CN103562453B - 拐角装配预型件及其形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拐角装配预型件(100)和一种形成拐角装配预型件的方法，该方法包括将基底(10)或母料与自基底(10)延伸出的一个或多个凸缘或腿(20)整体方式织造的步骤。平织预型件包括位于腿或凸缘(20)内的特别设计区域，其具有未织造的连续经向纱线。未织造区域(28)提供了铰链，其允许预型件的凸缘(20)围绕拐角折叠。在折叠之后，将过多的未织造经向纱线拉回穿过腿或凸缘的织造部分，以形成具有围绕拐角的连续经向纱线的预型件。

Description

拐角装配预型件及其形成方法

参考引用

文中针对任意产品所提及的所有专利、专利申请、文档、引文、厂家使用说明、说明书、产品技术规格、以及产品图表，在此以引用的方式并入本文，并且可以在本发明的实践中采用。

技术领域

本发明总体涉及织造预型件，特别涉及在增强复合材料中使用的织造预型件。更具体地，本发明涉及拐角装配预型件，其能够成型为弯曲形状或带有角度的形状，在其拐角处具有连续的纤维增强。

背景技术

当前，广泛使用增强复合材料来生产结构组件，特别在利用结构组件重量轻、强度高、坚韧、耐热、以及适于形成及成形的这些期望特性能够获益的应用中。这些组件用在例如航空、航天、卫星、高性能娱乐产品、以及其他应用中。

通常这种组件由嵌置在基质材料中的增强材料组成。增强组件可以由例如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯和／或其他材料制成，这些材料表现出期望的物理性能、热性能、化学性能和／或其他性能，其中首要性能是高强度，以抵抗应力破坏。

通过使用这种增强材料(其最终成为成品组件的构成部件)，将增强材料的期望特性(如极高的强度)赋予成品复合组件。典型的组分增强材料可以通过机织、针织成为期望的结构和形状，或者使其取向成为期望结构和形状，用于增强预型件。通常会特别注意保证所选组分增强材料的性能能够得到最佳利用。通常将这种增强预型件与基质材料结合，从而，形成期望的成品组件，或者制成备料(workingstock)用于最终制成成品组件。

在构造出期望的增强预型件之后，可以引入基质材料并使其进入预型件中，从而，典型地，增强预型件被包在基质材料中，以及，基质材料充满增强预型件构成部件之间的空隙区域。基质材料可以是广泛多样材料中的任意材料，例如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和／或其他材料，这些材料也表现出期望的物理性能、热性能、化学性能和／或其他性能。选择用作基质的材料可以与增强预型件的材料相同，也可以与之不同，并且，可以具有或者不具有相当的物理性能、化学性能、热性能或其他性能。然而，典型地，用作基质的材料与增强预型件的材料不是相同的材料，或者也不具有相当的物理性能、化学性能、热性能或其他性能，这是因为，在使用复合材料时通常首要目的是在成品中获得性能的组合，而这种性能组合无法通过单独使用一种组分材料获得。这样组合后，然后，可以通过热固或其他已知方法，使增强预型件和基质材料在相同操作中固化和稳定化，然后进行生产期望组件的其他操作。在这一点上应当注意到，在这样固化之后，基质材料中的硬化团块通常非常牢固地粘附于增强材料(例如，增强预型件)。结果，特别地，经由成品组件中位于纤维之间作为粘合剂的基质材料，成品组件上的应力可以有效地传递至增强预型件的组分材料，并由其承受。增强预型件中的断裂或不连续会限制预型件传递和承受成品组件上所施加应力的能力。

通常，期望生产出的组件结构不是简单几何形状，例如板状、片状、长方体或者立方体等简单几何形状。做到这一点的一种方法是，将这些基本几何形状组合成期望的更复杂的形式。通过将如上述方式制成的增强预型件相对彼此以一定角度(通常为直角)结合，形成一种这样的典型组合。经结合增强预型件采用这种角形布置的通常目的是产生期望形状，以形成包括一个或多个端壁或者例如“T”形交叉的增强预型件，或者，以加固所得到的增强预型件与复合结构的组合，在暴露于外力例如压力或张力时，这种加固能够抵抗此时产生的偏斜或失效。不管怎样，相关的考虑是使构成组件之间的各结合处尽可能牢固。增强预型件组分本身具有期望的极高强度时，结合处的薄弱实际上成为结构“链”中的“薄弱环节”。

