CN102666075B - 纤维预制件、纤维强化复合材料、及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开编织的纤维预制件(100、200)，引入所述预制件(100、200)的纤维强化复合材料、以及它们的制造方法。编织的纤维预制件(100、200)包括多根交织在一起的经向和纬向的纱线或纤维，以形成连续的螺旋织物(50)。螺旋织物(50)可以采取阿基米德螺旋的形状。预制件(100、200)的纬向的纱线可以具有均匀的或可变的纬纱间距、或均匀的或可变的角间隔。阿基米德螺旋形状的螺旋织物(50)可被合并或包缠在一起，以形成锥形壳体结构，其可为旋转器或出口锥管的一部分。螺旋织物(50)可用装配有差微式卷取装置的织机织成。

Description

纤维预制件、纤维强化复合材料、及其制造方法

技术领域

本发明一般性涉及纤维强化复合材料，尤其涉及在强化复合材料中使用的具有编织条纹状材料的预制件，其可纺织为平整的并折叠成其最终的形状。

关于以引用方式并入的声明

本文中所提及的所有专利、专利申请、文献、引文、任何产品的制造商的使用指南、说明书、产品规格说明书和产品卡均以引用方式并入本申请，并且可用在本发明的实施中。

背景技术

如今，广泛使用强化复合材料来生产结构部件，特别是在其中所寻求的材料的有利特性为重量轻、强度高、韧性高、耐热、自承重并且适于成形和定型的应用中。这些部件用于(例如)航空、航天、卫星、娱乐(如在赛艇和赛车中)和其他应用。

通常这种部件由包埋在基体材料中的强化材料构成。强化部件可以由诸如玻璃、碳、陶瓷、芳纶纤维、聚乙烯之类的材料、和/或显示出所期待的物理、热、化学和/或其他性质(其中主要是高的抗应力破坏强度)的其他材料制成。通过使用这样的最终变为成品部件的构成元件的强化材料，赋予成品复合材料部件以所期望的强化材料的特性，如非常高的强度。作为组分的强化材料通常可以是机织、针织或编织的。通常，给予特别重视以确保能对其构成的强化材料进行选择的性能的最佳利用。通常将这种强化预制件与基体材料相结合以形成所期待的成品部件或制造用于成品部件的最终生产的加工料。

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/或同样表现出所需的物理、热、化学和/或其他性质的其他材料。被选用作基体的材料可以与强化预制件的材料相同或不同，并且可以具有或不具有相当的物理、化学、热或其他性质。但通常，其与强化预制件不是相同的材料，或不具有相当的物理、化学、热或其他性质，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。这样，当组合在一起后，强化预制件和基体材料即可通过热固化或其他已知方法以相同的操作固化和稳定化，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，在如此固化之后，基体材料的凝固的主体通常很牢固地与强化材料(例如强化预制件)相粘结。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。

经常需要制造构造不是诸如(就其本身而论)板状、片状、矩形或方形固体之类的简单几何形状的部件。一种方法是将这类基础几何形状组合成所需的更复杂的形式。在任何这些形状中，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”。

虽然现有技术已寻求改善强化复合材料的结构整体性，并已取得了部分成就，但人们仍期望对其改善或通过不同于使用粘合剂或机械耦接的方法解决该问题。在这方面，一种方法可以是通过由专门的机器创建三维编织(“3D”)结构。然而，涉及的费用相当高，将梭织机用于创建单一的结构是很不可取的。另一种方法是纺织二维(“2D”)结构并将其折叠成三维形状，使得面板被整体编织，即纱线在平面基体或面板部分与其他构成部分之间连续地相互交织。

具有这样的纤维预制件强化物的复合材料在飞行器和喷气发动机中的应用增加，这已导致对复合材料的锥形壳体的需求。形成锥形壳体的传统方法是生成平面图案10，其为如图1A所示的环的扇区的形状。这种形状倾向于当被折叠使两个直边15相互对齐时呈现出锥体20的平截头体形状，如图1B所示。平面图案10可以从传统的二维织物中裁剪出，或可以使用例如极向编织(polar weaving)设备直接织成的环形的形状。

