CN103098143A - 复合材料、包含复合材料的结构元件、飞机翼梁及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

本文公开了复合材料、包含复合材料的结构元件、飞机翼梁及其生产方法。本发明的一些实施方案包括复合材料，该复合材料包含被非金属材料层分隔开的金属主体的阵列的多个层，其中一些金属层中的金属主体的定向与相邻金属层中的金属层的定向在结构上相补充。本发明的其它实施方案包括包含复合材料的结构元件，例如飞机翼梁。

Description

复合材料、包含复合材料的结构元件、飞机翼梁及其生产方法
优先权要求
本申请要求来自于以下美国专利申请的优先权：
由本发明的发明者于2010年7月11日提交的题为“A CompositeMaterial，A Structural Element Comprised of the Composite Material，AnAirplane Wing Spar and Their Methods of Production(复合材料、包含复合材料的结构元件、飞机翼梁及其生产方法)”的第12/833985号美国专利申请，且该美国专利申请据此通过引用的方式以其整体并入本说明书中。
第12/833985号美国专利申请号是由本发明的发明者在2009年10月1日提交的题为“Armor Plate and Method of Producing Same(装甲板及其生产方法)”的第12/571832号美国专利申请的部分继续申请，且第12/571832号美国专利申请据此通过引用的方式以其整体并入本说明书中。
发明领域
本发明大体上涉及复合材料的领域。更具体地，本发明涉及复合材料、包含复合材料的结构元件、飞机翼梁(airplane wing spar)及其生产方法。
发明背景
复合材料(或简称为复合物)是由具有显著不同的物理或化学性质的在完成结构内的宏观水平上保持分离和有区别的两个或更多的组成材料制成的工程材料。
木材是以木质素的基质形式的纤维素纤维的天然复合物。最原始的人造复合材料是被结合以形成用于建造建筑物的砖的稻草和泥浆；圣经《出埃及记》讲到以色列人受法老的压迫，被迫在没有稻草提供的情况下制造砖。古代制砖过程仍然可以在大都会艺术博物馆的埃及墓绘画上看到。最先进的例子通常在苛刻环境中的航天器上实施。最明显的应用是以钢和聚合增强波特兰水泥或沥青混凝土的形式铺筑我们的道路。最接近于我们个人卫生的那些复合物形成了我们的由玻璃纤维制成的淋浴间和浴缸。固体表面，仿制花岗岩和讲究的大理石水槽和台面被广泛使用来提高我们的生活体验。
复合物由被称为构成材料的独特材料制成。存在两类构成材料：基质和加固物。每种类型的至少一个部分是必需的。基质材料通过保持其相对位置来围绕并支撑加固材料。加固物给予其特殊的机械和物理性能来提高基质性能。协同作用产生无法从单独的构成材料得到的材料性能，而各种各样的基质和加强材料允许产品或结构的设计师选择最佳的组合。
复合材料的物理性能实质上通常不是各向同性的(独立于所施加的力的方向)的性质，而是典型的正交各向异性的(依赖于所施加的力或负载的方向而不同)。例如，复合面板的刚度将经常会取决于所施加的力和/或力矩的定向。面板刚度还依赖于面板的设计。此外，一些复合物是易碎的，并具有超过失效的最初开始的小的保持强度。易碎的陶瓷基质复合物的最有名失效发生在哥伦比亚号航天飞机的机翼的前缘上的碳-碳复合瓦片(carbon-carbon composite tile)由于在起飞期间中被冲击而断裂时。当交通工具在2003年2月1日重新进入地球大气层时，这导致了交通工具的灾难性崩裂。更近地，其它航空灾害也被关联到这些问题。因此，将合意的是，为这些实现类型提供更耐用且或许，更具有各向同性的复合材料。
发明概述
本发明是复合材料、由复合材料构成的结构元件、由复合材料构成的飞机翼梁及其生产方法。根据本发明的一些实施方案，复合材料可由多个金属层构成，金属层由被一个或多个非金属层隔开的金属主体的阵列构成，非金属层包括非金属材料的一个或多个层片(ply)，例如聚合物织物。根据本发明的另外的实施方案，一些金属层中的金属主体可以以在结构上补充金属主体在其它金属层中的一些中的定向的定向来布置，例如，以大体垂直的定向。
根据本发明的另外的实施方案，可以提供结构元件，例如飞机翼梁[如图2中所示]、平台地板(deck floor)，机身部分、机腹(bally)、舱壁、直升机部分等，以及用于制造相同物的方法。结构元件可以包含多个金属层，每个金属层包含金属主体的阵列，其中金属层可以被非金属层分开，每个非金属层由诸如聚合物织物的非金属材料的一个或多个层片构成。根据本发明的另外的实施方案，在一些金属层中的金属主体可以以在结构上补充一些其他金属层中的金属主体的定向的定向来布置，例如，以大体上垂直的定向。对于本发明的不同应用来说，不同的相对定向可能是最佳的。
