CN103203905A - 纤维复合材料组件及制造纤维复合材料组件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纤维复合材料组件和制造纤维复合材料组件的方法。所述纤维复合材料组件包括具有第一纤维的第一复合材料层和具有第二层的第二复合材料层。所述第一纤维包括螺旋部分，且所述第二纤维延伸至所述第一纤维的螺旋部分内。一种制造纤维复合材料组件的方法包括拉伸卷绕的纤维预成型体以形成螺旋纤维，或者将第一纤维设置于第一复合材料层中，并将第二纤维设置于第二复合材料层中。

Description

纤维复合材料组件及制造纤维复合材料组件的方法
技术领域
本发明涉及制造方法和制得的产品。更具体地，本发明涉及纤维复合材料组件和制造纤维复合材料组件的方法。
背景技术
复合材料组件始终经受更复杂的环境。例如，复合材料组件形成经受大的温度范围、高应力和其他物理要求的产品。因此，一直需要增加这种复合材料组件的物理性质，以允许在更大范围的环境中使用。
特别地，期望的是改进复合材料组件的承载能力。由层合物层片堆叠（laminate ply stack）制成的复合材料组件在层间方向和面内纤维方向（in-plane fiber direction）上具有结构弱点。在这些方向上的剪切负载高度取决于用于形成复合材料组件的基体（matrix）的强度。
特定基体材料的使用允许复合材料组件的一定改进。然而，这种基体材料可能昂贵、可能不可获得和/或可能与某些环境不相容。另外地或者可选择地，也可使用与其他材料（如金属丝）结合的特定的一种或多种纤维。例如，已知的复合材料飞轮辋包括其中掺入纤维的螺旋复合材料组件。所述纤维在形成螺旋复合材料的晶格中排列，但本身不成螺旋，因此其不包括由螺旋纤维提供的物理性质。
另一已知的复合材料包括纤维增强的复合树脂。所述树脂包括多个层片，每个层片具有多个伸长纤维。然而，所述伸长纤维不是螺旋纤维，因此不包括由螺旋纤维提供的物理性质。螺旋纤维包括盘绕至中心部分中的纤维的平面几何排列。已知的螺旋纤维体系也遭受缺陷。已知的螺旋纤维体系可能需要使用大量的纤维材料以形成螺旋多层纤维。
本领域期望的是不遭受如上缺陷的纤维复合材料组件和制造纤维复合材料组件的方法。
发明内容
在一个示例性实施例中，一种制造纤维复合材料组件的方法包括提供卷绕的纤维预成型体，以及拉伸所述卷绕的纤维预成型体以形成螺旋纤维。
在另一示例性实施例中，一种制造纤维复合材料组件的方法包括在第一复合材料层中设置第一纤维，并在第二复合材料层中设置第二纤维。所述第一纤维包括螺旋部分，且所述第二纤维延伸至所述第一纤维的螺旋部分内。
在另一示例性实施例中，一种纤维复合材料组件包括具有第一纤维的第一复合材料层和具有第二层的第二复合材料层。所述第一纤维包括螺旋部分，且所述第二纤维延伸至所述第一纤维的螺旋部分内。
根据与以举例的方式说明本发明的原理的附图并结合的如下优选实施例的更详细的描述，本发明的其他特征和优点将显而易见。
附图说明
图1显示了根据本发明的实施例形成伸长螺旋纤维的方法的示意图。
图2显示了根据本发明的具有方形螺旋几何形状的螺旋纤维的透视图。
图3显示了根据本发明的具有三角形螺旋几何形状的螺旋纤维的透视图。
图4显示了根据本发明的具有五边形螺旋几何形状的螺旋纤维的透视图。
图5显示了根据本发明的具有六边形螺旋几何形状的螺旋纤维的透视图。
图6显示了根据本发明的具有七边形螺旋几何形状的螺旋纤维的透视图。
图7显示了根据本发明的具有八边形螺旋几何形状的螺旋纤维的透视图。
图8显示了根据本发明的形成纤维复合材料组件的一个示例性方法的示意图。
图9显示了根据本发明的形成纤维复合材料组件的一个示例性方法的示意图。
图10显示了根据本发明的螺旋纤维的透视图。
只要有可能，将在所有附图中使用相同的附图标记以表示相同的部件。
具体实施方式
提供了一种纤维复合材料组件和制造纤维复合材料组件的方法。本发明的实施例允许相比于其他已知组件在更大范围的环境中、相比于其他已知组件在更严苛（更热、更冷、更高应力或它们的组合）的环境中使用纤维复合材料组件，允许增加的结构完整性（例如，当已知组件在如层间和面内纤维方向上具有弱点时），减小提供纤维复合材料组件所需的性质时对基体性质的依赖性，允许形成具有之前不可获得的性质和/或组成的纤维，以及它们的组合。
图1显示了根据本发明的方法100。方法100包括提供纤维预成型体102（步骤101），所述纤维预成型体102通过任何合适的方法形成。纤维预成型体102为具有螺旋几何形状的卷绕的纤维预成型体。在一个实施例中，将纤维预成型体100设置于拉伸元件104上。拉伸元件104包括对应于纤维预成型体102的几何形状，例如圆柱形、椭圆柱形、方形、矩形、三角形、五边形、六边形、七边形、八边形，或任何其他合适的简单或复杂的几何形状。
