CN102862299B - 层状复合部件 - Google Patents

Abstract

公开了一种层状复合部件（2），所述部件包括：限定相对的部件表面（8、10）之间的部件厚度的多个堆叠层，以及从所述相对的部件表面（8、10）的每个延伸的至少一个增强元件，所述增强元件至少局部地延伸穿过所述部件厚度。还公开了另一种层状复合部件（2），所述部件包括：限定一平面并且具有主要面内轴的多个堆叠层，其中增强元件的至少一个块阵列（6）沿着相对于所述堆叠层的平面成角度的增强方向延伸到部件（2）中，并且其中所述至少一个块阵列（6）在所述堆叠层的平面中相对于主轴成角度。

Description

层状复合部件

技术领域

本发明涉及一种层状复合部件以及一种形成层状复合部件的方法。这种部件通常包括嵌入在基体材料中的增强纤维的堆叠层压层。

背景技术

复合材料广泛地使用在各种工业中，并且可以提供优于金属替代物的显著优点。尤其是在航空工业中，复合材料可以有助于减轻重量，同时具有期望的强重比，并且提供对大多数化学和环境威胁的抵抗。燃气涡轮发动机的风扇和/或压缩机系统的组成部件，包括包容机匣、风扇叶片以及次级结构由于它们所运转的相对较低的温度，而给它们自身提供复合构造。在这些运转温度范围上，复合材料可以提供所需水平的坚固性、耐用性、强度和断裂应变。

在航空工业中使用的类型的复合材料大体上包括嵌入在基体材料中的增强纤维的堆叠层压层。增强纤维在所述层的平面中延伸并且可以是单向的，或者可以以各种构造并且沿着叠层方向延伸。各种材料可以用于增强纤维，包括碳、石墨、玻璃及各种金属。与使用的具体材料和制造工艺无关，所有复合物表现出某些缺点。在这些缺点中显著的是复合材料的比较差的层间强度。X-Y平面中的沿着所述堆叠层的平面的复合特性由增强纤维支配，意味着X-Y平面中的材料强度和断裂应变是优异的。结果很好地开发了用来生产二维复合结构的制造方法。然而，沿着Z方向的层间特性由基体材料支配，意味着沿着该方向的强度和断裂韧性是比较差的，从而限制了复合物在许多应用中的使用。

由于热效应、冲击事件或者在复合物中存在孔或自由边而导致的破裂或脱层会严重地降低压缩和挠曲加载能力，或者导致大规模的脱层，这会导致过早的结构破坏。在航空发动机的情况下，复合部件经受吸入到发动机中的吸气的损坏和外界物体的冲击。这种物体可以是机载的或者吸入到发动机入口中的。这些包括各种类型和大小的鸟以及无生命物体，例如冰雹、沙、陆冰以及跑道碎片。已经发现对包括风扇和压缩机叶片的叶片构件的机翼的冲击损坏以及对气流中的支杆类型构件的损坏导致材料的损失和/或堆叠层的脱层。该程度的损坏会降低运转完整性以及复合物品的寿命。在旋转的叶片中，它会导致发动机变得不平衡，从而导致潜在严重且有害的振动。

存在多种技术用于克服复合物中的这些局限性。最经常使用的两种是韧化基体和“横向”增强纤维。韧化基体通常比基准系统昂贵得多，具有差的热湿特性，并且仍然不能为成功的部件设计提供足够的强度。结果，横向增强体通常是更期望的选择，并且已经开发了若干种技术用于穿过复合物的厚度放置纤维以提高它们的层间特性。

缝纫、钉钉和针刺都是用于引入横向增强体的已知技术。然而，这些方法都易于导致面内特性的显著下降，难以在复杂形状的部件内实施，并且限制了可以用于增强的纤维的类型。缝纫使用宽度通常超过5mm的针。当用这种大小的针刺入纤维层压板时，对承载面内纤维造成显著的切割或损坏。这样会导致超过20%的强度下降。除了这种针损坏以外，缝纫还使用会损坏表面层的连续线。从一个针脚横移到下一个针脚的线中的线圈使顶面几个层的面内纤维“打结”，从而产生显著的强度损失。由于缝纫需要的固化半径，实际上可以使用的纤维被限制为玻璃或芳香族聚酰胺类型纤维，例如KEVLAR^RTM。这些材料不是对于所有应用的最有效的横向增强体，并且已知吸收湿气，而这是不期望的。

