CN102689444A - 干式预成型坯、复合材料构成的环状构造体及其制造方法 - Google Patents

干式预成型坯、复合材料构成的环状构造体及其制造方法 Download PDF

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Abstract

提供一种干式预成型坯、复合材料构成的环状构造体及其制造方法，干式预成型坯具有第一强化纤维层(11)，该第一强化纤维层是由卷绕在心轴(20)的外周、平行于与心轴(20)的环方向(0°方向)交叉的方向(+θ方向)被拉齐、且在心轴(20)的环方向上至少一周是无接缝连续的强化纤维构成的。

Description

干式预成型坯、复合材料构成的环状构造体及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种在环状心轴的外周配置的中空环状的干式预成型坯(dry preform)、由使用其的复合材料构成的环状构造体及其制造方法。
背景技术
例如，航空器的环状框架那样的环状构造体要求有高强度且轻量，因此，有时由在强化纤维中含浸树脂而成的复合材料形成。但是，环状框架通常是コ字型或T字型等具有折曲部的异形截面，由复合材料形成这样的异形截面的环状框架并不容易。
例如专利文献1公开了一种使用由织物(编织物)构成的干式预成型坯而形成截面L字形状的环状构造体的方法。具体地说，首先如图14所示，形成由在长度方向配向的纤维(中央线)105b及相对于长度方向以±α的织造角度配向的纤维(织造线)105a构成的、呈3轴构造的纤维组织的长板状干式预成型坯105。如图15所示，将该长板状的干式预成型坯105在短边方向中间部折曲，形成由平板部121及垂直部122构成的截面L字形状，并以垂直部122为内侧的方式使其变形为圆弧状。然后，如图16所示，通过连结多个圆弧状的干式预成型坯105，形成截面L字形状的环状的干式预成型坯102。
但是，图14所示的由织物构成的干式预成型坯由于织造线105a皱缩为波状，所以与直线状的强化纤维相比，纤维方向的强度变低。另外，为了使织造线105a和中央线105b皱缩，中央线105b需要隔开间隙排列，因此，中央线105b的密度下降，长度方向的强度降低，并且树脂侵入中央线105b间的间隙而导致重量增加。进而，通过连结多个圆弧状的干式预成型坯105而构成环状的干式预成型坯102，从而强化纤维在环方向上不连续，因此导致环方向的强度下降。
另一方面，在专利文献2中公开了一种由使强化纤维沿规定方向配向的多个纤维层构成的环状构造体。具体地说，如图17所示，将具有第一纤维方向(+45°)的纤维层210、具有第二纤维方向(-45°)的纤维层211、具有第三纤维方向(0°)的追加层212层叠起来而形成片状的纤维层叠物209，将该纤维层叠物209折曲而形成截面L字形状的坯料，使该截面L字形的坯料向环方向弯曲，由此形成环状构造体。如此，通过将纤维在一定的方向上拉齐而构成纤维层，从而各纤维变成直线状，因此，与纤维皱缩的织物相比，纤维方向的强度提高。另外，由于没必要使纤维皱缩，所以无间隙地铺满纤维而可提高密度，因此，环状构造体的强度进一步提高，且减少进入纤维间的树脂，实现环状构造体的轻量化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2006-69166号公报
专利文献2：JP特开2008-543670号公报
