CN103260867A - 织造预制件、纤维增强复合材料、及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了在纤维增强复合材料中使用的预制件、纤维增强复合材料、及其制造方法。一种方法包括将多根经纱与单根纬纱交织在一起从而形成具有中心轴线的管状织造结构。通过使用环形织造技术或管状织造技术，可织造预制件，并且可将预制件织造成沿其长度方向具有两个或更多个直径。预制件可以包括形成在或附接至管状织造结构的一个或两个表面上的一层或更多层织物。最终结构可以是窗框、喷气发动机中的燃烧室或轮辋的一部分。

Description

织造预制件、纤维增强复合材料、及其制造方法

发明背景

技术领域

本发明涉及纤维增强结构。更具体地，本发明涉及织造预制件、包括织造预制件的纤维增强复合材料、及其制造方法。本发明的复合结构可以使用在飞行器结构的构造如窗框中。

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、以及关于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介绍均以引用方式并入本申请，并且可能用于本发明的实施中。

背景技术

如今，广泛使用增强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、耐疲劳、自支持并且适于成型和定形的应用中。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增强材料构成。增强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增强材料，赋予成品复合部件以所期望的增强材料的特性，如非常高的强度。作为组分的增强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作为构成组分的增强材料已有针对性进行选择的性能的最佳利用。通常将这种增强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增强预制件后，可以将基体材料引入并加到预制件中，使得通常增强预制件变得埋嵌在基体材料中，并且基体材料填充增强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，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增强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，其与增强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仅使用一种构成材料来获得。这样，当组合在一起后，增强预制件和基体材料即可通过热固化或其他已知方法在同一操作中固化和稳定化，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，基体材料的凝固体通常很牢固地粘结到增强材料(例如增强预制件)。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增强预制件的构成材料并由增强预制件的构成材料来承受。

时常需要制造构造不是诸如板状、片状、矩形或方形固体之类的简单几何形状的部件。一种制造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，相关的考虑是使构成部件间的各接合部尽可能地坚固。假定增强预制件构成部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增强复合材料的结构完整性，并已取得了部分成果，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，一种方法可能是通过由专门的机器创建三维织造(“3D”)结构。然而，涉及的费用相当高，将织机用于创建单一的结构是很不可取的。另一种方法将是织造二维(“2D”)结构并将其折叠成三维形状，使得板是整体织造的，即纱线在平面基体或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增强物的复合材料在飞行器中的应用的增加，这已导致对复合部件如复合材料窗框的需求。对于这些窗框来说，更优选由复合材料制成，因为窗框的热应变必须与周围结构的热应变匹配。尽管这些框架可以具有椭圆形、圆形或任何其它形状，但是这种窗框10的通常的几何形状例如如图1中示出。

这些窗框10的截面形状通常可以分解为一系列的“T”、“L”和/或“U”形。图1中窗框10的截面形状例如可以生成为例如如图2所示的背对背放置的一对“L”形状12。

航天结构通常包含具有如上面所讨论的轴对称几何形状(即，沿轴线对称的几何形状)的部件。可以使用如上面所描述的结构的其它飞行器部件为例如喷气发动机中的燃烧室和包容环(containment ring)、以及轮辋。存在许多制作具有轴对称形状的纤维增强预制件的技术。这些技术包括轮廓织造(contour weaving)、编织以及单丝缠绕(filament winding)。这些技术中的每种技术均具有优点和缺点，但是没有一种技术能够用于制造具有同心的区段(segment)形状的单一的管状预制件。

发明内容

因此，本发明的一个示例性实施方案是用于织造无缝纤维预制件的方法，该无缝纤维预制件能够形成为具有一个或更多个同心区段的复杂的轴对称性形状。飞行器骨架和发动机结构中的窗框和燃烧室是使用这种定形预制件的结构的一些实例。该方法包括织造工程管，该工程管在纤维增强复合材料领域中通常被称为“袜子(socks)”。袜子被织造成平的，但是打开成为期望的三维形状。然后，使用工艺如树脂传递模塑(resin transfer molding)或化学气相渗透(chemical vapor filtration)能够将这些预制件加工成复合部件。

根据该实施方案的方法通常包括将多根经纱与单根纬纱交织在一起，从而形成具有中心轴线的管状织造结构。预制件可被织造成无缝的，以便沿其长度方向具有两个或更多个直径。该方法还包括将预制件的具有较大直径的第一部分沿中心轴线折叠到预制件的具有较小直径的第二部分上，并且将预制件的具有最小直径的第三部分任选地折叠到预制件的第二部分中。预制件可形成为与具有预定形状的芯轴相贴合。多根经纱可与预制件的中心轴线平行，并且纬纱可与预制件的环(hoop)向方向平行。

