蒙皮和加强件使得跨至少一些界面处有连续的纤维而消除了现有技术结构中所讨论的弱接合。

根据一个示例性实施方案，本发明为一种准各向同性三维织造预制件，所述预制件包括多个相互编织的织造元件。织造元件包括在与织造元件的平面垂直的方向上的一个或更多个一体式织造加强件或壁。织造元件中的一体式织造加强件共同形成织造预制件中的准各向同性离轴或六边形加强件。

另一示例性的实施方案为一种包括准各向同性三维织造预制件的纤维强化复合材料，所述预制件包括多个相互编织的织造元件。织造元件包括在与织造元件的平面垂直的方向上的一个或更多个一体式织造加强件或壁。织造元件中的一体式织造加强件共同形成织造预制件中的准各向同性离轴或六边形加强件。复合材料可通过在基体材料中浸渍和硬化织造预制件来形成。

又一示例性实施方案为一种形成准各向同性三维织造预制件的方法。所述方法包括使多个织造元件相互编织的步骤。织造元件包括在与织造元件的平面垂直的方向上的一个或更多个一体式织造加强件或壁。织造元件中的一体式织造加强件共同形成织造预制件中的准各向同性离轴或六边形加强件。一体式织造加强件可通过按环状折叠织造元件的一部分并且使环的底部缝合至织造元件的底基而形成。织造元件可以是多层织造织物，并且一体式织造加强件可以通过切开并折叠多层织造织物中的顶层的一部分来形成。

根据又一示例性实施方案，织造元件可以如下形成：将多根经纱与多根纬纱织造到织造元件的第一预定长度；继续织造所述织造元件的顶层，并且使得底层浮线(float)达织造元件的第二预定长度；在织造第二预定长度之后恢复用于底层的织机挑线(take up)机构从而在织造元件中形成整体的环或壁；并且继续将顶层和底层织在一起。

本发明的又一示例性实施方案是一种形成纤维强化复合材料的方法，其包括如下步骤：通过使多个织造元件相互编织来形成准各向同性三维织造预制件，其中一个或更多个织造元件包括在与织造元件的平面垂直的方向上的一个或更多个一体式织造加强件或壁，并且使织造预制件浸渍在基体材料中。

本发明的方法可用来织造具有可变厚度或可变高度的加强件的预制件，所述加强件可以彼此平行或成角。预制件可用经向纤维的任何常规纹样织造，即层叠(ply-to-ply)、全厚度角联锁、正交等。虽然优选碳纤维，但本发明也可适用于实际任何其他纤维类型。

本发明的织造预制件的潜在应用包括利用加固蒙皮的任何结构应用，例如机翼、机身或尾翼结构的加固面板；以及期望六边形单元的应用中。

体现本发明特征的多个创新技术特征尤其在本公开所附并构成本公开一部分的权利要求中指出。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过其使用所实现的具体目标，请参考所附说明部分，其中在附图中示出了本发明的优选但非限制性的实施方案，在附图中，相应的部件用相同的标号表示。

本公开中的术语“包含”可指“包括”或可具有美国专利法中术语“包含”通常所赋予的意义。权利要求书中(如果用到的话)的术语“基本由......组成”具有美国专利法中所赋予其的意义。本发明的其他方面将在下面的公开中描述或从下面的公开显而易见(并在本发明的范围内)。

附图说明

附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分，意在提供对本发明的进一步理解。本文中给出的附图示意了本发明的不同实施方案并与描述一起解释了本发明的原理。在附图中：