但是，通过上述专利文献2的方法制造的环状构造体的设计的自由度低。即，为了使平板部(基底部分)在一平面内向环方向弯曲，无法配置第三纤维方向(环方向)的纤维，因此需要仅由第一及第二纤维方向(±45°)的纤维层构成，从而存在平板部的环方向的强度不足的顾虑。另外，层叠将纤维拉齐而成的纤维层的片状的纤维层叠物209(参照图17)与由织物构成的干式预成型坯105(参照图14)相比，纤维的配向自由度低，因此，难以变形为希望的形状。尤其，在环状构造体的截面形状在环方向的一部分不同的情况下，使片状的纤维层叠物209变形为所述形状非常困难。进而，例如在作为航空器的主体的环状框架使用的大径(例如直径5m以上)的环状构造体的情况下，如上述那样使片状的纤维层叠物209弯曲而形成环状构造体的作业并不容易。例如，虽然若将多个圆弧状的段连结起来形成则作业容易，但在该情况下，与上述同样导致环方向的强度下降。
发明内容
本发明要解决的问题是提供一种高强度且轻量的、形成容易、设计的自由度高的中空环状的干式预成型坯及由使用其的复合材料构成的环状构造体。
为解决所述问题而提出的本发明，是一种在环状的心轴的外周层叠多个强化纤维层而成的中空环状的干式预成型坯，其特征在于，
心轴是之后从干式预成型坯被分离的部分，
所述干式预成型坯具有第一强化纤维层，该第一强化纤维层是由呈螺旋状卷绕(捲回する)在心轴的外周、在环方向上至少一周是无接缝连续、且在与环方向交叉的方向上被拉齐的强化纤维构成的。
该干式预成型坯具有以下优点。(1)通过具有将强化纤维平行拉齐的强化纤维层，从而与强化纤维皱缩的织物相比，可实现高强度化及轻量化。(2)仅通过在环状心轴上螺旋状地卷绕强化纤维，就能够形成环状的干式预成型坯，因此，不需要上述专利文献2所示的方法那样的将片状纤维层叠物折曲的作业，形成变容易。(3)通过一边使强化纤维在心轴的外周卷绕，一边在环方向上至少一周连续，从而可以在环方向上连续形成干式预成型坯，因此与连结多个圆弧状的干式预成型坯的情况相比，可实现高强度化。(4)由于强化纤维一边仿照心轴的外周形状一边被卷绕，因此即便在环状构造体的截面形状在环方向上不同的情况下，也可以使干式预成型坯的形状追随于心轴的形状。
上述的干式预成型坯由于可以设置与第一强化纤维层不同的任意方向的强化纤维层，所以设计自由度变大。例如，可以设置第二强化纤维层，该第二强化纤维层是由呈螺旋状卷绕在心轴的外周、在环方向上至少一周连续、且在关于环方向与第一强化纤维层的强化纤维对称的方向上被拉齐的强化纤维构成的；或设置第三强化纤维层，该第三强化纤维层是由在环方向上至少一周连续、且在环方向上被拉齐的强化纤维构成的。
若使用上述的干式预成型坯，则可以容易得到由复合材料构成的环状构造体。即，可得到由复合材料构成的环状构造体，该复合材料具有：沿环方向分割上述的中空环状的干式预成型坯的多个分割干式预成型坯；及含浸在分割干式预成型坯中的树脂。该环状构造体例如可用作航空器的环状框架。
上述这样的干式预成型坯可以通过下述方法制造，所述方法包括：
干式预成型坯形成工序，在该工序中，通过在环状的心轴的外周螺旋状地卷绕强化纤维，从而形成第一强化纤维层，该第一强化纤维层是由在环方向上至少一周是无接缝连续、且在与环方向交叉的方向上被拉齐的强化纤维构成的；
分离工序，在该工序中，将干式预成型坯沿着环方向分割为多个，将干式预成型坯与心轴分离；
树脂含浸工序，在该工序中，使树脂含浸于干式预成型坯而形成复合材料。
在该情况下，只要通过在心轴的外周卷绕将多根强化纤维平行拉齐而成的强化纤维束，从而形成第一强化纤维层，就能够高效卷绕强化纤维。
使树脂含浸在干式预成型坯中的树脂含浸工序可在将干式预成型坯与心轴分离的分离工序之后进行，也可以在分离工序之前进行。另外，在干式预成型坯具有由在环方向上至少一周连续、且在环方向上被拉齐的强化纤维构成的第三强化纤维层的情况下，只要将在环方向上被拉齐的强化纤维向心轴的外周供给，并且在该外周螺旋状地卷绕第一强化纤维层的强化纤维，就能将第三强化纤维层容易固定在心轴的外周。在该情况下，只要在使树脂附着于强化纤维的表面上之后，将该强化纤维在环方向上拉齐并向心轴外周供给，形成第三强化纤维层，则可同时进行干式预成型坯形成工序与树脂含浸工序。