然而，这两种方法都有一定的局限性。使用二维织物会使得壳体的厚度均匀并且纤维在两个方向上的分布均匀，但纤维的方向不会与圆锥的主方向(即周向和轴向)对齐。另一方面，极向编织使纤维沿主方向取向，但纤维分布在轴向上会有所不同。在这两种情况的任一者中，在两个直边汇合到一起之处均会有间断的接缝。此外，虽然锥体实际上可以有任何尺寸，能够从单一的平面图案制造的最大尺寸受限于织机的尺寸，并且如果采用传统的二维织物来制造锥体，可能会产生大量的废料。然而，使用单片织物仍是可取的，因为它最大限度地减少了接缝数量，并降低了裁剪和定位织物所需要的接触劳动。

发明内容

本发明克服了常规方法的尺寸限制和一些纤维分布问题。

本发明的一个目的是制造一种锥形壳体，其中作为组分的纤维的方向与锥体的主方向(即周向和轴向)对齐。这产生一种关于主坐标系具有均匀的强度和刚度的预制件，并最大限度地提高由此产生的结构在主方向上的强度和刚度。

本发明的另一个目的是制造一种锥形壳体，其在周向和轴向上均具有均匀的纤维分布。

本发明的又一个目的是制造一种锥形壳体，其在整个复合材料的表面区域具有连续的环向纤维，所以在Z方向在结构中没有形成间断的接缝。

本发明的又一个目的是制造一种锥形壳体，其具有实际上任何尺寸。

本发明的又一个目的是以织物材料的最少损耗量制造锥形壳体。

本发明的又一个目的是使用单片织物制造锥形壳体，以最小化织物的片数并减少接触劳动。

因此，本发明的一个示例性实施方案为一种纤维预制件，其包括多根交织在一起的经向和纬向的纱线或纤维，以形成连续的螺旋织物(spiralfabric)。螺旋织物可以采取阿基米德螺旋的形状。预制件的纬向的纱线可以具有均匀的或可变的纬纱间距、或均匀的或可变的角间隔。阿基米德螺旋形状的织物可被合并或包缠在一起，以形成锥形壳体结构，其可为旋转器(spinner)或出口锥管的一部分。阿基米德螺旋织物可用装配有差微式卷取装置(differential take-up mechanism)的织机织成。预制件还可以包括由多根经向和纬向的纱线或纤维织成的第二层阿基米德螺旋织物，可将第二阿基米德螺旋织物包缠在第一阿基米德螺旋织物上，以提供额外的强度或制造平衡的预制件。

根据另一个示例性实施方案，本发明为一种包括纤维预制件的纤维强化复合材料。

根据又一个实施方案，本发明为形成纤维预制件的方法，该方法包括以下步骤：将多根经向和纬向的纱线或纤维交织在一起以形成阿基米德螺旋形状的连续的螺旋织物，将阿基米德螺旋形状的连续的螺旋织物在特定形状的芯子上合并或包缠在一起，以形成锥形壳体结构，沿相应的修整线修整锥形壳体的顶边和底边。该方法还可以包括以下步骤：使用多根经向和纬向的纱线或纤维编织第二连续阿基米德螺旋织物，以及将第二阿基米德螺旋织物包缠在第一阿基米德螺旋织物上，以提供额外的强度或制造平衡的预制件。可以以均匀的或可变的纬纱间距、或均匀的或可变的角间隔插入纬向的纱线。阿基米德螺旋织物可用装配有差微式卷取装置的织机织成。

本发明，根据又一个实施方案，为形成包括纤维预制件的纤维强化复合材料的方法。

本发明的预制件可以是使用任何传统的经向纤维纹样(即，层叠、全厚度角联锁、正交等)编织的单层织造物或多层织造物。虽然对于该结构优选平纹，但实际上可以使用任何传统的纹样，如平纹、斜纹、缎纹等织造预制件。类似的，虽然优选碳纤维，但本发明实际上也可适用于任何其他纤维类型。