图1为根据本发明的一个方面的具有一体式横向加强件的织造元件；

图2为根据本发明的一个方面的具有离轴加强件的重复单元的示意图；

图3(a)示出根据本发明的一个方面的织造元件在折叠前的示例性尺寸；

图3(b)为根据本发明的一个方面的具有缝合环的织造元件的示意图；

图4(a)为根据本发明的一个方面的两层织造元件的示意图；

图4(b)为根据本发明的一个方面的具有直立加强件的织造元件的示意图；

图5(a)-5(d)为根据本发明的一个方面在形成织造预制件的织造元件中所涉及的步骤。

具体实施方式

现在参照附图，图2为根据本发明的方法形成的准各向同性三维织造预制件100的示意图。预制件100包括单独的织物条带或织造元件10，其然后编织在一起形成准各向同性三维织造结构，所述准各向同性三维织造结构具有一体式织造离轴加强件的阵列。织造元件10的示意图示于图1中。如所示，织造元件10可以是织物条带，其被构造成具有沿着其长度周期性布置的一体式横向加强件16。织造元件10可包括三个蒙皮部分和三个横向加强件。图1所示的织造元件10包括另外的蒙皮部分，仅仅来说明基本单元可以如何重复。可以有任何数目的蒙皮和加强件部分。更多的部分允许制得更大的面板(即，更多的六边形单元)。

这些织造元件能够以使织造元件10的纵轴取向为0°、+60°和-60°方向的纹样进行编织，如图2所示。在织造元件10进行编织的同时，横向加强件16对着蒙皮折叠平，并随后在织造元件10被编织进合适位置后折叠进合适位置。应指出，图2中所示的仅仅是最终结构的重复部分。这种重复单元可以用来构造任意大的结构，所述结构仅受限于所用条带的长度。

如图2所图示，织造元件10中的横向加强件16形成一系列六边形单元。如可以注意到，横向加强件16与蒙皮整合在一起，但在边角处不相互连接。与不在单元的顶面处的织造元件10连接的加强件16突出穿过由其上方的织造元件10所敞开的空间。

各个单元内的蒙皮可以是由三层或更多层组成的层合体。在0°、+60°和-60°方向上具有同等强化的层合体的基本特征在于，其在层合体的面内可具有准各向同性劲度性质，即，有效劲度在所有方向上可以是均一的。

可以控制织造元件的尺寸，例如，织造元件的宽度(a)必须等于六边形单元上的边长，并且加强件之间的间隔25必须等于2a Cos(30°)。例如，这些尺寸示于图3(a)中。织造元件10可以使用本发明中所公开的几种示例性方法之一来制造。

根据一个示例性的实施方案，织造元件10可以通过在具有适当宽度的织造元件或织物中周期性缝合‘环’20来形成，如图3(b)所示。任何已知的缝合方法均可以用于引进针脚30以使环20的底部缝合至织造元件10的底基。

根据一个示例性的实施方案，织造元件10可以通过织造两层织物来制造，其中层12、14沿着织物的长度在均匀间隔处交换位置。顶层12可以在所需位置28处切开并相对于底层14折叠来产生横向加强件。该方法例如图示在图4(a)和4(b)中。

根据一个示例性的实施方案，织造元件10可以通过采用具有可编程打纬(beat up)和挑线机构的织机，例如具有伺服控制的打纬和挑线机构的织机来制造。所述方法包括4步，例如，如图5(a)到5(d)中所示。

在第一步中，两个织物层利用均匀挑线增量织在一起，并且在嵌入每个投纬(pick)之后打纬到同一位置。该打纬位置可以被称作参比位置。在该位置中，织造织物的正常织口(fell)示于图5(a)中。对本领域技术人员而言显而易见的是，当每根纬向纤维22与经向纤维32、34、36、38一起织造并且织物逐渐向前行进(至图5a的左边)时，钢筘(reed)通常将纬向纤维22移动到该位置。仅仅作为实例示出了4根经向纤维，根据将所有纬向纤维22锁在合适位置(投纬)的要求，为此目的可使用任意数目的经向纤维。经向纤维32、34织进一个缺口(dent)，而经向纤维36、38织进下一缺口。该纹样可以跨织机的宽度重复。