用于克服这些问题和缺点的一种技术包括沿着Z方向穿过复合材料的厚度插入纵向销或钉。US4808461公开了一种所谓Z销的插入方法，其中多个增强销完全沿着与可热分解材料的主体的平面垂直的方向设置。该结构然后经受升高的温度，其分解可热分解材料。使用压力来将增强元件打入所述结构中，其然后固化。最终的复合部件将包含垂直设置的增强元件，在复合部件的期望位置处增加强度。根据其他方法，可以使用销携带器来将销垂直地打入预浸渍（预浸料）纤维的叠层中，其然后定形并固化。US7008689讨论了Z方向增强体的位置，根据任何具体部件区域中的期望应力水平公开了Z销的分布。

虽然解决了缝纫的面内损坏问题，但是这些技术也存在缺点。例如，虽然单纯垂直于复合物平面地引入的增强纤维显著地降低了层压板脱离的趋势（参见图1—模式1破裂），但是它们不提供对剪切或者模式II为主的断裂的可比较抵抗。这是因为这些载荷通常与复合物的面内纤维平行地发生，并且增强纤维垂直于面内纤维。为了解决这个问题，已知在沿着特别高应力的平面的层压板中与面内纤维成角度地手动地插入增强棒。这可以在例如石墨—环氧层的叠层固化之前完成。然而，每个增强棒的手动插入以及预先确定特别高应力平面所需要的实验和分析，使得这个技术变成劳动密集型的并且因此是昂贵的。一种替代方法包括用机械冲击或者相似的工具将单个热固树脂浸渍的纤维增强体成角度地打入纤维材料叠层中。然而，该技术也要求劳动力密集和不适于所有应用的高精度制造技术。

当单纯考虑Z方向增强销时，已知根据部件厚度和性能要求改变销的长度以及它们在任何一个部件区域中的集中度。US3834832描述了可以以该方式使用的各种Z方向增强元件。然而，这种增强元件的应用由于元件长度的约束仍然限于薄的复合结构（多达～16mm）。此外，销增强体的区域与没有销增强体的区域之间的急速过渡引起部件特性的阶跃变化，这是不期望的。US7008689寻求通过在预浸料板层或层的区域内以一定的密度插入Z方向增强销以便它抵抗该区域的应变能来解决销集中度的问题。该方法的缺点是应变能不是这种销需要满足的唯一要求，并且在具有高应变的区域中具有大量的销对该结构会是不利的。

发明内容

本发明寻求解决上述缺点中的一些或全部。

根据本发明，提供一种层状复合部件，其包括：限定相对的部件表面之间的部件厚度的多个堆叠层；以及从所述相对的部件表面的每个延伸的至少一个增强元件，所述增强元件至少局部地延伸穿过所述部件厚度。

所述部件表面可以是平面的。所述层可以包括嵌入在可以例如是有机基体材料的基体材料中的面内增强纤维阵列。所述层可以限定所述部件的X-Y平面。所述层的增强纤维可以是单向的、双向的、机织的或者任何其他适当构造。

所述增强元件可以垂直于所述部件表面延伸。所述增强元件因此可以沿着所述部件的与部件层的X-Y平面垂直的Z轴延伸。

所述增强元件可以包括销。所述增强元件可以包括簇绒增强纤维。

所述增强元件的长度可以小于所述部件的厚度。

从相对的部件表面延伸的增强元件可以沿着增强方向交叠。

所述部件可以还包括至少一个中间增强元件，其可以延伸穿过部件厚度的远离相对的部件表面的每个的区域。

来自相对的部件表面的增强元件可以沿着增强方向与至少一个中间增强元件交叠。

所述增强元件可以在所述部件内延伸其整个长度，所述长度设置为完全插入的从相对的部件表面延伸的增强元件沿着增强方向互相交叠，或者与中间增强元件交叠。这种交叠确保了在所述部件内没有层不具有增强元件或者仅具有元件末端。