本发明的纤维预制件的潜在应用包括喷气发动机的旋转器或出口锥管。

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，旨在提供对本发明的进一步理解。本文中给出的附图描述本发明的不同实施方案并与说明书一起用于解释本发明的原理。在附图中：

图1A为平面图案的环的扇区的示意图；

图1B为通过包缠图1A中所示的平面图案而形成的锥体的示意图；

图2为根据本发明的一个方面形成的阿基米德螺旋织物的示意图；

图3A和3B为根据本发明的一个方面形成的锥形壳体预制件的不同视图；

图4为根据本发明的一个方面形成的修整的锥形壳体预制件；

图5为根据本发明的一个方面形成的阿基米德螺旋织物的示意图；和

图6为根据本发明的一个方面形成的修整的锥形壳体预制件。

具体实施方式

现在将参照附图更全面地描述本发明，其中示出本发明的优选实施方案。然而，本发明可以体现为多种不同的形式并且不应当理解为限于本文中示出的实施方案。相反，提供这些示出的实施方案使得本公开内容更全面和更完整，并且使得本领域的技术人员全面获知本发明的范围。

在以下的描述中，相同的附图标记在整个附图中指相同或相应的部件。此外，在以下描述中，应当理解术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“第一”、“第二”等是方便说明的用语，不应理解为限定性术语。

根据一个示例性实施方案，本发明为通过使用相对窄的编织为阿基米德螺旋的形状的织物来制造纤维预制件(例如，锥形壳体)的方法。可以使用这种方法制造的预制件100的一个例子以其打开的形式示于图2中。

螺旋织物50使用经向和纬向的纤维或纱线织造，所述纤维或纱线可以由任何适合于此目的的材料、或任何显示出所期待的物理、热、和/或化学性质的材料制造。几个例子是碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、陶瓷、芳纶纤维、聚酯、金属纱线或纤维。虽然优选扁平复丝纱线，但可以使用任何形式的纱线或纤维，如单丝、扁平单丝、复丝纱线、变形复丝纱线(textured multifilament yarns)、加捻复丝纱线、编织结构、或其组合。如果需要，纱线成分或纤维中的每一者均可涂覆有一层或更多层涂料例如清漆或任何其他可以提高组分纤维性能的涂料。

螺旋织物50可用梭织机或任何其他可以装配差微式卷取系统的织机织成。差微式卷取系统允许织物的边缘以不同的速率推进，使得可以提供给织物所期待的和自然的平面曲率。该系统是可编程的，使得可以为每个纬纱指定不同的卷取量。例如，图2中的螺旋30和40代表螺旋织物50的边缘并平行于经向纤维，线32代表预制件的纬向纤维的路径。半圆22、24为修整线，其指示锥体100的顶边和底边，所述顶边和底边可能被修整，以使边缘平整并彼此平行。半圆22为例如锥体100的顶边或上边的剪切线，半圆24为例如锥体100的底边或下边的剪切线。

如图3A所示，可以选择织机的差微式卷取系统以制造螺旋织物，使得连续的纬向纤维之间的角度恒定并且所有纬向纤维长度相同。这产生宽度均匀的织物50，当将该织物缠绕在特定形状的芯子上形成为锥体时，该织物的轴向纤维排列在r-z面，如图3B所示。经向纤维沿连续缠绕在锥体上的浅螺旋线26取向。