发明效果
如上所述，根据本发明，可以得到高强度且轻量，形成容易且设计自由度高的环状干式预成型坯及使用其的复合材料所构成的环状构造体。
附图说明
图1上本发明的实施方式的环状构造体的主视图。
图2是图1的X-X截面图。
图3是表示上述环状构造体的强化纤维层的层叠状态的截面图。
图4是表示上述环状构造体的制造方法的干式预成型坯形成工序的主视图，表示供给第一强化纤维层及第三强化纤维层的样子。
图5是图4的放大图。
图6是图5的Y-Y截面图。
图7是表示上述环状构造体的制造方法的干式预成型坯形成工序的主视图，表示供给第二强化纤维层的样子。
图8是中空环状的干式预成型坯及心轴的截面图。
图9是表示上述环状构造体的制造方法的分离工序的截面图。
图10是其他实施方式的环状构造体的截面图。
图11是表示其他实施方式的制造方法的分离工序的截面图。
图12是其他实施方式的环状构造体的截面图。
图13是表示其他实施方式的制造方法的干式预成型坯形成工序的主视图，表示将第一强化纤维层的强化纤维卷绕的样子。
图14是由织物构成的长板状的干式预成型坯的立体图(专利文献1的图4)。
图15是表示将图14的长板状的干式预成型坯在短边方向中间部折曲的状态的立体图(专利文献1的图5)。
图16是表示将图15的干式预成型坯连结起来而成的环状的干式预成型坯的立体图(专利文献1的图6)。
图17是表示片状的纤维层叠物的俯视图(专利文献2的图3)。
符号说明
1环状构造体
2腹板
3凸缘
11第一强化纤维层
12第二强化纤维层
13第三强化纤维层
20心轴
30环方向纤维供给部
31引导件
40纤维卷绕部
41引导件
50干式预成型坯
A片状纤维束
具体实施方式
以下，基于附图说明本发明的实施方式。
图1表示本发明的一实施方式的环状构造体1。该环状构造体1作为航空器的主体的环状框架使用，直径约3～10m。环状构造体1如图2所示，截面呈コ字形状，具体地说，其由大致平板状的腹板2和从腹板2的内径端及外径端大致垂直立起的筒状的凸缘3构成。环状构造体1在环方向的一部分使截面形状稍有不同。具体地说，虽详细图示省略，但尤其在要求高强度的部位，稍微增大腹板2的短边方向寸法L2或凸缘3的短边方向寸法L3而实现强度提高，在要求的强度较低的部位，稍微减小腹板2的短边方向寸法L2或凸缘3的短边方向寸法L3而实现轻量化。
环状构造体1由在层叠多个强化纤维层而成的干式预成型坯中含浸树脂的复合材料构成。强化纤维例如可使用碳纤维或玻璃纤维。树脂可使用热硬化性树脂或者热可塑性树脂，具体地说，作为热硬化性树脂，可使用环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酰亚胺等，作为热可塑性树脂，可使用聚醚醚酮等。
环状构造体1如图3所示，具有沿规定方向将强化纤维拉齐而成的多个强化纤维层。在图示例中，层叠有：使强化纤维在相对于环方向以规定角度交叉的方向(称为+θ方向)上配向的第一强化纤维层11；使强化纤维在相对于环方向与第一强化纤维层11的强化纤维对称的方向(称为-θ方向)上配向的第二强化纤维层12；使强化纤维在环方向(称为0°方向)上配向的第三强化纤维层13。第一～第三强化纤维层11～13以相邻的层与纤维的配向方向交叉的方式被层叠，在本实施方式中，按照第三强化纤维层13(0°)、第一强化纤维层11(+θ)、第二强化纤维层12(-θ)...的顺序反复分别各层叠例如5～10层。第一强化纤维层11及第二强化纤维层12的配向角度θ被设定在20～70°之间，例如被设定为60°。第一～第三强化纤维层11～13被设置成与腹板2及一对凸缘3连续。尤其，第一强化纤维层11及第二强化纤维层12，从一方的凸缘3的端面3a到另一方的凸缘3的端面3a，强化纤维无接缝地连续且以一定角度配向。
