CN104097355B - 在厚度方向增强层压材料方法 - Google Patents

在厚度方向增强层压材料方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104097355B
CN104097355B CN201410141473.3A CN201410141473A CN104097355B CN 104097355 B CN104097355 B CN 104097355B CN 201410141473 A CN201410141473 A CN 201410141473A CN 104097355 B CN104097355 B CN 104097355B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laminated material
area
reinforcing element
local heating
thickness direction
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410141473.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104097355A (zh
Inventor
M.P.杰文斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rolls Royce PLC
Original Assignee
Rolls Royce PLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rolls Royce PLC filed Critical Rolls Royce PLC
Publication of CN104097355A publication Critical patent/CN104097355A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104097355B publication Critical patent/CN104097355B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/06—Fibrous reinforcements only
    • B29C70/10—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres
    • B29C70/16—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length
    • B29C70/24—Fibrous reinforcements only characterised by the structure of fibrous reinforcements, e.g. hollow fibres using fibres of substantial or continuous length oriented in at least three directions forming a three dimensional structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/88—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced
    • B29C70/887—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts characterised primarily by possessing specific properties, e.g. electrically conductive or locally reinforced locally reinforced, e.g. by fillers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/28—Selecting particular materials; Particular measures relating thereto; Measures against erosion or corrosion
    • F01D5/282—Selecting composite materials, e.g. blades with reinforcing filaments
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/1403—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the type of electromagnetic or particle radiation
    • B29C65/1425—Microwave radiation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B29C65/14—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation
    • B29C65/1429—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the way of heating the interface
    • B29C65/1464—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the way of heating the interface making use of several radiators
    • B29C65/1467—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure using wave energy, i.e. electromagnetic radiation, or particle radiation characterised by the way of heating the interface making use of several radiators at the same time, i.e. simultaneous welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/56—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor using mechanical means or mechanical connections, e.g. form-fits
    • B29C65/64—Joining a non-plastics element to a plastics element, e.g. by force