根据一个实施方案，可以将经向纤维沿相反方向的螺旋线取向的补充织物(未示出)包缠在第一织物50上以制造平衡的预制件。补充织物可以与第一螺旋织物相同，也可以与第一螺旋织物不同。可以使用额外的螺旋织物层以强化物理性质，如例如额外的强度。如前所述，可沿图2所示的半圆形路径对该预制件进行修整，从而产生锥形壳体100的平截头体。或者，可以先将这两种织物缠绕在特定形状的芯子上，一者叠加在另一者上，然后可对锥体100的顶边和底边进行修整。然而，应当指出，由于织物50固有地倾向于缠绕在特定形状的芯子或锥体上，并且相邻的绕组之间没有空隙或重叠，所以对顶边和底边进行的修整是本方法需要的唯一裁剪。根据本发明的方法形成的修整的锥形壳体预制件100的一个例子例如如图4所示。

在上面的实施方案中，纬向纤维可能倾向于积累在锥体的窄端，就像它们在极向编织的织物中那样。然而，根据本发明的一个示例性实施方案，这可以通过采用均匀的弧长或均匀的相邻纬向纤维的纬纱间距而非均匀角度来编织螺旋织物150进行消除。这产生螺旋织物150，其在锥体200的整个表面上在经向和纬向纤维之间保持均匀的平衡，例如，如图5所示。图5为具有均匀纬纱间距的织物150的平面图案的例子；图6，例如，既示出本发明的均匀纬纱间距设计200又示出本发明的均匀角间隔设计100。然而，应当指出，虽然这里描述了纬纱具有均匀纬纱间距和均匀角间隔的设计，本发明并不限定于此。例如，由于织物在锥体的主体上可能具有均匀的纬纱间距，而随着它接近锥体的尖端(此处难以堆叠相同量的纤维)而可能会有所改变，所以纬向纱线或纤维的纬纱间距和/或角间隔均是可变的。

如上所述，本发明的方法和预制件克服了传统方法的尺寸限制和一些纤维分布问题。本锥形壳体的作为组分的纤维的方向非常接近与锥体的主方向(即周向和轴向)一致的方向。这产生一种关于主坐标系具有均匀的强度和刚度的预制件，并最大限度地提高所得的结构在主方向上的强度和刚度。此外，锥形壳体在周向和轴向上可具有均匀的纤维分布，并且在整个复合材料的表面区域具有连续的环向纤维，所以在结构的周向上不形成间断的接缝。

本发明的另一个优点是，锥形壳体具有实际上任何尺寸，并且可以以织物材料的最少损耗量制造。此外，锥形壳体可以使用单片织物制造，以最小化织物的片数并减少接触劳动。

本发明的预制件可以是使用任何传统的经向纤维纹样(即，层叠、全厚度角联锁、正交等)编织的单层织造物或多层织造物。虽然对于该结构优选平纹，但实际上可以使用任何传统的纹样，如平纹、斜纹、缎纹等。类似的，虽然优选碳纤维，但本发明也可适用于实际上任何其他纤维类型。

当预制件100、200合并或包缠成所期待的锥形壳体形状后，预制件100、200可被形成为用于锥形结构体(如喷气发动机的旋转器或出口锥管)的复合材料。可例如通过采用基体材料(如例如环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、和碳)浸渍来将预制件100、200加工成强化复合材料，从而形成三维复合材料结构，其中所述浸渍可使用任何传统的树脂灌注方法(如例如树脂传递模塑(resin transfer molding)、化学气相渗透(chemical vapor filtration)、湿法层合(wet layup)或树脂膜熔渗(resin film infusion))进行。

虽然本申请中作为例子仅述及喷气发动机的旋转器或出口锥管，本发明的编织预制件的潜在应用包括利用阿基米德螺旋结构或锥形壳体结构的任何结构应用。

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 (34)