本发明的一个示例性实施方案是在纤维增强复合材料中使用的无缝预制件。预制件包括多根经纱，所述多根经纱与单根纬纱交织在一起从而形成的具有中心轴线的管状织造结构。多根经纱可与单根纬纱使用环形织造技术或管状织造技术而交织在一起。预制件沿其长度方向可具有两个或更多个直径，使得预制件的具有较大直径的第一部分可沿中心轴折叠到预制件的具有较小直径的第二部分上。预制件的第三部分可任选地折叠到第二部分中。预制件可形成为与具有预定形状的芯轴相贴合。多根经纱可与预制件的中心轴线平行，并且纬纱可与预制件的环向方向平行。

本发明的另一示例性实施方案是包括上面所描述的预制件的纤维增强复合材料。该纤维增强复合材料可包括基体材料，其中基体材料是树脂，选自环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳及其组合。纤维增强复合材料可为例如发动机燃烧室或飞行器窗框的一部分。

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”可涵盖“另外包含”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1是飞行器窗框的示意图；

图2是图1中示出的飞行器窗框的截面图；

图3是根据本发明的一个方面的方法中涉及的步骤的示意图；

图4(a)是根据本发明的一个方面的织造的无缝预制件的截面图；

图4(b)是根据本发明的一个方面的织造的无缝预制件的俯视图；

图5是如在织机上所观察到的平坦的织造的无缝预制件的俯视图；

图6(a)和图6(b)是根据本发明的一个方面的方法中涉及的步骤的示意图；

图7是根据本发明的一个方面的织造的无缝预制件的照片；

图8是根据本发明的一个方面的织造的无缝预制件的照片；

图9是根据本发明的一个方面的织造的无缝预制件的照片；以及

图10(a)和图10(b)是根据本发明的一个方面的方法中涉及的步骤的示意图。

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。

现在转到附图，图3示出了用于织造根据本发明的一个示例性实施方案的无缝预制件100的方法中涉及的步骤。该方法涉及对无缝预制件或工程管100进行织造，所述无缝预制件或工程管100在纤维增强复合材料领域中通常被称为“袜子”。袜子被织造成平的，但当贴合在具有期望尺寸的芯轴上时打开成期望的三维形状。

根据本实施方案的方法在织机上使用至少两层14、16的经向纤维或纱线20。纬向纤维或纱线18通常使用沿织机的宽度方向不断来回移动的梭子插入，所以预制件会有封闭的边缘，并且因此具有在环向方向上连续的增强。在这种设置中，当梭子沿一个方向例如从左到右移动时，纬向纤维或纱线18与经向纤维或纱线20在顶层14中织在一起，当梭子从右到左移动时，纬向纤维或纱线18与经向纤维或纱线20在底层16中织在一起。由于纬向纤维或纱线18脱离梭子，因此，例如如图3所示，织造顶层14的纤维或纱线18和织造底层16的纤维或纱线18在边缘上连接。

使用上面所描述的管状织造技术，本发明的一个示例性实施方案是用于织造无缝纤维预制件120的方法，该无缝纤维预制件120可形成为具有一个或更多个同心区段的复杂的轴对称形状(即，绕中心轴线旋转对称的形状)，例如如图4(b)中所示出的形状，图4(b)为使用本发明的管状织造技术织造的无缝纤维预制件120的俯视图。图4(a)示出了同一结构沿假想线B-B的截面图，其描绘了纤维预制件120的不同区段“a”至“f”。从图4(a)和图4(b)可以设想，如同区段“b”“d”“e”和“f”那样，预制件的区段“a”“c”和“g”是同心的。由于图4(b)是纤维预制件120的俯视图，因此在该图中观察不到区段“a”“c”和“g”，因为它们在竖直平面中形成或沿三维坐标系统的z轴形成。尽管在图4(a)至图4(b)中示出了织造预制件120的优选实施方案，但本发明不限于此，实际上，其可使用管状织造技术的任何变型来生产可定形为具有同心区段的结构的无缝预制件。

可以通过改变实际上织造成预制件120的经向纤维或纱线20的数量来织造预制件120，使得每对纬向纤维18(其在管中形成单独环)的长度随预制件120的长度而变化。这使得管状预制件120，例如如图5所示，具有沿其长度方向变化的直径。图5为在织机上平坦的织造预制件120的俯视图，该平坦的织造预制件120具有织造部110和部分织造部115，在织造部110中所有的经纱20与纬纱18交织在一起，在部分织造部115中仅有一些经纱20与纬纱18织在一起以形成与织造部110相比直径较小的管。预制件的边缘用箭头125表示，由于当织造预制件120时，携带纬纱18的梭子沿织机的宽度方向连续地穿梭，因此预制件的边缘实际上是无缝的。