上述的环状构造体1经过干式预成型坯形成工序、分离工序及树脂含浸工序而制造。以下，顺次说明各工序。
如图4所示，干式预成型坯形成工序是通过向环状的心轴20的外周供给强化纤维，从而形成中空环状的干式预成型坯的工序。心轴20例如截面为矩形(本实施方式中为正方形)，呈与图1所示的环状构造体1同样的环状。在图示例中，将心轴20做成中空而实现轻量化。如上述那样，环状构造体1由于在环方向的一部分使截面形状有稍许不同，因此与之匹配，也使心轴20在环方向的一部分使截面形状有稍许不同。
向心轴20的外周面供给强化纤维的供给装置具备：使心轴20向环方向一方(在图4中为顺时针方向，参照箭头)旋转的旋转驱动部(图示省略)；沿环方向朝向心轴20的外周面供给强化纤维的环方向纤维供给部30；在心轴20的外周面卷绕强化纤维的纤维卷绕部40。
从环方向纤维供给部30供给的多根强化纤维经引导件31被配置在心轴20的外周面。在引导件31上设有对强化纤维进行引导的多个引导孔(图示省略)，通过由该引导孔对强化纤维进行引导，从而强化纤维在沿环方向被拉齐的状态下被配置在心轴20的外周面。在本实施方式中，以均匀的密度在截面矩形的心轴20的外周面的全周配置环方向的强化纤维。从而将强化纤维在环方向(0°)上配向的第三强化纤维层13供给到心轴20的外周面。
与此同时，将从纤维卷绕部40供给的多根强化纤维如图5所示，经引导件41卷绕到心轴20的外周面。在引导件41上设有对强化纤维进行引导的多个引导孔(图示省略)。在本实施方式中，引导孔沿环方向排列配置，由该引导孔引导的多个强化纤维沿环方向排列配置，由此，形成片状的纤维束A。而且如图6所示，通过使纤维卷绕部40及引导件41一起绕心轴20一圈，由此将片状的纤维束A卷绕在心轴20的外周(参照图5)。此时，一边使心轴20向环方向一方(参照箭头)旋转，一边使纤维卷绕部40及引导件41绕圈，由此，供给相对于环方向C以规定的角度(+θ)将强化纤维平行拉齐而成的片状纤维束A。另外，在纤维卷绕部40及引导件41绕心轴20一圈的期间，若使心轴20以片状纤维束A的宽度W的量向环方向一方旋转，则将纤维束A无间隙地铺满心轴20的外周。需要说明的是，心轴20虽然在环方向的一部分截面形状不同，但通过卷绕片状的纤维束A，从而构成纤维束A的各强化纤维分别仿照心轴20的外周形状，所以可容易使纤维束A整体仿照心轴20的外周形状。由此，在与环方向C交叉的方向(+θ)上将强化纤维拉齐而成的第一强化纤维层11被供给到心轴20的外周。如上所述，通过将从环方向纤维供给部30经引导件31供给到心轴20外周面的第三强化纤维层13的外周用纤维束A卷绕，从而将第三强化纤维层13固定在心轴20的外周。
若通过旋转驱动部使心轴20在环方向上旋转一周、第一强化纤维层的强化纤维在环方向上有一周，则停止旋转驱动部、纤维卷绕部40及引导件41，并将从纤维卷绕部40供给的强化纤维及环方向的强化纤维暂时切断。然后，如图7所示，通过旋转驱动部使心轴20向环方向另一方(在图7中为逆时针方向，参照箭头)按照与上述相同的速度旋转，并且使纤维卷绕部40及引导件41向与上述相同的方向以相同速度绕圈。由此，相对于环方向C以规定的角度(-θ)将强化纤维拉齐而成的片状纤维束A被卷绕在心轴20的外周面，第二强化纤维层12被层叠到第一强化纤维层11的外周。通过反复进行以上动作，顺次层叠第三强化纤维层13、第一强化纤维层11及第二强化纤维层12(参照图3)，在心轴20的外周形成中空环状的干式预成型坯50(参照图8)。需要说明的是，第二强化纤维层12的形成方法不限于上述，例如也可以通过旋转驱动部一边使心轴20向环方向一方(与图5相同的方向)旋转，一边使纤维卷绕部40及引导件41向与图6的箭头相反的方向(顺时针方向)旋转，从而形成第二强化纤维层12。