美国专利No.6,103,337中提出了交叉构造的示例，其披露内容在此以引用方式并入本文。该篇文献提出了将两个增强板结合到一起成为T形的有效措施。这能够通过将第一增强板与贴靠第一板放置的第二增强板相结合来实现。

为了形成这种结合，过去已经提出了多种其他建议方式。有的建议彼此独立地形成并固化板件和角形加劲件(angledstiffeningelement)，角形加劲件具有单个的板接触面，或者在一端分叉为两部分，以形成两个分开且共面的板接触面。然后，使用热固性粘合剂或其他粘合剂材料，通过粘附方式粘接，使加劲件的一个或多个板接触面与其他组件的接触面相结合，从而将两个部件连接起来。然而，当张力施加于复合结构的固化板或表皮时，由于连接的有效强度是粘合剂的有效强度而非基质材料或增强材料的有效强度，很低的负荷就会导致“剥离”力，此“剥离”力使加劲件与板件在其界面处分离。

在这些组件的界面处无法使用金属螺钉或铆钉，因为这种附加物会至少局部破坏并弱化复合结构体自身的完整性，增加了重量，并且导致这些部件与周围材料之间存在热膨胀系数差异。

解决这一问题的其他方法基于这样的概念：通过使用例如将一种组件缝合到另一种组件上的方法，引入高强度纤维穿过结合区域；以及，依赖于缝合线，来引入这种增强纤维，使其进入并且穿过结合部位。美国专利No.4,331,495及其方法分案美国专利No.4,256,790示出了这种方法。这些专利披露的结合点位于第一复合板与第二复合板(其由利用粘合剂粘合的纤维层制成)之间。按现有技术方式，使第一板在一端分叉，从而形成两个分开且共面的板接触面，用未固化的挠性复合线穿过两板进行缝合，使第一板的板接触面与第二板相结合。然后，使板和线同时固化或“共固化”。美国专利No.5,429,853中提出了改进结合强度的另一方法。

尽管现有技术努力改进增强复合材料的结构整体性并取得了成功，特别是在美国专利No.6,103,337中，然而，仍然希望对其进行改进，或者，通过使用不同于粘合剂或机械联接的其他方法来解决该问题。考虑到这一点，一种方法是可以通过专用机器来生产织造三维(“3D”)结构体。然而，所涉及的花费相当可观，而且，特别需要针对生产单种结构体提供织机。不考虑这一事实的话，仍然期望获得可以加工成纤维增强复合组件的3D预型件，这是因为相对于常规的二维层合复合件，3D预型件提供了增强的强度。在要求复合件承载面外负荷的应用中，这些预型件尤其有用。然而，以上所讨论的现有技术预型件，其承受高面外负荷的能力、在自动织机加工中织造的能力、以及在一些情况下改变预型件各部分厚度的能力有限。

另一方法是织造二维(“2D”)结构体并将其折叠成3D形状。将2D预型件折叠成3D形状的早期尝试通常导致折叠预型件后有部分区域扭曲。因为织造纤维长度与预型件折叠后的纤维应有长度不同，出现此扭曲。在织造纤维长度过短的区域中，这会导致浅凹和波纹，以及，在纤维长度过长的区域中，导致膨起。美国专利No.6,874,543中披露了一种3D预型件织纹结构的示例，其中，在预型件的折叠区域中这种织纹结构会引起波纹或线圈，该专利的全部内容在此以引用的方式并入本文。

美国专利No.6,446,675中披露了一种解决这种在折叠后出现扭曲问题的方法，该专利的全部内容在此以引用的方式并入本文。该文献提供了2D结构体，其能够折叠成T形或π(Pi)形，即，所谓的3D结构体，这是因为，预型件的折叠部分可产生一个或两个的腿或凸缘(分别对应于T形和π形)，该腿或凸缘大致垂直于基底或母料(parentmaterial)。这可通过在织造过程中调整纤维长度来实现，以防止折叠部位出现上述浅凹和膨起。在织造过程中，在折叠区域中，将一些纤维织得过长，其他纤维织得过短。然后，当折叠预型件时，使长短纤维长度相等，从而在折叠处产生平滑过渡。