在将织造预制件120从织机上取下之后，沿该织造预制件120的边缘125对其修整以切断经纱20的未织造部分并且以在预制件120外侧形成光滑表面，从而得到例如如图7所示的结构。然后将预制件120放置在具有期望形状的芯轴上，并且如图6(a)所示，将预制件的具有较大直径的第一部分130沿预制件的中心轴线折叠到具有较小直径的第二部分140上。此外，可将具有最小直径的第三部分150向内折叠以形成例如如图6(b)所示的折叠的预制件120。然而，应当指出，多根经纱20始终沿预制件的中心轴线延伸，并且纬线18始终与预制件120的环向方向平行，从而提供了连续的环向增强。

如人们所能够想象到的，这些无缝预制件被设计成在不形成褶皱的情况下形成所期望的形状。相比于可能要求褶处理(darting)和手工来平滑预制件的任何方法，这是显著的益处。另外，由此产生的结构具有在环向方向上的连续增强，这提高了整个结构的机械强度。

根据另一示例性实施方案的发明为例如如图9所示的用于对无缝预制件200进行织造的方法。该实例具有‘U’形截面，但显而易见的是，可以通过消除‘U’的直立腿中的一个而变成‘L’。该方法使用了上面实施方案中所描述的袜子织造技术或管织造技术。然而，在该情况中，无缝预制件200具有过渡部分240和直径恒定的两个部分230、250，在过渡部分240处，预制件从较小直径部分250变为较大直径部分230。

在将织造预制件200从织机上取下之后，沿该织造预制件200的边缘对其修整以切断经纱20的未织造部分并且以在预制件200的外侧上形成光滑的表面。然后将预制件200放置在具有期望形状的芯轴上(在该情况中为‘U’形芯轴)，如图10(a)所示，将预制件的具有较大直径的第一部分230沿预制件的中心轴线折叠到具有较小直径的第二部分240上。此外，可将具有最小直径的第三部分250向内折叠以形成例如如图10(b)所示的折叠的预制件200。在预制件中形成折叠的部分也称为在预制件中放入“翻边(cuffs)”。然而，应当指出，多根经纱20始终沿预制件的中心轴延伸，并且纬线18始终与预制件200的环向方向平行，从而提供了连续的环向增强。

在遵循限定出所期望的结构的截面的曲线的二维坐标系统中工作有助于限定该织造预制件的形状。这是例如图5中示出的“S”坐标，其中经线方向用沿x轴的箭头表示，纬线方向沿坐标系的y轴。该坐标对应于经向上的一对纬向纤维的位置。纬向纤维在特定的“S”位置处的所需长度通过计算期望的结构在相同位置处的周长来限定。实际上，如图5所示，该过程是对同心结构进行展开和展平。

由于无缝预制件已被设计成沿经向在每个“S”位置处具有合适长度的纬向纤维，因此其将在不形成褶皱的情况下呈现期望的形状。相比于可能要求褶处理和手工来平滑预制件的任何方法，这是显著的益处。另外，由此产生的结构具有在环向方向上的连续增强，这提高了整个结构的机械强度。

尽管在本文公开的实施方案中描述了单层结构，但是本发明不限于此，并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可生产出具有包括两个以上的经向层和一根以上的纬纱的多层结构的预制件或结构。所述多层结构也可以包括形成在或附接至管状织造结构的一个或两个表面上的一层或更多层的织物。附加层可以是铺叠(lay-up)、平织、环形织造、非织造、编织或针织结构。

类似地，尽管本文公开了仅具有两个或三个不同直径的结构，但是本发明不限于此，并且使用本发明的方法可以生产具有实际上任何数量的直径的同心区段的结构。

本文中公开的方法适用于可以用机器织造的几乎任何纤维以及可以使用在预制件的主体中的几乎任何图案(即平纹、斜纹、缎纹等)。同样地，本发明中使用的经纱和/或纬纱可以由选自玻璃、碳、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚乙烯、聚酯、聚酰胺的材料和/或展现出期望的物理、热、化学和/或其他属性的其他材料制造。通过使用这样的最终变为成品部件的构成元件的增强材料，赋予成品复合材料部件以所期望的增强材料的特性，如非常高的强度。本发明中使用的经纱和/或纬纱可以是单丝纱、复丝纱、加捻复丝纱、合股复丝纱、无捻丝束、并捻结构(cabled structure)或编织结构(braidedstructure)。

在构建所期望的增强预制件120、200之后，使用树脂传递模塑或化学气相渗透可将基体材料引入并加到预制件120、200中，使得通常增强预制件形成为封包在基体材料中，而且基体材料填充增强预制件的构成元件之间的空隙区域。基体材料可以是众多材料如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或同样展现出所期望的物理、热、化学和/或其他属性的其他材料中的任一种。通过使用本领域公知的方法，最终结构被固化，从而形成可形成例如窗框、喷气发动机中的燃烧室或轮辋的一部分的复合材料。