所述部件的每个堆叠层可以包括具有一方向的面内增强纤维，并且所述增强元件可以延伸为，增强元件的沿着增强方向的交叠区域包括具有不同增强纤维方向的相邻堆叠层。

所述元件的交叠区域可以为至少六个堆叠层的厚度。

根据标准规定，不超过四个的相同朝向层应该堆放在一起，六个层交叠确保了在增强元件末端之间总是具有至少一次层朝向变化。

增强元件可以设置为块阵列。例如，所述元件可以设置为矩形块阵列，其可以是w元件宽和l元件长。

在所述部件的平面中相邻的增强元件的阵列可以从相对的部件表面延伸或者包括中间增强元件。这样不会产生从相对表面插入的元件的冲突。

所述部件的堆叠层可以包括主要面内轴，并且增强元件阵列可以在所述层的平面中相对于所述主要面内轴成角度。

所述主要面内轴可以例如是x轴，其中面内增强纤维相对于主要轴朝向。在示例性实施例中，所述堆叠层的面内增强纤维可以与主轴或者x轴以0、45或者90度朝向。

增强元件的所述块阵列可以与x轴成45度角。

增强元件的所述块阵列可以形成人字形图案。就本说明书而言，术语“人字形图案”是指基本矩形块阵列的45度布置。在图2中示出了示例性人字形图案。

根据本发明的另一个方面，提供了一种层状复合部件，包括：限定一平面并且具有主要面内轴的多个堆叠层；以及增强元件的至少一个块阵列；其中所述至少一个块阵列沿着相对于所述堆叠层的平面成角度的增强方向延伸到所述部件中，并且其中所述至少一个块阵列在所述堆叠层的平面中相对于所述主轴成角度。

所述块阵列相对于所述主要面内轴的成角度性质意味着沿着所述主轴在增强体中没有阶跃变化。因此不会产生沿着该轴的部件特性的阶跃变化。

增强元件的所述块阵列可以与所述主轴成45度角。该成角度确保沿着所述主轴或者垂直于所述主轴没有特性的阶跃变化。

增强元件的所述块阵列可以在所述堆叠层的平面中成角度以形成人字形图案。

该图案提供“羽状”效果，使增强区域的轮廓交错，并且使部件特性在增强区域与没有增强的区域之间的变化效果逐渐进行。

增强元件的所述块阵列可以沿着与所述堆叠层的平面垂直的增强方向延伸。

在所述部件的平面中相邻的增强元件的阵列可以从相对的部件表面延伸。

所述增强元件可以包括销、钉、针、线束以及横向编织纤维的至少一个。例如，所述增强元件可以包括3D编织部件中的经纱的横向元件。

所述部件可以包括至少一个弯曲表面。

所述部件可以是燃气涡轮发动机的组成部分。

根据本发明的另一个方面，提供了一种形成层状复合部件的方法，所述部件包括限定相对的部件表面的多个堆叠层，所述方法包括从两个所述相对的部件表面都插入增强元件，所述增强元件与所述部件表面成角度地插入。

所述方法可以还包括在所述层状复合部件的叠层期间插入中间增强元件。所述中间增强元件可以延伸穿过所述部件的在最终部件中远离所述相对的部件表面的每个的区域。所述中间增强元件可以插入来沿着增强方向与从相对的部件表面插入的增强元件交叠。

根据本发明的另一个方面，提供了另一种形成层状复合部件的方法，所述部件包括限定一平面并且具有主要面内轴的多个堆叠层；所述方法包括沿着相对于所述堆叠层的平面成角度的增强方向将增强元件的块阵列插入到所述部件中，所述块阵列在所述堆叠层的平面中定向为相对于主轴成角度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种燃气涡轮发动机，包括根据本发明的方法制造的部件。

附图说明

为了更好地理解本发明，以及为了更清楚地示出可以如何实施本发明，现在将借由示例参考下面的附图，其中：

图1示出复合部件的脱层破坏；

图2为人字形图案的代表图；

图3为具有增强元件的块阵列的复合结构的示意代表图；以及

图4为图3的结构的第三角投影图。

具体实施方式

本发明提供一种复合部件，其包括横向增强体。本发明还提供一种方法，其允许厚度大于最大可用增强元件长度的厚复合结构被沿着横向方向增强。所述部件和制造方法还提供所述部件内的从非增强区域到全增强区域的逐渐过渡。

图3和图4示出根据本发明的复合部件。参考图3和图4，复合部件2包括由嵌入在周围基体中的增强纤维的层压层形成的主要结构4。主要结构4限定在部件2的平面上下表面8、10之间的部件厚度和如附图中的X-Y平面所示的部件的主平面。部件的横向方向是Z方向。增强纤维在主要结构层内的朝向可以是沿着主轴x、次轴y、或者可以相对于主轴和次轴成变化的角度。具有相同朝向纤维的若干层可以堆放在一起，但是为了符合相关标准，可以想象具有相同朝向纤维的不超过四层应该堆放在一起。