    • B29C65/645—Joining a non-plastics element to a plastics element, e.g. by force using friction or ultrasonic vibrations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/40—General aspects of joining substantially flat articles, e.g. plates, sheets or web-like materials; Making flat seams in tubular or hollow articles; Joining single elements to substantially flat surfaces
    • B29C66/47—Joining single elements to sheets, plates or other substantially flat surfaces
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/69—General aspects of joining filaments 
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/72—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material characterised by the structure of the material of the parts to be joined
    • B29C66/721—Fibre-reinforced materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
    • B29C66/742—Joining plastics material to non-plastics material to metals or their alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
    • B29C66/744—Joining plastics material to non-plastics material to elements other than metals
    • B29C66/7442—Boron
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
    • B29C66/744—Joining plastics material to non-plastics material to elements other than metals
    • B29C66/7444—Carbon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
    • B29C66/746—Joining plastics material to non-plastics material to inorganic materials not provided for in groups B29C66/742 - B29C66/744
    • B29C66/7461—Ceramics
    • B29C66/74611—Carbides; Nitrides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/70—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts characterised by the composition, physical properties or the structure of the material of the parts to be joined; Joining with non-plastics material
    • B29C66/74—Joining plastics material to non-plastics material
    • B29C66/746—Joining plastics material to non-plastics material to inorganic materials not provided for in groups B29C66/742 - B29C66/744
    • B29C66/7465—Glass
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/80—General aspects of machine operations or constructions and parts thereof
    • B29C66/84—Specific machine types or machines suitable for specific applications
    • B29C66/861—Hand-held tools
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C66/00—General aspects of processes or apparatus for joining preformed parts
    • B29C66/90—Measuring or controlling the joining process
    • B29C66/91—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux
    • B29C66/919—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux characterised by specific temperature, heat or thermal flux values or ranges
    • B29C66/9192—Measuring or controlling the joining process by measuring or controlling the temperature, the heat or the thermal flux characterised by specific temperature, heat or thermal flux values or ranges in explicit relation to another variable, e.g. temperature diagrams