干式预成型坯50被粘合剂等暂时固定。具体地说，例如在从环方向纤维供给部30供给的强化纤维或者从纤维卷绕部40供给的强化纤维中混杂热熔接性的粘合剂纤维，形成干式预成型坯50，之后，将其加热而使粘合剂纤维熔融，通过使其固化，从而可以暂时固定干式预成型坯50。或者，也可以在形成干式预成型坯50后，向其表面供给熔敷性的粉末状或者雾状的粘合剂，进行暂时固定。需要说明的是，如果需要的话，也可以将强化纤维的端部用粘合剂等暂时固定在心轴20的表面或者强化纤维层的表面。
如图9所示，这样得到的中空环状的干式预成型坯50沿环方向被分割为多个(在图示例中为2个)，从内部取出心轴20(分离工序)。由此，可得到呈与图1所示的环状构造体1同样的形状、即由腹板52及凸缘53构成的截面コ字形状的一对分割干式预成型坯51。此时，第一强化纤维层11及第二强化纤维层12的强化纤维的端部若被配置在中空环状的干式预成型坯50的分割面上，则在分割干式预成型坯51的腹板52或凸缘53的第一以及第二强化纤维层11、12上完全不形成强化纤维的接缝，因此优选。
在树脂含浸工序中，使树脂含浸于从心轴20分离的分割干式预成型坯51中，通过使该树脂固化，形成复合材料。使树脂含浸固化的方法没有限定，例如可通过R T M法(ResinTransferMolding)进行。或者，也可以通过浸渍等预先使树脂附着在由环方向纤维供给部30供给的强化纤维上，将该强化纤维在环方向上拉齐，并向心轴20的外周供给。在该情况下，通过将环方向的强化纤维向心轴20的外周供给，从而在该强化纤维上附着的树脂含浸于干式预成型坯50，因此可以同时进行树脂含浸工序和干式预成型坯形成工序，之后进行加热，从而可得到由复合材料构成的环状构造体1。通过以上工序，完成由复合材料构成的环状构造体1(参照图1)。
本发明不限于上述实施方式。以下，说明本发明的其他实施方式，对于具有与上述实施方式同样的功能的部位标注同一符号，省略重复说明。
在上述的实施方式中，在分离工序后进行树脂含浸工序，但也可以与此相反，使树脂含浸于图8所示的中空环状的干式预成型坯50中，形成中空环状的复合材料后，将该复合材料沿环方向进行分割，从内部取出心轴20。
另外，在上述的实施方式中，示出了截面コ字形状的环状构造体1，但不限于此，例如，也可以形成图10所示的截面H形状的环状构造体101。在该情况下，分别使树脂含浸于截面コ字形状的一对分割干式预成型坯51中，形成环状构造体1，之后，将它们在背面彼此固定，由此可得到截面H形状的环状构造体101。或者，将截面コ字形状的一对分割干式预成型坯51的背面彼此合起来配置，在该状态下使树脂含浸，由此可得到截面H形状的环状构造体1。
另外，在上述的实施方式中，示出了在分离工序将中空环状的干式预成型坯50分割为两个的情况，但不限于此，例如图11所示，也可以分割为三个。在图示例中，分割为圆筒状的分割干式预成型坯61以及截面L字形状的一对分割干式预成型坯62。通过在这些分割干式预成型坯61、62中使树脂含浸，从而可得到环状构造体261、262。这些环状构造体261、262可以分别单独使用，也可以如图12那样组合形成一体，从而可构成截面H字形状的环状构造体201。
另外，在上述的实施方式中，示出了从纤维卷绕部40供给沿环方向排列强化纤维而成的片状的纤维束A的情况，但不限于此。例如图13所示，也可以在心轴20的外周等间隔配置多个(图示例中为8个)纤维卷绕部40。引导件部41以包围心轴20的外周的方式被设成环状，等间隔设有引导孔。通过使该多个纤维卷绕部40及引导件部41一起向箭头方向旋转，从而将强化纤维卷绕在心轴20的外周。在该情况下，能够通过从多个纤维卷绕部40供给的强化纤维，遍及全周大致同时按压向心轴20外周供给的环方向的强化纤维(第三强化纤维层13)。