在织造所需的织物长度之后，包含经向纤维32、36的顶层继续织造，但是包含经向纤维34、38的底层允许浮线。在该步骤过程中，在每个投纬24之后关掉挑线机构并且打纬均匀地下降。打纬长度的下降量等于在第一步中挑线行进的量，因此在顶层中投纬24间隔仍然均一。钢筘的移动是可编程的，因此，当嵌入投纬24且织物不行进时冲程(stroke)可以增量式缩短。经线34、38在工艺的这个部分期间不进行织造，但经线32、36仍锁在所有投纬24中。

在下一步中，挑线机构又开启，并且两层均重新开始织造，而打纬返回参比位置。这就是说，在嵌入投纬26之后恢复钢筘的正常运动。该步骤中的投纬26迫使织造顶层在织物中形成为“环”，这将变成织物或织造元件的一体式横向加强件或直立护腿(leg)。这些环可以根据需要沿着织物的整个长度重复。如从图5(d)中可以看到，用投纬24织造的层在织物的顶面上形成“环”。在形成环之后恢复正常织造，这将环锁在合适位置。

一旦形成单独的织造元件10，则可以如第一实施方案中所讨论那样构造织造预制件100。本发明的方法可以用来织造具有可变厚度或可变高度的加强件的预制件，所述加强件可能彼此平行或成角。预制件可用经向纤维的任何常规纹样织造，即层叠、全厚度角联锁、正交等。虽然优选碳纤维，但本发明也可适用于实际任何其他纤维类型，例如碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯，和金属纱或纤维。

根据本发明的一个示例性实施方案，织造预制件100可以用于形成维强化复合材料，其中织造预制件在基体材料如树脂中浸渍并硬化。树脂可以是环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳中的任一种。复合材料可以由任何工艺，例如树脂传递模塑和化学气相过滤来形成。

本发明的织造预制件的潜在应用包括利用加固蒙皮的任何结构应用，例如机翼、机身或尾翼结构中的加固面板；以及期望六边形单元的应用中。

虽然本文中已详细描述了本发明的优选实施方案及其变型，但应理解，本发明不限于该确切的实施方案和变型，本领域技术人员在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以实现其他的变型和变化，本发明的精神和范围由附随的权利要求书限定。

Claims (32)

1.一种准各向同性三维预制件，其包括：

多个单独的织造元件，所述织造元件相互编织以形成预制件，所述预制件包含蒙皮和加强件，

其中所述单独的织造元件中的一个或更多个通过使多根经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维交织而形成，每个织造元件包括在与所述织造元件的平面垂直的方向上的两个或更多个一体式织造加强件，

其中所述多个单独的织造元件相互编织，使得三个所述单独的织造元件中每一个的两个一体式织造加强件在所述织造元件上形成六边形单元。

2.权利要求1的预制件，其中所述加强件为壁。

3.权利要求1的预制件，其中所述单独的织造元件中的所述两个或更多个一体式织造加强件共同形成所述预制件中的准各向同性离轴或六边形加强件。

4.权利要求1的预制件，其中所述单独的织造元件中的所述两个或更多个一体式织造加强件通过将所述单独的织造元件的一部分折叠成环来形成。

5.权利要求4的预制件，其中所述环的底部缝合至所述单独的织造元件的底基。

6.权利要求1的预制件，其中所述单独的织造元件为多层织造织物。

7.权利要求6的预制件，其中所述织造元件中的所述两个或更多个一体式织造加强件通过切开并折叠所述多层织造织物中的顶层的一部分形成。

8.权利要求1的预制件，其中所述单独的织造元件中的所述两个或更多个一体式织造加强件在织机上形成。

9.权利要求1的预制件，其中所述织造元件中的经向纤维纹样为选自层叠、正交和角联锁的纹样。

10.权利要求1的预制件，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯和金属纱或纤维。

11.权利要求3的预制件，其中单独的所述预制件中的所述准各向同性离轴或六边形加强件以0度和+/-60度取向形成。

12.一种包括准各向同性三维预制件的纤维强化复合材料，所述预制件包括：

多个单独的织造元件，所述织造元件相互编织以形成预制件，所述预制件包含蒙皮和加强件，

其中每个所述单独的织造元件通过使多根经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维交织而形成，每个单独的织造元件包括在与所述织造元件的平面垂直的方向上的两个或更多个一体式织造加强件，