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/08—Blades for rotors, stators, fans, turbines or the like, e.g. screw propellers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29L—INDEXING SCHEME ASSOCIATED WITH SUBCLASS B29C, RELATING TO PARTICULAR ARTICLES
    • B29L2031/00—Other particular articles
    • B29L2031/748—Machines or parts thereof not otherwise provided for
    • B29L2031/7504—Turbines
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T156/00—Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10—Methods of surface bonding and/or assembly therefor
    • Y10T156/1052—Methods of surface bonding and/or assembly therefor with cutting, punching, tearing or severing
    • Y10T156/1056—Perforating lamina

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Moulding By Coating Moulds (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

一种用来向包括基质材料的层压材料提供厚度方向增强的方法包括：在层压材料中形成局部受热区以便通过使至少两个能量束的集合聚焦在需要进行厚度方向增强的位置来局部地软化基质材料的步骤；以及在局部受热区的位置穿过层压材料的厚度插入增强元件以在厚度方向上增强层压材料的步骤。

Description

在厚度方向增强层压材料方法
技术领域
本发明涉及利用增强元件在厚度方向（through-thickness）增强层压材料的方法。特别地，本发明涉及加热层压材料以插入增强元件的方法。
背景技术
层压复合材料广泛地用于许多工程应用中，在层压复合材料中，增强纤维保持在聚合基质内。此类材料可通常提供比常规金属材料更高的单位重量的强度和刚度。这使得此类复合材料有利于重量敏感的应用，诸如在航天领域中的那些应用。
层压复合材料的已知问题在于与相对应的平面内性质相比，它们的较差的层间或厚度方向机械性质。这种低层间强度和断裂韧性可能制约复合零件的设计并且甚至可能限制此类材料用于特定应用。
这个问题的一种解决方案是使用坚韧的基质材料。此类基质材料通常比常规基质材料显著更昂贵，常常具有较差的高温性质并且可能仍未提供断裂韧性的显著增加。
改进层间强度性质的替代解决方案是将厚度方向纤维插入于层间材料内。已发展了各种技术来插入这样的增强纤维。
将厚度方向增强纤维插入于层压材料内的一种方法是装订或Z-钉扎(z-pinning)。这些增强纤维通常在结构上为纤维性的并且可能在插入端处形成有45°倒角。厚度方向增强纤维预期抵抗剪切力以便改进层间强度和断裂韧性。
增强纤维可以插入于层压材料内，层压材料利用基质材料而被预浸渍。一旦已将增强纤维插入于层压材料内，层压材料和基质的组合然后可以固化以便形成固结的复合材料。然后复合材料可利用或不利用进一步加工形成复合部件。
如果基质材料具有适当较低黏度，则穿过预浸渍材料插入厚度方向增强纤维较为容易，并且对增强纤维造成更少损坏。黏度应当使得能插入增强纤维，但保持构成层压材料的层周围的基质材料。
图6为可以用于层压复合材料中的典型环氧树脂材料的流变学曲线图（动态黏度与温度关系），示出了如何可通过加热预浸渍层压材料到足以使增强纤维能穿过软化的基质材料插入而实现这一目的。从图6可以看出，通过加热层压材料，环氧树脂的动态黏度将显著低于在室温下的情况。这种黏度减小在很大程度上有助于插入增强纤维的过程。
然而，加热过程面临挑战，因为通常需要数千根增强纤维以便来制造合适强度的复合部件。
一个选项是仅将预浸渍层压材料加热到足以使基质材料不达到其胶凝点。胶凝点为固化过程开始并且基质材料将开始硬化的温度。在图6中，胶凝点被示出为流变学曲线的拐点，即，通过加热引起的黏度减小停止并且进一步加热造成黏度快速增加（因为材料开始固化或硬化）的点。一旦开始，固化过程不可被逆转。
在插入许多增强纤维时通过加热和冷却层压材料的循环来实现使基质材料保持低于其胶凝点。保持层压材料充分冷却的这种需要给制造过程增加了较长时间和复杂性。因此，其也可能是消耗大量能量的过程。单独来看，加热层压材料使得基质材料均匀地软化的过程可能是耗时的。
另一选项是加热预浸渍层压材料到已知温度，该温度具有相对应的已知并且有限的时间间隔，直到基质材料达到其胶凝点。一旦达到这个温度，待插入的所有增强纤维必须在基质材料开始硬化之前就位。由此得出，以此方式来增强层压材料，关于在插入过程中校正生产误差存在有限的范围，因为一旦开始，固化过程是不能停止的。
需要一种可以用系统并及时的方式但独立于固化过程而插入增强纤维的过程，固化过程继而可保持不受插入增强纤维影响。
发明内容
根据一方面，本发明提供一种用来向层压材料提供厚度方向增强的方法。层压材料包括基质材料。该方法包括以下步骤：提供层压材料；以及在层压材料中形成局部受热区以便通过将至少两个能量束（例如，两个或多于两个能量束）的集合聚焦在聚焦区上来局部地软化基质材料，聚焦区对应于需要厚度方向增强的位置。该方法包括在局部受热区的位置穿过层压材料的厚度（例如，穿过该厚度的至少一部分）插入增强元件以在厚度方向上增强该层压材料。
本发明还提供一种至少部分地使用向层压材料提供厚度方向增强的方法制造的部件。
使用至少两个能量束可以允许将每个单独束的强度设置在特定水平，使得其本身将不足以加热和/或软化层压材料。因此，在仅向能量束之一暴露的区域中，层压材料可能未被充分加热到显著地被软化和/或这些区域可能保持在显著低于胶凝点/固化温度的温度。
以此方式，最小化了被加热的层压材料体积。这减少了在厚度方向上增强层压材料所需的能量。此外，在制造期间可以实现显著的时间节省。最小化或一并省略了提供层压材料的加热和冷却循环的需要。可以完全独立于形成最终复合材料所需的最后固化过程而实现增强元件的插入。而且，局部加热减轻了在插入增强元件期间意外达到基质材料的胶凝点的可能性，意外达到基质材料的胶凝点将造成基质材料过早硬化。
其中聚焦至少两个（即，两个或更多个）能量束的聚焦区可以被称作焦点。
在厚度方向上增强层压材料的方法可以具有以下特点的任何组合（只要它们可兼容）或其中的任一个。
增强元件可以由包括以下的组而形成：硼、碳、玻璃、碳化硅、氧化铝、氮化铝、刚性酚醛塑料、刚性聚酰亚胺、刚性环氧化物、金属、尼龙和这样的材料的复合物。
增强元件可以由可与层压材料的基质兼容的材料形成。