附图简述
被视为本发明的主题被特别地指出并在本说明书的结论部分中清楚地要求保护。然而，通过在阅读附图时参照下面的详细描述，既关于操作结构又关于操作方法的本发明连同其目的、特征及优点可以被最好地理解，在附图中：
图1是根据本发明的一些实施方案的示例性的切穿中心的复合材料的图解。
图2是根据本发明的一些实施方案的具有10米的长度的示例性飞机翼梁的图解。
图2A是根据本发明的一些实施方案的与相应的侧翼对齐的示例性基础框架的图解，其中示出了侧翼的层。
图2B是根据本发明的一些实施方案的在图2A中所示出的示例性基础框架的部分D的示例性细节的图解。
图2C是根据本发明的一些实施方案的在图2A中示出的示例性基础框架的部分E的示例性细节的图解。
图3是全部根据本发明的一些实施方案的在图2中示出的位于A-A和S1-S1之间并在Z轴方向上扩展的示例性飞机翼梁的1.5米部分的图解，其中顶板和底板显示为从基本框架和侧翼分开。
图4是根据本发明的一些实施方案的用于在Z轴方向上扩展的飞机翼梁的示例性复合材料或板的层的图解。
图5是全部根据本发明的一些实施方案的在图2中示出的示例性飞机翼梁的S1-S1横截面的图解，示出了示例性网状物和示例性顶板和底板之间使用插入的示范性填充楔形物的接合。
图6是根据本发明的一些实施方案的飞机翼梁的示例性基础框架和侧部侧翼的图解。
图7是根据本发明的一些实施方案的示例性左侧翼的层的图解。
图8是根据本发明的一些实施方案的示例性右侧翼的层的图解。
图9是根据本发明的一些实施方案的示例性基础框架的图解。
图10、11和11A是全部根据本发明的一些实施方案的被非金属材料围绕的示例性金属主体和用非金属材料围绕金属主体的示例性方法的图解。
图12是根据本发明的一些实施方案的示例性的填充楔形物的图解。
图13是根据本发明的一些实施方案的用于填充楔形物的示例性的位置(标记为G)的图解。
图14是根据本发明的一些实施方案的包括填充楔形物的示例性基础框架和侧部侧翼的图解。
将领会，为了图解的简单和清楚，在图中示出的元件没有必要按比例绘制。例如，为清楚起见，一些元件的尺寸可以被相对于其它元件夸大。另外，在被认为适当的位置，参考数字可以在图中重复，以指示相应或类似的元件。
应理解，附图被单独地提出以说明以下的详细描述，并且因此本质上为示例性的，且不包括本发明的所有可能的变更。
详细描述
在下面的详细描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下执行。在其它示例中，众所周知的方法、过程、部件和电路未被详细地描述，以便不混淆本发明。
在下面的详细描述中，参照显示在括号中的数字。除了段号之外，括号中出现的数字或字母，例如[500]，应被理解为通过在括号中出现的相同数字或字母来参照在图内标记的元件。
本发明是复合材料、由复合材料构成的结构元件、由复合材料构成的飞机翼梁及其生产方法。根据本发明的一些实施方案，可以提供由彼此固定的相异材料和构型的层构成的复合材料，以及生产该复合材料的方法。复合材料可包括由被一个或多个非金属层分开的长方形(oblong)金属主体的阵列构成的多个金属层，所述一个或多个非金属层包括一个或多个诸如聚合物织物的非金属材料的层片。根据本发明的另外的实施方案，一些金属层中的金属主体可以以在结构上补充金属主体在其他金属层中的定向的定向来布置，例如，以大体上垂直的定向。结构上补充即增加其结构完整性和/或结构强度，例如，增加结构的承受压力或冲击的能力或使得结构具有各向同性的性能。根据本发明的还有的另外的实施方案，一些金属层可以与一个或多个其它的金属层互连，例如，使用一个或多个跨层结构或使用现今已知或可以待在未来发明的任何其它互连结构或技术来互连。
根据本发明的一些实施方案，可以设置包含被布置为大体上与彼此[5]平行的金属主体[5](例如金属杆、条)的阵列的第一金属层[9]。金属主体的阵列可以通过一个或多个金属互连结构，例如单独的辅助的水平或垂直的金属连接器[8]来互连，和/或通过任何其它合适的装置来互连。根据本发明的一些实施方案，第一金属层内的金属主体可以由具有1140MPA或更大的抗拉强度的任何金属，例如合金钢、钛合金或不锈钢构造。根据本发明的一些实施方案，金属主体在形状上可以是笔直且细长的[如在图1和4中所示]，并可以以一定距离彼此间隔开。可选地，间隔距离可以等于或大于金属主体中的一个的宽度。根据本发明的另外的实施方案，阵列内的金属主体中的一些或全部可以被诸如聚合物织物的非金属材料单独地包围[如图10、11和11A中所示]，例如，被诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。被缠绕的金属主体的边缘可以成形为有助于缠绕，例如，具有波状或锯齿状边缘。根据本发明的还有的另外的实施方案，阵列内的金属主体之间的间距也可以由填充材料[6]，例如聚合物织物、聚合物织物带，和/或现今已知或待在未来发明的任何功能上相似的材料来填充[如图4和14所示]。