部件2还包括在附图中用6示意性示出的多个增强元件的块阵列。所述元件在附图中示出并且在下面的公开中描述为销，然而，可以认识到增强元件也可以包括增强材料的线束。附图中所示的每个块阵列6包括增强销的规则阵列，w是销宽度，l是销长度，并且具有等于销本身长度的沿着插入方向的深度。在示出实施例中，块阵列6已经垂直于主要结构4的主平面X-Y地插入到主要结构4中并且延伸穿过主要结构4。然而，根据其他实施例，块阵列可以相对于主平面X-Y以其他角度插入。如在图4的侧面和端面投影图中最佳所见，块阵列6延伸穿过主要结构4到整个阵列深度，这是增强销的整个长度，阵列的表面与部件2的相应的上表面或下表面齐平。所述部件因此在其最终状态下包括增强销阵列，其在主要结构内延伸它们的整个长度，并且至少局部地延伸穿过所述部件的厚度。

多个块阵列6已经从部件2的上表面8插入并且因此从所述上表面8延伸，而其余块阵列6已经从部件2的下表面10插入并且从所述下表面10延伸。这确保了在部件2的整个厚度上提供横向或者Z方向增强体。可以认识到，当在图4的平面投影图中从上方观察时，在X-Y平面中在块阵列之间没有交叠。这确保了在从部件2的相对表面插入的阵列6之间没有冲突。当在图4的端面和侧面投影图中从侧面观察时，在从上表面8延伸的销阵列与从下表面10延伸的阵列之间具有深度为o的交叠区域。这种性质的交叠区域确保了在部件2内没有层或表面包含非Z方向的增强体，或者仅包含增强销的末端。该交叠区域的深度取决于所使用的销的长度，因此取决于块阵列的深度，并且取决于主要结构4的厚度。在优选实施例中，交叠区域在其内部在主要结构的层之间在纤维朝向方面包括至少一次改变。交叠区域的期望深度因此由可以堆放在一起的相同朝向层的数量确定。

在优选实施例中，所述部件配置为符合标准，根据该标准可以将具有相同朝向纤维的不超过四层堆放在一起。因此可以想象具有6层深度o的交叠区域将足以确保交叠区域在层之间包括纤维朝向的至少一次改变。这个限制于是确定根据本发明的具体实施例可以形成的部件2的最大厚度。最大部件厚度可以如下计算：

其中t_max是可以根据该实施例配置的复合部件的最大厚度，L_max是形成阵列的销的最大有用长度，以及t_ply是形成部件2的主要结构4的每个板层的固化厚度。因此，对于16mm的最大有用销长度和0.25mm的固化板层厚度，最大层压厚度为30.5mm。

根据本发明的另一个实施例（未示出），所述部件还包括至少一个中间增强销（或者纤维线束），优选地还包括中间增强销的至少一个阵列。中间纤维销阵列沿着增强方向延伸穿过部件厚度的远离相对的两个部件表面的区域。因此在形成最终部件表面之前，在部件的叠层期间插入中间增强销阵列。中间增强销阵列沿着增强方向在每个端部处与其他增强元件交叠。如果仅存在单个中间增强销阵列或者中间增强销阵列层，那么中间增强销阵列（或多个阵列）沿着增强方向与从每个相对部件表面延伸的增强销阵列6交叠。如果存在穿过部件厚度的多层中间增强元件阵列，那么中间增强销阵列可以沿着增强方向互相交叠，从而维持增强元件在相对的部件表面之间穿过部件的整个厚度的连续存在。

可以认识到，中间增强销阵列的存在允许厚得多的复合部件的增强。根据该实施例的最大部件厚度可以如下计算：

其中n是增强销阵列的交叠层的数量；o是每个交叠区域中的板层数量，并且t_ply、L_max和t_max 与上述相同。例如，在包括单层中间增强阵列的部件中，n=3并且最大部件厚度是：

该实施例的优点是穿过更复杂形状部件的厚度增强的能力。中间块阵列的引入便于产生更复杂的销接组合体，从而允许更大范围的复合部件的横向增强。这也提供在复合部件的设计工艺中的更大自由度。

当例如期望使用短销或者其他增强元件时，该实施例还可以使用来获得优点。普遍发现较长的增强销更难打入到未固化的复合材料中，并且较短的增强销因此提供较好的机械性能。通过采用中间增强销阵列（或多个阵列），可以使用较短的增强元件来穿过整个部件厚度增强任意给定厚度的部件，从而便于这些元件的插入并且提供改进的机械性能。