折叠预型件的优势在于待增强板与增强板之间结合处的强度。当将这些板织到一起，这些板共享增强材料，并且在最终的复合基质材料中，得到单个结构体。以整体方式织造的增强凸缘或腿与母料或基底之间的结合，不再是如现有技术增强件中结合强度仅依赖于粘合剂强度的脆弱连接。取而代之，预型件的纤维将腿和基底整体方式织到一起。

然而，通常复杂形状例如曲线或尖角需要增强。折叠的T形或π形增强件需要对腿辑省(bedarted)，以符合于弯曲表面或带角度的表面。由于折叠预型件的凸缘材料为弯曲或带角度的形状，弯曲表面的长度不可避免地由曲度内侧向外侧变化。曲度外侧的弧长(即弯曲时具有较大半径的表面)增加，而曲度内侧的弧长减小。常规折叠预型件的腿不能根据需要改变长度以适应弯曲表面或带角度的表面。为了适应弯曲表面或带角度的表面，必须对腿进行调整，即，必须对它们进行切割以允许腿符合变化的弧长。

通常，切割沿着曲度的局部半径进行，但在其他情况中，也可采用非径向切割以适应长度的变化。为允许弯曲预型件内侧的长度减小，对腿进行切割，并且允许切割边缘交迭，或者移除过量的材料。类似地，为了适应曲度外侧增加的长度，对腿进行切割，在腿的切割边缘之间得到三角形间隙。在任一种结构中，所采用的调整都破坏了各腿中增强材料的连续性。由于调整涉及将提供拐角周围主要负载路径的纤维切断，调整三维T形或π形预型件的腿会严重降低预型件的承载能力。

发明内容

因此，对于能够使用常规织机进行织造的织造拐角预型件或装配件，存在这样的需求：其在拐角装配件的所有三个平面中都提供增强纤维。

因此，本发明的一个目的是，提供一种拐角装配件和一种形成拐角装配件的方法，该拐角装配件具有连接所有侧面的连续纱线，而无需辑省。

本发明的另一目的是，提供一种拐角装配件和一种形成拐角装配件的方法，该拐角装配件具有连接平织织物所形成的所有侧面的连续纱线。

本发明的一方面提供一种拐角装配预型件，其包括织造基底和与基底整体方式织造的一个或多个凸缘或腿。预型件包括在腿或凸缘中特别设计的区域，该区域具有未织造的连续经向纱线。腿或凸缘的未织造区域提供了铰链，其允许预型件的凸缘围绕拐角折叠。在折叠之后，将过多的未织造经向纱线拉回，使其穿过腿或凸缘的织造部分，以产生具有围绕拐角的连续经向纱线增强的预型件。

本发明的另一方面提供一种形成拐角装配预型件的方法，该方法包括如下步骤，将基底或母料与从基底延伸出的一个或多个凸缘或腿以整体方式织造。平织的预型件包括在腿或凸缘内特别设计的区域，该区域具有未织造的连续经向纱线。未织造区域提供了铰链，其允许预型件的凸缘围绕拐角折叠。在折叠之后，将过多的未织造经向纱线拉回，使其穿过腿或凸缘的织造部分，以制成具有围绕拐角的连续经向纱线增强的预型件。

一旦形成拐角装配件，就可将其以任意已知的方式制成复合件，或者，将其结合进更大的预型件或结构件，进而再制成复合件。

所附权利要求形成本公开的一部分，其中具体指出了使本发明具有新颖性的各种特征。为更好地理解本发明、其操作优点、以及应用本发明获得的特定目的，下述具体描述中参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中，对应组件由相同的附图标记表示。

附图说明

为了更加完全地理解本发明，下面结合附图进行说明，其中：

图1是根据本发明一方面的织造拐角装配预型件的剖视图；

图2是根据本发明一方面示出经向纱线路径和纬向纱线路径的平织拐角装配预型件的示意性侧视图；

图3示出根据本发明一方面制造拐角装配预型件的方法中涉及的步骤；

图4是根据本发明一方面制造的真实的拐角装配预型件的照片；以及

图5示出根据本发明一方面制造拐角装配预型件的方法中涉及的步骤。

具体实施方式

现在参照附图，图1是根据本发明一个示例性实施例形成的π预型件100的剖视图。预型件100为平织预型件，其可在常规织机上使用本领域普通技术人员已知的任意织造图案进行织造，平纹(plainweave)是最优选的图案。可使用两层或更多层经向纱线或纤维15和一层或多层纬向纱线或纤维18，来织造预型件100。由于根据图1所示实施例的预型件为平织，纬向纱线18沿着预型件的宽度横穿。