根据本发明的另外的实施方案，可以提供可能具有与第一金属层[9]相同的尺寸并包含金属主体[5a]的阵列的第二金属层[9a]，其中第二层金属主体可以被布置成大体上彼此平行，但相对于第一层的金属主体[5]在非平行的定向中，例如在垂直的定向中。第二金属层内的金属主体的阵列可以通过一个或多个金属互连结构，例如单独辅助的水平或垂直的金属连接器[8]来互连，和/或通过任何其它合适的装置来互连。根据本发明的一些实施方案，第二金属层内的金属主体可以由具有约1140MPA或更大的拉伸强度的任何金属，例如合金钢、钛合金或不锈钢构成。根据本发明的一些实施方案，金属主体在形状上可以是笔直且细长的[如图1和4中所示]，并可以以一定距离彼此间隔开。可选地，间隔距离可以等于或大于金属主体中的一个的宽度。根据本发明的一些实施方案，第二金属层中的金属主体的间距可以是不同的，或与第一金属层中的金属主体的间隔基本相等。根据本发明的另外的实施方案，阵列内的金属主体中的一些或全部可被诸如聚合物织物的非金属材料单独地包围[如图10+11+11A中所示]，例如，被诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。被缠绕的金属主体的边缘可以成形为有助于缠绕，例如，具有波状或锯齿状边缘绕。根据本发明的另外的实施方案，阵列内的金属主体之间的间距也可以由填充材料[6]，例如聚合物织物片、聚合物织物带，和/或现今已知或待在未来发明的任何功能上相似的材料来填充[如图4和14示出]。第二金属层[9a]的金属主体可以以与第一金属层[9]中的金属主体的定向在结构上相补充的定向来布置，例如，第一金属层[5]的金属主体可以相对于第二金属层[5a]的金属主体是垂直的。
根据本发明的一些实施方案，邻接的非金属层[7]可被设置为包含非金属材料的一个或多个层片，该非金属材料比如聚合物织物，例如碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维，芳族聚酰胺(凯夫拉尔)等。根据本发明的另外的实施方案，邻接的非金属层内的非金属材料的层片可以按一定的定向来布置，所述定向在结构上补充邻接的非金属层内的非金属材料的其它层片的定向，例如在大体上垂直的定向。邻接的非金属层[7]可位于第一金属层[9]和第二金属层[9a]之间，并可选地，可以具有与金属层相同的尺寸，以使金属层之间的整个空间被非金属层填充[如在图4中所示]。
根据本发明的另外的实施方案，可以设置与包括第一金属层和第二金属层以及二者之间的邻接非金属层的层系列大体上相同的一个或多个层系列。该一个或多个层系列可以依次相叠地定位，其中具有与邻接非金属层大体上相同或类似的性能的非金属层位于每个层系列之间。因此，根据本发明的一些实施方案，可设置一系列交替层-金属和非金属，其中每个金属层通过非金属层与下一个金属层分隔开，并包含布置在与相邻金属层中的金属主体的定向在结构上相补充的定向中的金属主体，例如，每个金属层内的金属主体相对于相邻金属层内的金属主体可以是垂直的。
根据本发明的另外的实施方案，系列内的一些金属层可包含具有与包含系列中的其他金属层的金属主体不同的宽度/高度/长度的金属主体。因此，系列内的一些金属层可以具有与系列中的其它金属层不同的宽度/高度/长度。
根据本发明的还有的另外的实施方案，另外的非金属层[3和4]与邻接非金属层本质上相同或具有相似的性能，该邻接非金属层可位于系列中的顶部金属层的顶部表面上、该系列的底部金属层的底部表面上和/或顶部表面和底部表面二者上。可选地，该另外的非金属层可具有与其它层相同的尺寸，以使该系列的整个顶面，该系列的底面和/或顶面和底面二者都由非金属层覆盖[如图1和4中所示]。