其中所述多个单独的织造元件相互编织，使得三个所述单独的织造元件中每一个的两个一体式织造加强件垂直地在所述织造元件上形成六边形单元。

13.权利要求12的复合材料，其中所述加强件为壁。

14.权利要求12的复合材料，其中在所述织造元件中的所述两个或更多个一体式织造加强件共同形成所述预制件中的准各向同性离轴或六边形加强件。

15.权利要求12的复合材料，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯和金属纱或纤维。

16.权利要求14的复合材料，其中所述预制件中的所述准各向同性离轴或六边形加强件以0度和+/-60度取向形成。

17.权利要求12的复合材料，还包含基体材料。

18.权利要求17的复合材料，其中所述基体材料为树脂，并且所述复合材料由选自树脂传递模塑和化学气相过滤中的工艺形成。

19.权利要求17的复合材料，其中所述基体材料选自环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳。

20.一种形成准各向同性三维预制件的方法，所述方法包括以下步骤：

使多个单独的织造元件相互编织以形成预制件，所述预制件包含蒙皮和加强件，

其中每个所述单独的织造元件通过使多根经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维交织而形成，每个单独的织造元件包括在与所述织造元件的平面垂直的方向上的两个或更多个一体式织造加强件，

其中所述多个单独的织造元件相互编织，使得三个所述单独的织造元件中每一个的两个一体式织造加强件垂直地在所述织造元件上形成六边形单元。

21.权利要求20的方法，其中所述加强件为壁。

22.权利要求20的方法，其中在所述织造元件中的至少两个所述一体式织造加强件共同形成所述预制件中的准各向同性离轴或六边形加强件。

23.权利要求20的方法，其中所述多个织造元件中的至少两个所述一体式织造加强件通过折叠所述织造元件的一部分形成。

24.权利要求23的方法，其中所述多个织造元件中的至少两个所述一体式织造加强件通过将所述织造元件的一部分折叠成环来形成，所述环的底部缝合至所述织造元件的底基。

25.权利要求20的方法，其中所述织造元件为多层织造织物。

26.权利要求25的方法，其中所述织造元件中的至少两个所述一体式织造加强件通过切开并折叠所述多层织造织物中的顶层的一部分形成。

27.权利要求20的方法，其中所述织造元件如下形成：

将多根经纱与多根纬纱织造到所述织造元件的第一预定长度；

继续织造所述织造元件的顶层，并且使得底层浮线达所述织造元件的第二预定长度；

在织造所述第二预定长度之后恢复用于所述底层的织机挑线机构，从而在所述织造元件中形成整体的环或壁；并且

继续将所述顶层和所述底层织在一起。

28.权利要求20的方法，其中所述织造元件中的经向纤维纹样为选自层叠、正交和角联锁的纹样。

29.权利要求20的方法，其中所述经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯和金属纱或纤维。

30.权利要求22的方法，其中所述预制件中的所述准各向同性离轴或六边形加强件以0度和+/-60度取向形成。

31.一种形成纤维强化复合材料的方法，其包括以下步骤：

通过使多个单独的织造元件相互编织形成准各向同性三维织造预制件，所述织造预制件包含蒙皮和加强件，其中所述多个单独的织造元件包括在与所述织造元件的平面垂直的方向上的两个或更多个一体式织造加强件，

其中每个所述单独的织造元件通过使多根经纱和纬纱或经向纤维和纬向纤维交织而形成，每个单独的织造元件包括在与织造元件的平面垂直的方向上的两个或更多个一体式织造加强件，

其中所述多个单独的织造元件相互编织，使得三个所述单独的织造元件中每一个的两个一体式织造加强件垂直地在织造元件上形成六边形单元；以及

使所述织造预制件浸渍在基体材料中。

32.权利要求31的方法，其中所述加强件为壁。