在方法100中，将纤维预成型体102拉伸（步骤103）。通过拉伸纤维预成型体102（步骤103），在各纤维区域108（如螺旋部分）之间形成开放区域106。在一个实施例中，所述拉伸（步骤103）通过提供力而实现，例如通过沿着拉伸元件104在一个或两个方向上拉引纤维预成型体102的一部分或端部而实现。在一个实施例中，纤维预成型体102涂布有固化剂，以将纤维暂时以螺旋取向固定，并在随后的对准和/或设置过程中提供纤维预成型体102的支承。当被拉伸（步骤103）至预定距离时，纤维预成型体102变形，且螺旋纤维110形成（步骤105）。如图1所示，在一个实施例中，螺旋纤维110为圆形螺旋几何形状或包括圆形螺旋几何形状。在其他实施例中，螺旋纤维110为如下几何形状或包括如下几何形状：方形螺旋几何形状（参见图2）、三角形螺旋几何形状（参见图3）、五边形螺旋几何形状（参见图4）、六边形螺旋几何形状（参见图5）、七边形螺旋几何形状（参见图6）、八边形螺旋几何形状（参见图7）、任何其他合适的几何形状，或它们的任何合适的组合（例如，当使用具有对应于超过一种几何形状的不同几何形状的部分的拉伸元件104形成时）。如图10所示，在一个实施例中，例如通过将第一螺旋纤维110卷绕至第二螺旋纤维110中而将螺旋纤维110双螺旋成型。
在一个实施例中，螺旋纤维110包括简单几何形状，例如纯粹圆形螺旋几何形状和/或具有基本上相等的侧面202的几何形状（参见图2），如纯粹方形螺旋几何形状、纯粹三角形螺旋几何形状、纯粹五边形螺旋几何形状、纯粹六边形螺旋几何形状、纯粹七边形螺旋几何形状、纯粹八边形螺旋几何形状、任何其他合适的纯粹几何形状，或它们的任何合适的组合。另外地或可选择地，在一个实施例中，螺旋纤维110包括不相等的一个或多个侧面或部分，并因此为复杂几何形状。在另一实施例中，螺旋纤维110向内螺旋，例如，当使用在一端具有较宽部分且在另一端具有较窄部分的拉伸元件104成型时。
螺旋纤维110的材料为任何合适的材料。在一个实施例中，螺旋纤维110为编织纤维，所述编织纤维包括编织的一个或多个部分。在一个实施例中，螺旋纤维110为单纤维，例如，具有单个材料和/或单个材料的单个层的纤维。在一个实施例中，螺旋纤维110为多层纤维，所述多层纤维例如具有相同材料的多个层或不同材料的多个层。在一个实施例中，螺旋纤维110包括碳化硅单丝，陶瓷纤维、碳纤维、聚丙烯丝或它们的组合。
图8显示了根据本发明的方法800的实施例。示于图8的方法800与示于图1的方法100分开，或者为示于图1的方法的延续。示于图8的方法800包括将螺旋纤维110中的一个或多个设置于基体802中（步骤801）。在一个实施例中，基体802选自陶瓷材料、有机材料、金属和金属合金。基体802和螺旋纤维110作为复合材料层804排列。在一个实施例中，螺旋纤维110允许在竖直和/或水平方向上交错。在复合材料层804内在交错取向上排列螺旋纤维110提供了能够在复合材料层804与另外的层之间承受层间负载的负载路径。在一个实施例中，螺旋纤维110的设置增加了层间拉伸强度和层间剪切强度和/或提供了相比于非螺旋纤维（未显示）所提供的更大量的层间拉伸强度和层间剪切强度。
通过设置多个复合材料层804（步骤803）而继续方法800。例如，在一个实施例中，在第二复合材料层804b上设置第一复合材料层804a。在另外的实施例中，同样设置另外的复合材料层804，例如第三复合材料层804c和第四复合材料层804d。根据方法800，设置任何合适数目的复合材料层804。合适量的复合材料层804包括但不限于两个复合材料层804、三个复合材料层804、四个复合材料层804、五个复合材料层804、六个复合材料层804、十个复合材料层804、十五个复合材料层804或更多个。在一个实施例中，设置的复合材料层804在复合材料层804中的一个中包括一个或多个螺旋纤维110的纤维区域108，所述纤维区域108延伸至复合材料层804中的另一个复合材料层中的一个或多个螺旋纤维110的开放区域106中。
在设置两个或更多个复合材料层804之后，形成纤维复合材料组件806（步骤805）。在一个实施例中，纤维复合材料组件806的成型（步骤805）包括加热、压制和/或另外的固化一个或多个复合材料层804的基体802。将基体802成型（步骤805）于纤维复合材料组件806中是在设置复合材料层804（步骤803）之前部分地完成、在设置复合材料层804（步骤803）之前完全地完成、在设置复合材料层（步骤803）的过程中部分地完成、在设置复合材料层（步骤803）的过程中完全地完成、在设置复合材料层（步骤803）之后部分地完成、在设置复合材料层（步骤803）之后完全地完成，或它们的组合。
如图8所示，在一个实施例中，复合材料层804的设置（步骤803）包括将复合材料层804中的每一个取向，使得在复合材料层804中的每一个中的螺旋纤维110在相同方向上取向。在该实施例中，由复合材料层804形成的纤维复合材料组件806具有增加的层间粘附力，所述增加的层间粘附力归因于螺旋纤维110。另外，相比于具有在超过一个方向上排列的螺旋纤维110，该纤维复合材料组件806包括一定的挠性。