根据本发明的一些实施方案，层可通过树脂传递模塑(在此“RTM”)、通过真空辅助树脂传递模塑(在此“VARTM”)和/或通过现今已知或待在未来被发明的任何其它的固定技术和/或互连结构而固定到彼此。根据本发明的另外的实施方案，在所有层的最终固定之前和准备中，一些层可以通过压力、通过加热、通过压力和加热、通过缝合、通过订书钉、通过粘合材料(其可被预先浸渍到非金属层中)、通过诸如用穿过层的一个或多个跨层结构(cross-layer structure)的互连结构、通过Z型钉扎(Z-pinning)和/或通过现今已知或待在未来发明的任何其它的固定/附接/连接技术和/或互连结构来固定/附接/连接到彼此以形成预成型件。根据本发明的一些实施方案，一旦所有的层都被固定，层的系列就可以构成多层不同材料的复合材料。
根据本发明的另外的实施方案，包括复合材料的层可预制有适应部，该适应部被设计成允许由复合材料制造的结构连接到外部部件和/或其它结构，例如孔、旋钮、槽等。
根据本发明的还有的另外的实施方案，一些金属层中的金属主体可以被布置和连接成使得其也可以作用为根据预先计划的配电方案来从一个点到另一个点传导电流、信号和/或数字数据。因此，由所描述的复合材料构成的结构可以被制造成实际上包含利用材料内的金属主体的植入电路。
应理解，整个材料内的金属主体不必是均匀的，即不同材料层内的金属主体可在尺寸和构成上彼此不同。因此，材料内的不同金属层可在尺寸和构成上彼此不同。例如，一些金属层可以包含比其他的金属层薄的金属主体(即具有较小的高度)，使得这些层比其它层薄。通过具有更宽或更大数量的金属主体等，一些金属层可比其它金属层更密集。显然，通过改变材料内的不同金属层的构成，中在所产生的复合材料可实现不同的性能。
根据本发明的还有的另外的实施方案，复合材料的每个金属层内的金属主体在形状上可以是不均匀的，例如，可以是向一侧逐渐变细的。因此，本发明的一些另外的实施方案中的一些金属层在形状上可以是不均匀的，例如可以是在一侧上较薄的。因此，在这样的实施方案中，可以生产具有不同形状的复合材料。例如，包含在一侧上较薄的一个或多个金属层的复合材料可具有圆锥形状。
示例性实施方案
下面是对本发明的一些具体的示例性实现的描述。本发明的这些以下的具体示例性实施方案被介绍以进一步阐明本发明及其原理的可能实现，并且同样地，不应该被理解为以任何方式来包围本发明的全部范围。对于本领域的任何一个普通技术人员来说，应当清楚的是，本发明的许多其它的实现是可能的。
根据本发明的一些实施方案，可以提供由复合材料构成的结构元件(例如飞机翼梁[如在图2中所示]、平台地板、机身部分，机腹，舱壁等，直升机旋翼叶片，船或交通工具的部分，或任何其他的结构元件)以及生产相同物的方法。结构元件可以包含多个金属层，每个金属层包含金属主体的阵列，其中金属层可以被非金属层分隔开，每个非金属层包含非金属材料，诸如聚合物织物的非金属材料的一个或多个层片。根据本发明的另外的实施方案，一些金属层中的金属主体可以被布置在结构上补充其它金属层中的金属主体的定向的定向中，例如，在本质上垂直的定向中。
现在参照图1-14，其示出了根据本发明的一些实施方案的可以包括由复合材料构成的飞机翼梁的元件及其布置：
基础框架
根据本发明的一些实施方案，可以提供由金属长方形杆的阵列构成的预成形金属框架[在图9中示出并在其它图中标记为100](根据本发明的一些实施方案，金属杆＝金属主体的形式)。金属杆可以由具有约1140MPa或更大的抗拉强度的任何金属，例如合金钢、钛合金或不锈钢来构建。根据本发明的另外的实施方案，金属可以在硬化前被布置在框架形式中来生成预形成金属框架。
根据本发明的一些实施方案，金属框架[100]可以具有类似于“I”形梁的形状，并且可以由垂直地(可能平行)布置的金属杆构成，具有在顶部[110]和底部[120]上向外弯曲的杆，其中每个相邻向外弯曲的杆可以在180°方向上弯曲到下一个杆[如在图9中所示]，以形成具有“I”形横截面的长形翼梁框架结构。垂直杆可以通过具有与垂直杆相似的构成的水平杆[775]互连，该水平杆可沿框架结构的长度延伸[如在图9中示出]。根据本发明的一些实施方案，阵列内的金属杆之间的间隔可以用填充材料[6]来填充，填充材料[6]例如，聚合物织物片、聚合物织物带和/或现今已知或待在未来发明的任何功能相似的材料[如在图4和14中示出的]。根据本发明的另外的实施方案，基础框架内的一些或全部的垂直和/或水平的杆可以由诸如[如在图10和11和11A中示出的]聚合物织物的非金属材料单独地包围，例如由诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。被缠绕的杆的边缘可被成形为有助于缠绕，例如具有波状或锯齿状边缘。根据本发明的另外的实施方案，金属框架在一端上可以比另一端高[如在图2A、2B和2C中示出(细节D和E)]，使得相比于[在图2和2A中示出的]其它平面，框架的一个表面的平面在长度方向上是斜的，例如，框架的顶部表面的平面可以相对于底部表面的平面在长度方向上以2°的角度倾斜。此外，金属框架可以在一侧上比另一侧高，使得相比于[在图5中示出的]其它平面，框架的一个表面的平面在横截面的方向上是斜的。例如框架的顶部表面的平面可以相对于底部表面的平面在横向的横截面方向上以10°的角度倾斜。