另外，在上述的实施方式中，示出了心轴20的截面为矩形的情况，但不限于此，例如可以为截面梯形或截面圆形。
另外，在上述的实施方式中，示出了具有在相对于环方向倾斜的方向(+θ方向、-θ方向)上配向的第一强化纤维层11及第二强化纤维层12、在环方向(0°方向)上配向的第三强化纤维层13的情况，但不限于此，可以根据所要求的强度的方向进行适当变更。例如，可省略第二强化纤维层12及第三强化纤维层13的任一方或双方。或者，除了第一～第三强化纤维层11～13外，还可以追加向其他方向倾斜的强化纤维层。
另外，在上述的实施方式中，示出了将环状构造体1用作航空器的环状框架的情况，但不限于此，例如，也可以用于自行车或汽车的轮圈等。

Claims (12)

1.一种干式预成型坯，是在环状的心轴的外周层叠多个强化纤维层而成的中空环状的干式预成型坯，其特征在于，
所述心轴是之后从所述干式预成型坯被分离的部分，
所述干式预成型坯具有第一强化纤维层，该第一强化纤维层是由呈螺旋状卷绕在所述心轴的外周、在环方向上至少一周是无接缝连续、且在与环方向交叉的方向上被拉齐的强化纤维构成的。
2.如权利要求1所述的干式预成型坯，其中，
通过将多根强化纤维平行拉齐而成的片状的强化纤维束卷绕在所述心轴的外周，由此形成所述第一强化纤维层。
3.如权利要求1或2所述的干式预成型坯，其中，
所述干式预成型坯具有第二强化纤维层，该第二强化纤维层是由呈螺旋状卷绕在所述心轴的外周、在环方向上至少一周连续、且在关于环方向与所述第一强化纤维层的强化纤维对称的方向上被拉齐的强化纤维构成的。
4.如权利要求1～3中任一项所述的干式预成型坯，其中，
所述干式预成型坯具有第三强化纤维层，该第三强化纤维层是由在环方向上至少一周连续、且在环方向上被拉齐的强化纤维构成的。
5.一种环状构造体，其由复合材料构成，该复合材料具有：沿环方向分割权利要求1～4中任一项所述的干式预成型坯的多个分割干式预成型坯；及含浸在所述分割干式预成型坯中的树脂。
6.如权利要求5所述的环状构造体，其中，
所述环状构造体用作航空器的环状框架。
7.一种环状构造体的制造方法，其包括：
干式预成型坯形成工序，在该工序中，通过在环状的心轴的外周螺旋状地卷绕强化纤维，从而形成具有第一强化纤维层的干式预成型坯，该第一强化纤维层是由在环方向上至少一周是无接缝连续、且在与环方向交叉的方向上被拉齐的强化纤维构成的；
分离工序，在该工序中，将所述干式预成型坯沿着环方向分割为多个，将所述干式预成型坯与所述心轴分离；
树脂含浸工序，在该工序中，使树脂含浸于所述干式预成型坯而形成复合材料。
8.如权利要求7所述的环状构造体的制造方法，其中，
通过在所述心轴的外周螺旋状地卷绕将多根强化纤维平行拉齐而成的强化纤维束，从而形成所述第一强化纤维层。
9.如权利要求7或8所述的环状构造体的制造方法，其中，
在所述分离工序之后，进行所述树脂含浸工序。
10.如权利要求7或8所述的环状构造体的制造方法，其中，
在所述树脂含浸工序之后进行所述分离工序。
11.如权利要求7～10中任一项所述的环状构造体的制造方法，其中，
所述干式预成型坯具有第三强化纤维层，该第三强化纤维层是由在环方向上至少一周连续、且在环方向上被拉齐的强化纤维构成的，
将在所述环方向上被拉齐的强化纤维供给到所述心轴的外周，并且在该外周螺旋状地卷绕所述第一强化纤维层的强化纤维，从而将所述第三强化纤维层固定在所述心轴的外周。
12.如权利要求11所述的环状构造体的制造方法，其中，
在使树脂附着在强化纤维的表面上后，将该强化纤维在环方向上拉齐并供给到所述心轴的外周，形成所述第三强化纤维层，由此，同时进行所述干式预成型坯形成工序与所述树脂含浸工序。
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