如从图1示出的实施例可以看出，经向纱线15和经向纱线25可布置为例如六层。例如，底部五层形成预型件的基底10，而顶层可用于形成预型件100的一个或多个凸缘或腿20。在平织预型件中，在与顶层经向纱线25交织之前，纬向纱线18交织穿过基底10中的一些底层经向纱线15或所有底层经向纱线15。注意，纬向纱线18不与预型件100中央的一些经向纱线交织，以产生U形夹30，该U形夹将腿或凸缘20分开。例如，如图1所示，可通过沿箭头方向抬起U形夹30每一侧的最顶层，形成凸缘或腿20。预型件本身可根据美国专利No.6,874,543和No.7,712,488中披露的任意方法织造，这些专利的全部内容在此以引用的方式并入本文。

根据图2示出的实施例，本发明基于具有特别设计区域28的织造预型件100，该区域28具有未织入预型件100的连续经向纱线15’。换句话说，在区域28中，未织造区域28的经向纱线15’以提供铰链，其允许预型件100的凸缘或腿20围绕拐角折叠，除了区域28，纬向纱线18与经向纱线25在腿或凸缘20的所有区域整体方式交织。如图2所示，预型件100中间的“V”部是经向纱线15’未与纬向纱线18交织的区域，并且该区域28形成铰链，允许凸缘20围绕拐角折叠。基于凸缘或腿20将要旋转的角度或待装配该预型件的拐角形状，确定“V”部的形状。例如，如果预型件100要制成的结构体不必装配进直角拐角、而是装配进角度大于90度的拐角，那么这种预型件中的“V”部将窄于具有90度曲度时的“V”部。类似地，如果拐角的角度小于90度，则拐角装配预型件的“V”部将宽于具有直角形状时的“V”部。本领域普通技术人员可以预想，沿预型件的凸缘或腿，采用与制造非织造区域相同的技术，通过根据曲线形状改变边缘(fringe)面积，可制造平滑曲度。例如，图5示出了使用多个“V”部形成预型件200的实例。

形成拐角装配预型件100的下一步骤是在例如图3所示箭头方向折叠预型件。例如，如图3所示，在折叠之后，将过多的未织造经向纱线15’在箭头方向拉回，使其穿过腿或凸缘20的织造部分，以产生在拐角周围具有连续经向纱线25增强的预型件100。图3是作为织造π形预型件的示意图，该预型件包括如前述示例实施例中说明的拐角特征。然而，应该注意，图1-3和图5所示的结构仅仅用于例示说明的目的，实际的预型件能够包括一个、两个、三个或更多个腿或凸缘20，即，横截面形状不必为π形，并且本方法能够用于制造其他形状，例如“T”形或“L”形。

实例

例如，图4示出织造以验证该方法的样品预型件100。预型件100使用碳纤维织造；然而，本发明可使用适合于此目的的任意材料制成的纤维，因此不限于本文所述的材料，例如，增强组件可由下述材料制成：例如，尼龙，人造丝，玻璃，碳，陶瓷，芳族聚酰胺，聚酯，和／或，表现出期望的物理性能、热性能、化学性能和／或其他性能的其他材料。本发明实际上也能够使用其他纤维，包括但不限于：能够牵切的纤维，例如牵切碳纤维、牵切玻璃、牵切陶瓷；以及，不能牵切或无需牵切的纤维，例如PepinAssociatesInc.生产的当织入纺织结构中时其允许纺织结构在其增强方向拉伸，允许由简单的预型件初始形状形成复杂形状。

使用平纹图案在常规梭织机上织造预型件100。选择这种图案是因为其比其他普通图案(例如斜纹或缎纹)包括更多的褶皱，并且，织物单个层中的纤维移动过程特别难以进行。然而，如前文所述，可使用任意织纹图案来生产预型件。

本发明在本文主要描述了拐角装配预型件的形成。在应用中，这样的拐角装配件可用于希望增强装置中两个或更多个部分之结合处的场合中。例如，在航天工业中，通常需要增强表皮材料与例如纵向和横向加劲件都支撑表皮处之间的结合。