侧部侧翼
现在参照图6和7，根据本发明的一些实施方案，可以提供具有“U”形横截面的左预形成的长形梁结构[290](左侧翼)。所述结构可以包括交替的金属层和非金属层的多个层[如在图7中示出]，并可被制造有倾斜的顶部凸缘(张开宽度的趋势)，以在上述的基础框架的左侧(张开宽度侧)内紧密地配合[如在图2A、6和7中所示]。根据本发明的一些实施方案，梁结构的第一金属层[291]可由第一长方形金属杆[295]的阵列来构建并通过第二金属杆[294]来互连，第一长方形金属杆[295]布置成在结构上补充基础框架[130]的金属杆，例如沿该结构的长度本质上平行，第二金属杆[294]被布置为本质上彼此平行并本质上垂直于第一金属杆[如图7中所示]。第二金属杆可在端部处被弯曲，以形成左梁状结构的“U”形横截面，如在图7中所示。所有的水平和垂直的金属杆可以由具有约1140Mpa或更大的抗拉强度的任何金属，例如合金钢、钛合金或不锈钢来构建。根据本发明另外的实施方案，金属可以在被硬化之前以端部形式来布置。根据本发明的一些实施方案，阵列内的金属杆[294和295]之间的间隔可用填充材料[6]来填充，填充材料[6]例如，聚合物织物片、聚合物织物带和/或现今已知或待在未来发明的任何功能类似的材料[如在图4和14中示出的]。根据本发明的另外的实施方案，基础框架内的一些或所有的垂直和/或水平的杆可以由诸如[如在图10和11和11A中示出的]聚合物织物的非金属材料单独地包围，例如由诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。被缠绕的杆的边缘可被成形为有助于缠绕，例如具有波状或锯齿状边缘。根据本发明的一些实施方案，第一金属层[291]可在两侧上由非金属层[292和293]覆盖，每个非金属层[292和293]由非金属材料的一个或多个层片构成，该非金属材料比如聚合物织物，例如碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维、芳族聚酰胺(凯夫拉尔)等。根据本发明的另外的实施方案，非金属层内的非金属材料的层片可被布置在结构上补充同一非金属层内的非金属材料的其它层片的定向的定向中，例如，在本质上垂直的定向中。金属层和非金属层可通过将整个层系列按压到一起、通过缝合、通过订书钉、通过粘合材料(其可被预先浸渍到非金属层中)、通过加热、通过诸如用穿过层的一个或多个跨层结构的互连结构、通过Z型钉扎和/或用现今已知或待在未来发明的任何其它的互连结构或技术来固定到彼此。一旦被附接，所描述的层的系列就可以形成左预形成梁状结构[290]。根据本发明的一些实施方案，左梁状结构的平面可以被制造成对应于旨在对应的基础框架[100]的左侧的相应角度。
现在参照图6和8。根据本发明的一些实施方案，可提供具有“U”形横截面[250]的右预形成长形梁状结构(右侧翼)。右梁状结构在构成和布置上可以与左侧翼本质上相同，并可以在形状上本质上反映左侧翼，区别在于，其可在形状上对应于基础框架[100]的相对侧(右侧)。
右侧翼结构可由交替的金属层和非金属层的多个层构成[如图8中所示]，并可被制造有倾斜的顶部凸缘(闭合狭窄的趋势)，以便紧密地配合在上述基础框架的右侧(闭合狭窄侧)内[如图2A、6和8中所示]。根据本发明的一些实施方案，右梁状结构的第一金属层[251]可由第一长方形金属杆[255]的阵列来构建并通过第二金属杆[254]来互连，第一长方形金属杆[255]被布置成在结构上补充基础框架[130]的金属杆，如沿该结构的长度本质上平行，第二金属杆[254]被布置为本质上彼此平行并本质上垂直于第一金属杆[如图8中所示]。第二金属杆可在端部处被弯曲，以形成左梁状结构的“U”形横截面，如在图8中所示。所有的水平和垂直的金属杆可由具有约1140MPa或更大的抗拉强度的任何金属，例如合金钢、钛合金或不锈钢来构建。根据本发明的另外的实施方案，金属可以在被硬化之前以端部形式来布置。根据本发明的一些实施方案，阵列内的金属杆[254和255]之间的间隔可使用填充材料[6]来填充，填充材料[6]例如，聚合物织物片、聚合物织物带和/或现今已知或待在未来发明的任何功能上相似的材料[如图4和14中所示出的]。根据本发明的另外的实施方案，基础框架内的一些或所有的垂直或水平的杆可以由诸如[如图10和11和11A中所示出的]聚合物织物的非金属材料单独地包围，例如由诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。