1.一种锥形纤维预制件，包括：

多根经向和纬向的纱线或纤维，其中所述经向和纬向的纱线或纤维交织在一起以形成连续的平面螺旋织物，

其中所述螺旋织物具有阿基米德螺旋的形状，并且

其中阿基米德螺旋形状的所述螺旋织物被合并或包缠以形成锥形壳体结构。

2.权利要求1的预制件，其中所述纬向的纱线具有均匀的或可变的纬纱间距。

3.权利要求1的预制件，其中所述纬向的纱线具有均匀的或可变的角间隔。

4.权利要求1的预制件，其中所述锥形壳体结构是旋转器或出口锥管的一部分。

5.权利要求1的预制件，其中所述螺旋织物用装配有差微式卷取装置的织机织成。

6.权利要求1的预制件，还包括：

由多根经向和纬向的纱线或纤维织成的第二连续螺旋织物。

7.权利要求6的预制件，其中所述第二螺旋织物具有阿基米德螺旋的形状。

8.权利要求6的预制件，其中所述第二螺旋织物与第一螺旋织物相同或不同。

9.权利要求6的预制件，其中所述第二螺旋织物以相反的方向包缠在权利要求1所述的螺旋织物上。

10.权利要求1或6的预制件，其中所述经向和纬向的纱线或纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、陶瓷、芳纶纤维、聚酯、金属纱线或纤维。

11.权利要求1或6的预制件，其中所述经向和纬向的纱线或纤维选自单丝、扁平单丝、复丝纱线、扁平复丝纱线、变形复丝纱线、加捻复丝纱线、和编织结构。

12.权利要求1或6的预制件，其中所述经向和纬向的纱线或纤维涂覆有一层或更多层涂料、清漆或任何其他提高作为组分的纤维的性能的涂料。

13.一种纤维强化复合材料，包括根据权利要求1的纤维预制件。

14.权利要求13的复合材料，还包括基体材料。

15.权利要求14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、化学气相渗透、湿法层合或树脂膜熔渗的方法形成。

16.权利要求14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。

17.权利要求13的复合材料，其中所述复合材料为旋转器或出口锥管。

18.一种形成纤维预制件的方法，该方法包括以下步骤：

将多根经向和纬向的纱线或纤维交织在一起以形成连续的螺旋织物，其中所述螺旋织物织成平面阿基米德螺旋的形状，并且

合并或包缠阿基米德螺旋形状的平面螺旋织物以形成锥形壳体结构。

19.权利要求18的方法，其中以均匀的或可变的纬纱间距插入所述纬向的纱线。

20.权利要求18的方法，其中以均匀的或可变的角间隔插入所述纬向的纱线。

21.权利要求18的方法，还包括以下步骤：

沿相应的修整线修整所述锥形壳体的顶边和底边。

22.权利要求18的方法，其中所述螺旋织物用装配有差微式卷取装置的织机织成。

23.权利要求21的方法，还包括以下步骤：

使用多根经向和纬向的纱线或纤维织造第二连续螺旋织物。

24.权利要求23的方法，还包括以下步骤：

将所述第二连续螺旋织物包缠在权利要求18所述的螺旋织物上。

25.权利要求23的方法，所述第二螺旋织物具有阿基米德螺旋的形状。

26.权利要求23的方法，其中所述第二螺旋织物与第一螺旋织物相同或不同。

27.权利要求18或23的方法，其中所述经向和纬向的纱线或纤维选自碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、陶瓷、芳纶纤维、聚酯、金属纱线或纤维。

28.权利要求18或23的方法，其中所述经向和纬向的纱线或纤维选自单丝、扁平单丝、复丝纱线、扁平复丝纱线、变形复丝纱线、加捻复丝纱线、和编织结构。

29.权利要求18或23的方法，其中所述经向和纬向的纱线或纤维涂覆有一层或更多层涂料、清漆或任何其他提高作为组分的纤维的性能的涂料。

30.一种形成纤维强化复合材料的方法，该方法包括以下步骤：

形成权利要求18所述的纤维预制件。

31.权利要求30的方法，还包括步骤：

将所述预制件浸渍在基体材料中。

32.权利要求31的方法，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、化学气相渗透、湿法层合或树脂膜熔渗的方法形成。

33.权利要求31的方法，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。

34.权利要求30的方法，其中所述复合材料为旋转器或出口锥管。