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 (35)

1.一种在纤维增强复合材料中使用的无缝轴对称预制件，所述预制件包括：

两层或更多层经纱，其与一根或更多根纬纱交织在一起，从而形成具有中心轴线的管状织造结构。

2.根据权利要求1所述的预制件，其中所述两层或更多层经纱与一根或更多根纬纱使用环形织造技术或管状织造技术交织在一起。

3.根据权利要求1所述的预制件，其中所述预制件沿其长度方向具有两个或更多个直径。

4.根据权利要求3所述的预制件，其中所述预制件的具有较大直径的第一部分沿所述中心轴线折叠到所述预制件的具有较小直径的第二部分上。

5.根据权利要求4所述的预制件，其中所述预制件的具有最小直径的第三部分折叠到所述预制件的第二部分上。

6.根据权利要求1所述的预制件，其中所述预制件与具有预定形状的芯轴相贴合。

7.根据权利要求1所述的预制件，其中所述经纱沿着所述预制件的中心轴线。

8.根据权利要求1所述的预制件，其中所述纬纱与所述预制件的环向方向平行。

9.根据权利要求1所述的预制件，其中所述经纱和/或纬纱由选自玻璃、碳、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚乙烯及它们的衍生物的材料制造。

10.根据权利要求1所述的预制件，其中所述多根经纱和/或所述单根纬纱为单丝纱、复丝纱、加捻复丝纱、合股复丝纱、无捻丝束、并捻结构或编织结构。

11.根据权利要求1所述的预制件，其中所述预制件是多层结构。

12.根据权利要求11所述的预制件，其中所述多层结构包括形成在所述管状织造结构的一个或两个表面上的或附接至所述管状织造结构的一个或两个表面的一层或多层织物。

13.根据权利要求12所述的预制件，其中所述织物是铺叠结构、平织结构、环形织造结构、非织造结构、编织结构或针织结构。

14.一种纤维增强复合材料，包括根据权利要求1所述的预制件。

15.根据权利要求14所述的纤维增强复合材料，还包括基体材料。

16.根据权利要求15所述的纤维增强复合材料，其中所述基体材料为选自环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳及其衍生物的树脂。

17.根据权利要求14所述的纤维增强复合材料，其中所述复合材料是窗框、喷气发动机中的燃烧室或轮辋的一部分。

18.一种用于形成在纤维增强复合材料中使用的无缝轴对称预制件的方法，所述方法包括下述步骤：

将两层或更多层经纱与一根或更多根纬纱交织在一起，从而形成具有中心轴线的管状织造结构。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述两层或更多层经纱与一根或更多根纬纱使用环形织造技术或管状织造技术交织在一起。

20.根据权利要求18所述的方法，其中所述预制件被织造为沿所述预制件的长度方向具有两个或更多个直径。

21.根据权利要求20所述的方法，还包括下述步骤：

将所述预制件的具有较大直径的第一部分沿所述中心轴线折叠到所述预制件的具有较小直径的第二部分上。

22.根据权利要求21所述的方法，还包括下述步骤：

将所述预制件的具有最小直径的第三部分折叠到所述预制件的第二部分上。

23.根据权利要求18所述的方法，其中所述预制件与具有预定形状的芯轴相贴合。

24.根据权利要求18所述的方法，其中所述经纱与所述预制件的所述中心轴线平行。

25.根据权利要求18所述的方法，其中所述纬纱与所述预制件的环向方向平行。

26.根据权利要求18所述的方法，其中所述经纱和/或纬纱由选自玻璃、碳、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚乙烯及其衍生物的材料制造。

27.根据权利要求18所述的方法，其中所述经纱和/或所述纬纱为单丝纱、复丝纱、加捻复丝纱、合股复丝纱、无捻丝束、并捻结构或编织结构。

28.根据权利要求18所述的方法，还包括下述步骤：

在所述管状织造结构的一个或两个表面上形成或附接一层或更多层织物，从而形成多层结构。

29.根据权利要求28所述的方法，其中所述织物是铺叠结构、织造结构、环形织造结构、非织造结构、编织结构或针织结构。

30.一种用于形成纤维增强复合材料的方法，该方法包括权利要求18所述的步骤。

31.根据权利要求30所述的方法，还包括下述步骤：

将所述预制件至少部分地浸渍在基体材料中。

32.根据权利要求31所述的方法，其中所述基体材料为选自环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳及其衍生物的树脂。

33.根据权利要求31所述的方法，还包括下述步骤：

至少部分地固化所述基体材料。

34.根据权利要求30所述的方法，其中所述复合材料是窗框、喷气发动机中的燃烧室或轮辋的一部分。

35.一种纤维增强复合材料，包括：

多根经纱，其与单根纬纱交织在一起，从而形成具有中心轴线的无缝管状织造结构。

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