缠绕的金属主体的边缘可以被成形为有助于缠绕，例如具有波状或锯齿状边缘。根据本发明的一些实施方案，第一金属层[251]可在两侧上由非金属层[252和253]覆盖，每个非金属层[252和253]由非金属材料的一个或多个层片构成，该非金属材料比如聚合物织物，例如碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维、芳族聚酰胺(凯夫拉尔)等。根据本发明的另外的实施方案，非金属层内的非金属材料的层片可被布置在结构上补充同一非金属层内的非金属材料的其它层片的定向的定向中，例如，在本质上垂直的定向中。金属层和非金属层可通过将整个系列的层按压到一起、通过缝合、通过订书钉、通过粘合材料(其可被预先浸渍到非金属层中)、通过加热、通过诸如用穿过层的一个或多个跨层结构的互连结构、通过Z型钉扎和/或使用现今已知或待在未来发明的任何其它的互连结构或技术来固定到彼此。一旦被附接，所描述的层的系列就可以形成右预形成梁状结构-右侧翼[290]。根据本发明的一些实施方案，右侧翼的平面可以被制造成对应于旨在对应的基础框架[100]的右侧的相应角度。
填充楔形物
现在参照图5和12-14。根据本发明的一些实施方案，可以提供楔形结构[21][图12]。楔形结构可以由聚合物串或纤维或类似物质的预成形铸件制造，或可以用诸如环氧树脂的粘合材料来预浸渍并可成形为配合到存在于基础框架的顶部和底部的中心的空间中[如图14中所示]，其中基础框架的金属主体向外弯曲[在图13中以G示出]。根据本发明的另外的实施方案，楔形结构可包括预制槽，以允许空间被金属主体其自身[23]占用，允许楔形结构被紧密地配合到指定的空间中，例如以在“I”形框架的顶部或底部上生成平坦的表面。
顶板和底板
根据本发明的一些实施方案，可提供匹配基础框架的顶部表面和底部表面的尺寸的预形成长形板[350和450]。该板可以由被布置为结构上相互补充的金属层和非金属层的多个层构成。现在参照图4，其示出了根据本发明的一些实施方案的包括板的层的构成和布置。
根据本发明的一些实施方案，可以提供板的第一金属层，其可以在尺寸上相应于基础框架的顶部表面，并且可以由金属主体[5]的阵列构成，金属主体[5]例如被布置为本质上彼此平行的杆[如图4中所示]。金属主体的阵列可以通过诸如单独的辅助水平或垂直的金属连接器[8]的一个或多个金属互连结构和/或通过任何其它的合适装置而互连。根据本发明的一些实施方案，第一金属层内的金属主体可以由具有约1140MPA或更大的抗拉强度的任何金属，例如合金钢、钛合金或不锈钢来构建。根据本发明的另外的实施方案，金属可以在硬化之前以端部形式来布置。根据本发明的一些实施方案，金属主体在形状上可以是笔直和长形的[如图4和6所示]，并以一定距离彼此间隔开。根据本发明的另外的实施方案，阵列内的金属主体中的一些或全部可以由诸如[如图10和11和11A中所示的]聚合物织物的非金属材料单独地包围，例如由诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。被缠绕的金属主体的边缘可以被成形为有助于缠绕，例如具有波状或锯齿状边缘)。根据本发明的还有的另外的实施方案，阵列内的金属主体之间的间距可以用填充材料[6]填充，填充材料[6]例如聚合物织物、聚合物织物带和/或现今已知或待在未来发明的任何功能上相似的材料。
根据本发明的另外的实施方案，可以提供第二金属层[9a]，其可能具有如第一金属层[9]的尺寸相同的尺寸，并由金属主体的阵列构成，其中第二层[5a]的金属主体可以被布置成本质上彼此平行，但在结构上补充第一层[5]的金属主体的定向中，例如以垂直的方式。根据本发明的一些实施方案，金属主体在形状上可以是笔直和长形的[如图4和6中所示]，并可以以一定距离彼此间隔开。根据本发明的另外的实施方案，第二金属层中的金属主体的间距可以与第一金属层中的金属主体的间距本质上相等。第二金属层内的金属主体的阵列可以由诸如单独的辅助水平或垂直的金属连接器[8]的一个或多个金属互连结构和/或通过任何其它的合适装置而互连。根据本发明的另外的实施方案，阵列内的金属主体中的一些或全部可能被诸如[如图10和11和11A中所示的]聚合物织物的非金属材料单独地包围，例如由诸如聚合物带的非金属材料条[131]缠绕。被缠绕的金属主体的边缘可以被成形成有助于缠绕，例如具有波状或锯齿状边缘。根据本发明的另外的实施方案，阵列内的金属主体之间的间距可以用填充材料[6]填充，填充材料[6]例如聚合物织物、聚合物织物带和/或现今已知或待在未来发明的任何功能上相似的材料。