如图9所示，在一个实施例中，复合材料层804的设置（步骤803）包括将一个或多个复合材料层804取向，使得螺旋纤维110在多个方向上取向，例如，在第一复合材料层804e中的螺旋纤维110垂直于第二复合材料层804f中的螺旋纤维110或通常垂直于第二复合材料层804f中的螺旋纤维110。在该实施例中，由复合材料层804形成的纤维复合材料组件806具有归因于螺旋纤维110的增加的层间粘附力，并且相比于用在相同方向上取向的在复合材料层804中的每一个中的螺旋纤维110形成的纤维复合材料组件806更加刚性。
例如，在图8和9中所示的实施例中的复合材料层804的取向可用于形成具有增加的层间性质的纤维复合材料组件806。在一个实施例中，针对复合材料组件806所需用途的单向负载与螺旋纤维110的取向一致或基本上一致。这种用途包括纤维复合材料组件806形成如下的一部分或全部：燃气轮机机翼、基于航海或航空的复合材料结构体、体育设备或受益于本说明书描述的优点的其他合适的应用。另外地或可选择地，在一个实施例中，针对复合材料组件806所需用途的切向负载或第二负载与螺旋纤维110的部分（如纤维区域108的螺旋部分）一致或基本上一致，由此在复合材料层804之间分布所述负载的一部分。
尽管参照优选实施例描述了本发明，但本领域技术人员应了解，在不偏离本发明范围的情况下，可进行各种改变，且等同物可替代本发明的元件。另外，在不偏离本发明基本范围的情况下，可进行许多修改以使特定的情况或材料适合本发明的教导。因此，本发明不旨在局限于作为进行本发明所构想的最佳模式而公开的特定实施例，而本发明将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。

Claims (20)

1.一种制造纤维复合材料组件的方法，所述方法包括：
在第一复合材料层中设置第一纤维；以及
在第二复合材料层中设置第二纤维；
其中所述第一纤维包括螺旋部分，且所述第二纤维延伸至所述第一纤维的所述螺旋部分内。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括拉伸卷绕的纤维预成型体以形成所述第一纤维。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一复合材料层为陶瓷复合材料层。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一复合材料层为有机复合材料层。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一复合材料层为金属复合材料层。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二纤维为螺旋的。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为方形螺旋。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为圆形螺旋。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为选自如下的复杂螺旋：椭圆形螺旋、三角形螺旋、五边形螺旋、六边形螺旋、七边形螺旋、八边形螺旋和它们的组合。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为三角形螺旋。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为编织纤维。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为单纤维。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为多层纤维。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一纤维为碳化硅单丝、陶瓷纤维、碳纤维或聚丙烯丝。
15.一种纤维复合材料组件，其包括：
具有第一纤维的第一复合材料层；和
具有第二层的第二复合材料层；
其中所述第一纤维包括螺旋部分，且所述第二纤维延伸至所述第一纤维的螺旋部分内。
16.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，所述第一复合材料层为陶瓷复合材料层。
17.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，所述第一复合材料层为有机复合材料层。
18.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，所述第一复合材料层为金属复合材料层。
19.根据权利要求15所述的组件，其特征在于，所述第一纤维为碳化硅单丝、陶瓷纤维、碳纤维或聚丙烯丝。
20.一种制造纤维复合材料组件的方法，所述方法包括：
提供卷绕的纤维预成型体；以及
拉伸所述卷绕的纤维预成型体以形成螺旋纤维。
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