回到图3和图4所示的实施例，并且考虑图4的平面投影图，可以发现增强销的块阵列6相对于部件2的主x轴成角度。阵列6的与长度l的长侧平行的长轴与主轴x并且因此也与次轴y成+或-45度的角。在示出实施例中，如图4最佳所示，阵列6布置为形成人字形图案。然而也可以采用其他配置或布置。在其长侧l上相邻的阵列6已经从相对的表面插入并且因此从相对的表面延伸，从而确保了销阵列6在部件2的上下半部中的均匀分布。可以理解，可以采用包括中间块阵列的相似布置，从而确保销阵列在整个部件厚度上的均匀分布。块阵列的成角度朝向确保没有延伸一直穿过增强体图案的直线，在沿着主轴或次轴存在或不存在增强元件的情况下，没有阶跃变化。这意味着部件2沿着这些轴在结构特性方面不经历阶跃变化，阶跃变化会由设置有Z方向增强体的区域与不设置有Z方向增强体的区域之间的巨大差别而引起。人字形图案提供“羽状”效果，其中具有和不具有Z方向增强体的区域之间的过渡是逐渐进行的。

可以认识到，由增强块阵列的人字形图案提供的逐渐过渡尤其适合于弯曲的复合结构。常规销接阵列难以应用在这种结构中，而本发明的分段阵列使得它们很好地适合于弯曲结构。

还可以认识到，如果复合结构2足够薄以使得能够用单个销长度实现横向增强，那么成角阵列6，不管布置为人字形图案与否，还可以与从相同侧插入的所有阵列6一起使用。由成角阵列提供的益处同样可以应用到比较薄或厚的复合结构中。

本发明因此提供允许厚的复合层压板穿过其整个厚度的增强的部件和配置方法，其中由于最大元件长度的限制否则将不能使用Z方向增强元件。这通过从复合结构的相对表面交替地插入元件的相邻阵列来实现，以便这些元件在最终部件中从交替侧延伸，优选地确保在中部区域具有增强元件的交叠。还可以包括定位在部件厚度内并且与从每个相对表面插入的阵列交叠的中间阵列。另外，阵列相对于主轴或层压0°方向例如以45度朝向。所产生的图案可以与人字形图案相似。这个图案使得从不具有增强元件的区域到具有增强元件的区域的过渡形成羽状，因此避免了在层压板中特性的阶跃变化。

已经关于大致单向的预浸料复合层压部件描述了本发明。然而，本发明也可以应用到机织或者其他织物预浸料层压板中，或者其他复合结构中，以获得有益效果。表面和中间增强阵列、成角阵列以及所产生的人字形或其他图案不被限制为销增强体，而是可以与簇绒、缝纫和3D编织一起使用。它们还因此可以应用于干燥预成型、树脂渗透类型工艺。

本发明可以结合包括例如碳、玻璃、芳香族聚酰胺、聚合物、天然树脂以及与任何树脂类型组合的所有纤维类型来使用。

Claims (11)

1.一种用于燃气涡轮发动机的层状复合部件，包括：限定相对的部件表面之间的部件厚度的多个堆叠层；以及从所述相对的部件表面的每个延伸的增强元件的块阵列，每个块的增强元件仅局部地延伸穿过所述部件厚度；

其中相邻增强元件的块阵列从相对的部件表面延伸；并且增强元件的所述块阵列形成人字形图案。

2.如权利要求1所述的部件，其中所述增强元件与所述部件表面垂直地延伸。

3.如权利要求1所述的部件，其中所述增强元件包括销。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的部件，其中从相对的部件表面延伸的增强元件沿着增强方向交叠。

5.如权利要求1-3中任意一项所述的一种部件，还包括延伸穿过所述部件厚度的远离所述相对的部件表面的每个的区域的至少一个中间增强元件。

6.如权利要求5所述的部件，其中来自相对的部件表面的增强元件沿着增强方向与所述至少一个中间增强元件交叠。

7.如权利要求4所述的部件，其中所述部件的每个堆叠层包括具有一方向的面内增强纤维，并且所述增强元件延伸为，所述增强元件的沿着增强方向的交叠区域包括具有不同增强纤维方向的相邻堆叠层。

8.如权利要求7所述的部件，其中所述增强元件的交叠区域是至少六个堆叠层的厚度。

9.如权利要求1所述的部件，其中所述部件的堆叠层包括主要面内轴，并且所述增强元件的阵列在所述层的平面中相对于所述主要面内轴成角度。

10.一种形成层状复合部件的方法，所述部件包括限定相对的部件表面的多个堆叠层，所述方法包括从两个所述相对的部件表面都插入增强元件，所述增强元件与所述部件表面成一角度地插入；

其中所述增强元件设置为块阵列；相邻增强元件的块阵列从相对的部件表面延伸；并且增强元件的所述块阵列形成人字形图案。

11.如权利要求10所述的方法，还包括在所述层状复合部件的叠层期间插入中间增强元件，以便所述中间增强元件延伸穿过所述部件的远离所述相对的部件表面的每个的区域。