根据本发明的一些实施方案，邻接非金属材料层可以被提供为由非金属材料的一个或多个层片构成，非金属材料比如聚合物织物，例如碳纤维、玻璃纤维、石墨纤维、芳族聚酰胺(凯夫拉尔)等。根据本发明的另外的实施方案，邻接非金属层内的非金属材料的层片可以被布置在结构上补充该邻接非金属层内的非金属材料的其它层片的定向的定向中，例如在本质上垂直的定向中。该邻接非金属层可位于第一金属层和第二金属层之间，且可选地，可以具有与金属层的尺寸相同的尺寸，以使金属层之间的整个空间由邻接非金属层来填充。
根据本发明的另外的实施方案，可以提供与包括第一金属层和第二金属层以及在其之间的邻接非金属层的层系列本质上相同的一个或多个层系列。一个或多个层系列可以依次相叠地定位，其中每个层系列由与邻接非金属层本质上相同或具有类似性能的非金属层而彼此分离。因此，根据本发明的一些实施方案中，可提供一系列交替的金属层和非金属层，其中每个金属层通过非金属层与下一个金属层分隔开，并包含以与相邻金属层中的金属主体的定向在结构上相补充的定向来布置的金属主体，例如，每个金属层内的金属主体相对于相邻金属层内的金属主体可以是垂直的。
根据本发明的另外的实施方案，系列内的金属层中的一些可由具有与包含在系列中的其他金属层的金属主体不同的宽度/高度/长度的金属主体构成。因此，系列内的金属层中的一些可以具有与系列中的其它金属层不同的宽度/高度/长度。
根据本发明的还有的另外的实施方案，与邻接非金属层本质上相同或具有相似性能的另外的非金属层可位于系列中的顶部金属层的顶部表面上、系列的底部金属层的底部表面上和/或顶部表面和底部表面二者上。可选地，另外的非金属层可具有与其它层的尺寸相同的尺寸，以使系列的整个顶面、系列的底面和/或二者都被非金属层覆盖。
根据本发明的一些实施方案，层可通过将整个系列的层按压到一起、通过缝合、通过订书钉、通过粘合材料(其可被预先浸渍到非金属层中)、通过加热、通过诸如用穿过层的一个或多个跨层结构的互连结构、通过Z型钉扎和/或通过现今天已知或待在未来发明的任何其它的互连结构或技术来被固定到彼此。一旦被固定，层的系列就可以构成匹配金属框架的顶部表面或底部表面的尺寸的预形成长形板[350和450]。
应理解，整个结构内的金属主体不必是均匀的，即在结构的每个部分的不同层内和结构的不同部分中的金属主体在尺寸和构成上可彼此不同。因此，结构的每个部分内和结构的不同部分中的不同金属层在尺寸和构成上可彼此不同。
制造方法
根据本发明的另外的实施方案，为了构建所需的翼梁结构，以上描述的元件可以被分别地预先制造。然后，可以附接预形成元件，其中两个侧部侧翼[290和250]可以在框架的侧部上被固定到基础框架，侧翼[290和250]被设计和/或制造成对应于该侧部。基础框架与侧部侧翼一起可以被首先固定到彼此以生成预形成物[200]。顶部板和底部板[350+450]然后可以被固定到预形成物[200]的顶部和底部，其中如上所述地制造的填充楔形物[21]被插入并固定在其预期用于的空间内。所述固定可通过压力、通过缝合、通过订书钉、通过合接材料(其可被预先浸渍到非金属层中)、通过加热、通过诸如用穿过层的一个或多个跨层结构的互连结构，通过Z型钉扎和/或用现今已知或待在未来发明的任何其它的互联结构或技术来完成。
一旦该元件被附接在最终结构中，整个结构就可以经受RTM和/或VARTM过程以将该元件永久地固定到彼此并生成完成的飞机翼梁结构。
根据本发明的还有的另外的实施方案，包括翼梁的结构可以被预先制造有适应部，该适应部被设计成允许翼梁连接到外部部件和/或其它结构，例如孔、旋钮、槽等。此外，根据本发明的还有的另外的实施方案，包含在整个翼梁的一些金属层内的金属主体可以被布置和连接成使得其也可以作用为根据预先计划的配电方案从一个点向另一个点传导电流、信号和/或数字数据。因此，实际上，翼梁可以被构造成包含利用被包含在材料内的金属主体的植入电路。
本领域的普通技术人员应理解，按照本发明的原理，分立元件的上述组合是可能制造飞机翼梁或任何其他的所需结构元件的多个可能的元件组合中的一种。
本领域的技术人员还应理解，被描述为由系统的特定部件完成的功能中的一些可由在本发明的其他实施方案中的系统的不同部件来完成。
本发明可以通过采用常规的工具、方法学和部件来实施。因此，任何这样的工具、部件和方法学的细节未在本文中详细地阐述。在前面的描述中，阐述了多个具体细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，应认识到，本发明可以被实施而不依靠具体地阐述的细节。