可使用例如树脂传递模塑或化学气相渗入等树脂浸渍方法，用例如环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、和碳的基质材料对成品预型件进行浸渍，从而形成三维复合结构。

虽然本文详细描述了本发明的优选实施例及其变化，可以理解本发明不限于这些实施例和变化，在不脱离所附权利要求限定的本发明的精神和范围的条件下，本领域技术人员可做出其他变形和变化。

Claims (24)

1.一种拐角装配预型件，其包括：

两层或更多层经向纱线或纤维，其与一层或多层纬向纱线或纤维交织；

基层，其包括交织的经向纱线或纤维和纬向纱线或纤维；以及

一个或多个凸缘或腿，其从所述基层延伸而出，

其中，所述一个或多个凸缘或腿与所述基层整体方式织造，

其中，所述一个或多个凸缘或腿围绕拐角折叠，以及

其中，所述一个或多个凸缘或腿各包括一个这样的部分，该部分具有围绕所述拐角的连续经向纱线或纤维用以提供增强作用，该连续经向纱线或纤维没有与所述纬向纱线或纤维一起织造，所述部分允许所述一个或多个凸缘或腿围绕所述拐角折叠。

2.根据权利要求1所述的预型件，其中，所述预型件为平织。

3.根据权利要求1所述的预型件，进一步包括：

U形夹，其将从所述基层延伸出来的两个或更多个凸缘或腿分开。

4.根据权利要求1所述的预型件，其中，所述一个或多个凸缘或腿以90度的角度、小于90度的角度或大于90度的角度折叠。

5.根据权利要求1所述的预型件，其中，所述一个或多个凸缘或腿折叠为形成平滑曲度。

6.根据权利要求1所述的预型件，其中，所述预型件是“π”形、“T”形或“L”形。

7.根据权利要求1所述的预型件，其中，所述经向纱线或纤维和纬向纱线或纤维由选自如下组的材料制成，该组包括玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯、尼龙和人造丝。

8.根据权利要求7所述的预型件，其中，所述经向纤维和/或纬向纤维是牵切碳纤维、牵切玻璃或牵切陶瓷。

9.一种包括根据权利要求1所述的预型件的三维纤维增强复合结构。

10.根据权利要求9所述的复合结构，进一步包括基质材料。

11.根据权利要求10所述的复合结构，其中，所述基质材料选自由环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳组成的组。

12.一种形成拐角装配预型件的方法，其包括如下步骤：

将两层或更多层经向纱线或纤维与一层或多层纬向纱线或纤维交织，以形成基层和自所述基层延伸出的一个或多个凸缘或腿，其中，所述一个或多个凸缘或腿与所述基层以整体方式织造；

在各所述一个或多个凸缘或腿中围绕拐角设置至少一个部分，在该部分处，连续的经向纱线或纤维没有与所述纬向纱线或纤维一起织造；以及

围绕所述拐角折叠所述一个或多个凸缘或腿。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述至少一个部分是铰链，其允许所述预型件的所述一个或多个凸缘或腿围绕拐角折叠。

14.根据权利要求12所述的方法，进一步包括如下步骤：

将未织造的经向纱线或纤维穿过所述腿或凸缘的织造部分拉回，以制成具有围绕所述拐角的连续经向纱线或纤维以提供增强作用的预型件。

15.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预型件在常规织机上织造。

16.根据权利要求12所述的方法，进一步包括如下步骤：

形成U形夹，其将从所述基层延伸出的两个或更多个凸缘或腿分开。

17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个凸缘或腿以90度的角度、小于90度的角度或大于90度的角度折叠。

18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述一个或多个凸缘或腿折叠为形成平滑曲度。

19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述预型件是“π”形、“T”形或“L”形。

20.根据权利要求12所述的方法，其中，所述经向纱线或纤维和纬向纱线或纤维由选自下述群组的材料制成：玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚酯、尼龙和人造丝。

21.根据权利要求12所述的方法，其中，所述经向纤维和/或纬向纤维是牵切碳纤维、牵切玻璃或牵切陶瓷。

22.一种形成三维纤维增强复合结构的方法，其包括如权利要求12所述的方法。

23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括如下步骤：

将所述预型件至少部分地浸渍于基质材料。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述基质材料选自由环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳组成的组。