在对本发明的实施方案的描述和权利要求中，词语“包括(comprise)”、“包括(include)”和“具有”中的每个及其形式不必被限制于在可被关联的词语的列表中的成员。
在本公开内容中显示和描述了本发明的示例性实施方案以及其通用性的少数示例。应理解，本发明能够在各种其他的组合和环境中使用，并且能够在如本文所表达的发明构思的范围内变化或修改。
虽然已经在本文中阐示和描述本发明的某些特征，但是对于本领域的技术人员来说，现在将出现许多修改、替换、变化和等同情况。因此，应理解，所附的权利要求旨在覆盖如落入本发明的真正精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (22)

1.一种复合材料，包括：
长方形金属主体的阵列，其中所述金属主体为至少0.3毫米(mm.)厚，至少2mm宽和至少10mm长；和
非金属材料。
2.根据权利要求1所述的材料，还包括：
第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层中的每一个由所述长方形金属主体的阵列构成，其中所述第二金属层中的一个或多个所述金属主体的定向与所述第一金属层中的一个或多个所述金属主体的定向在结构上相补充；以及
位于所述第一金属层和所述第二金属层之间的非金属层。
3.根据权利要求2所述的材料，其中所述第二金属层中的一个或多个所述金属主体的定向大体上垂直于所述第一金属层中的一个或多个所述金属主体的定向。
4.根据权利要求1所述的材料，其中所述金属主体由具有1140MPa或更高的抗拉强度的金属构成。
5.根据权利要求1所述的材料，其中一个或多个所述金属主体被非金属材料单独地包围。
6.根据权利要求1所述的材料，其中所述非金属材料是从由以下材料组成的材料组中选择的材料：
a.聚合物织物；
b.碳纤维；
c.石墨纤维；和
d.玻璃纤维。
7.根据权利要求1所述的材料，其中两个或更多个所述金属主体之间的空间用非金属材料填充。
8.根据权利要求1所述的材料，其中一个或多个所述金属主体被布置和连接成使得其形成预先计划的电路。
9.一种结构元件，包括：
第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层中的每一个由长方形金属主体的阵列构成，其中所述第二金属层中的一个或多个所述金属主体的定向与所述第一金属层中的一个或多个所述金属主体的定向在结构上相补充；和
非金属层，其位于所述第一金属层和所述第二金属层之间。
10.根据权利要求9所述的结构元件，其中所述第二金属层中的一个或多个所述金属主体的定向大体上垂直于所述第一金属层中的一个或多个所述金属主体的定向。
11.根据权利要求9所述的结构元件，其中所述金属主体由具有1140MPa或更高的抗拉强度的金属构成。
12.根据权利要求9所述的结构元件，其中一个或多个所述金属主体被非金属材料单独地包围。
13.根据权利要求9所述的结构元件，其中所述非金属层包括从由以下材料组成的材料组中选择的材料：
a.聚合物织物；
b.碳纤维；
c.石墨纤维；和
d.玻璃纤维。
14.根据权利要求9所述的结构元件，其中所述金属主体中的两个或更多个金属主体之间的空间用非金属材料填充。
15.根据权利要求9所述的结构元件，其中一个或多个所述金属主体被布置和连接成使得其形成预先计划的电路。
16.一种飞机翼梁，包括：
第一金属层和第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层中的每一个由长方形金属主体的阵列构成，其中所述第二金属层中的一个或多个所述金属主体的定向与所述第一金属层中的一个或多个所述金属主体的定向在结构上相补充；和
非金属层，其位于所述第一金属层和所述第二金属层之间。
17.根据权利要求16所述的飞机翼梁，其中所述第二金属层中的一个或多个所述金属主体的定向大体上垂直于所述第一金属层中的一个或多个所述金属主体的定向。
18.根据权利要求16所述的飞机翼梁，其中所述金属主体由具有1140MPa或更高的抗拉强度的金属构成。
19.根据权利要求16所述的飞机翼梁，其中一个或多个所述金属主体被非金属材料单独地包围。
20.根据权利要求16所述的飞机翼梁，其中所述非金属层包括从由以下材料组成的材料组中选择的材料：
a.聚合物织物；
b.碳纤维；
c.石墨纤维；和
d.玻璃纤维。
21.根据权利要求16所述的飞机翼梁，其中两个或更多个所述金属主体之间的空间用非金属材料填充。
22.根据权利要求16所述的飞机翼梁，其中一个或多个所述金属主体被布置并连接成使得其形成预先计划的电路。
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