在本发明的一实施例中，增强元件被形成为平行侧面圆柱（parallel sidedcylinder）或纤维。在其它实施例中，元件可以具有其它几何形状，诸如锥形或其它形状的圆柱和/或可以带凹槽或肋状物。
在层压材料中形成局部受热区的步骤可以是通过将多于两个能量束的集合聚焦在聚焦区。这可以允许进一步减小每个单独能量束的能量。
可以从能量束发射器发射能量束。
形成局部受热区的步骤可包括：通过将能量束集合的相对应阵列聚焦到在需要在厚度方向增强的位置处的聚焦区的相对应阵列上来形成局部受热区的阵列；以及插入增强元件的步骤可包括在与局部受热区的阵列对应的位置处，将多个增强元件穿过层压材料的厚度插入。
任何合适数量的增强元件可以插入于层压材料内。例如，数千增强元件可以插入于层压材料内。
能量束集合的阵列和聚焦区的相对应阵列可以线性地布置成一行。
该方法可以在插入多个增强元件的步骤之后，包括以下步骤：相对于能量束集合的阵列和相对应的聚焦区阵列，将层压材料平移到需要进行厚度方向增强的另一位置集合。因此，另一增强元件集合然后可以插入于层压材料内。然后可重复该过程任何合适次数以将所需的增强元件（其中，它们例如可能是数百个）插入于层压材料中。
在层压材料中形成局部受热区的步骤可包括：形成全厚度受热区，其渗透穿过层压材料的整个厚度。
该方法还可包括在层压材料中的局部受热区中形成孔的步骤并且然后执行通过将增强元件插入于孔内来插入增强元件的步骤。可以用针形成孔。
在层压材料中形成局部受热区和将增强元件穿过层压材料的厚度插入的步骤可基本上同时执行。在采用在层压材料中的局部受热区中形成孔的步骤的情况下，这可以与形成局部受热区基本上同时执行。加热过程可以在即将进行插入过程前或刚刚进行了插入过程后开始和停止，例如取决于有效插入增强纤维的需要。例如，受热区可以在即将开始插入增强元件前形成。
增强元件可以具有尖端，并且在层压材料中形成局部受热区的步骤可包括在增强元件插入时聚焦区跟踪增强元件的尖端（或者，若使用，形成孔的工具）使得在增强元件穿过层压材料的厚度插入时局部受热区保持在尖端前方。以此方式，可以实现进一步制造时间节省并且因此进一步减少了能量使用。由于更少的能量赋予给基质材料，进一步最小化了使其温度升高到过于接近其胶凝点的风险。
能量束可以是微波。可以由微波发射器发出微波。
形成局部受热区的步骤可包括限制局部受热区达到对应于基质材料胶凝点的温度。
基质材料可包括聚合基质材料。聚合基质材料可以是热固性材料，诸如环氧树脂。替代地，基质材料可以是热塑性材料。
可以通过锤击来辅助增强元件插入。可以通过锤击来插入增强元件。锤击可以是超声波锤击。
可以通过旋转或扭转增强元件来辅助增强元件插入。
该方法可包括以下步骤：使厚度方向受增强的层压材料固化以形成复合材料。可以通过将层压材料加热到其胶凝温度以便使基质材料固化并且将其固结为复合材料来进行固化。
可以使用任何合适的固化技术。例如，可以使用常规固化技术。举例而言，固化可以是紫外线固化、高压釜或无高压釜固化。
制造的复合物材料可以用来形成燃气涡轮发动机部件。制造的复合物材料可以用来形成燃气涡轮发动机风扇叶片。该方法可包括以下步骤：利用厚度方向增强的层压材料来形成燃气涡轮发动机部件（例如风扇叶片）。
附图说明
现将参考附图仅以举例说明的方式描述发明，在附图中：
图1示出了层压材料的示意局部截面图；
图2示出了图1的层压材料的厚度方向增强的详细透视图；
图3示出了根据本发明的方法将增强元件插入于层压材料内的一个示例；
图4（a）示出了根据本发明的方法插入增强元件的另一示例；
图4（b）示出了根据本发明的方法插入增强元件的再一示例；
图5示出了根据本发明的方法制造厚度方向层压材料的示例；以及
图6示出了对于用于层压材料的典型环氧树脂，动态黏度与温度之间关系的曲线图。
具体实施方式
图1示出了包括多个纤维层110的层压材料100的示例。在此情形下，纤维层110中每一个包括保持在基质材料130内的多个单向对准的纤维120。单向对准的纤维120可以包括铺设为带的丝束（tow），丝束组合以形成一层。替代地，纤维层110可以以纺织织物的方式用纤维丝束编织而成。
在铺设所述层110以形成层压材料100的厚度之前，基质材料130在纤维层110中每一个中被预浸渍。一旦完成了层压材料100的结构，将使基质材料130固化从而使得纤维层110和基质材料130固结以形成固体复合材料。预期最合适的基质材料130将是聚合基质材料。例如，环氧树脂特别有利地用作聚合基质材料。但是，只是以举例说明的方式给出这些基质材料，并且可以使用任何其它合适基质材料。
在图1的示例中可以看出，替代纤维层110基本上彼此垂直地铺设，但如上文所提到的那样，纤维层110可以包括具有其它取向的纤维。层110中的每一个的相对纤维取向以及纤维层110的量可以根据成品部件将要承受的设计负荷来确定。
在图1的示例中，一个取向的纤维层110沿着X方向设置，而替代取向的那些沿着Y方向设置。为了在厚度方向上增强层压材料100，那么需要将多个增强元件140在Z方向上插入。因此，厚度方向增强可以被称作Z-钉扎。对于利用层压材料100制造的某些复合部件而言，可需要数千个增强元件140。
增强元件140可以包括单个纤维或平行侧面圆柱。替代地，增强元件140可以包括一束纤维。
图2示出了层压材料100的结构，其中，层压材料100由在Z方向上穿过累积纤维层110的厚度插入的增强元件140之一在厚度方向上增强。图2示出了插入的增强元件140如何在每个连续层110上的插入点处迫使对准的纤维120分开。为了插入，增强元件140必须穿过在纤维层110中每一个中预浸渍的基质材料130。
图3示出了使用层压材料100的局部加热来插入增强元件140的方法的示例。通过在其端部之一处施加力，增强元件140插入于层压材料100内。这可以例如利用锤击工具150来实现。锤击工具150可以是超声波锤击工具。向增强元件140施加适当水平的力的其它方法可以是合适的。
提供两个能量束发射器160，其发射在聚焦区190处相交的相对应的能量束170。能量束170具有合适的足够强度使得当在聚焦区190处聚焦在一起时，它们使局部受热区180形成于层压材料100中。在受热区180的局部加热对应于增强元件140所希望的插入位置。通过将能量发射器160调谐到合适的功率水平，束170将在聚焦区190（或者受热区180）软化基质材料130以便使增强元件140易于穿过层压材料100的厚度插入。
层压材料100的其余体积相对地不受热。在聚焦区190的局部加热180保持为用以插入所述增强元件140所必需的最低温度升高，而不达到胶凝点。例如，如果使用具有根据图6所示的曲线图的性质的基质材料130，那么温度可以保持低于大约120℃。
为了在层压材料100中提供适当水平的局部加热，可以优选地提供多于两个能量束发射器160，能量束发射器160发射在聚焦区190相交的相对应能量束170。可以例如设置三个能量束发射器160，提供在聚焦区190聚焦的三个相对应能量束170。可以使用任何实用数量的能量束发射器160。
合适能量束170的一个示例是微波。能量束发射器160因此将为微波发射器。两个或更多个微波聚焦在聚焦区190并且在希望插入增强元件140的位置提供层压材料100的局部加热180。
但可以使用任何合适类型的能量束170。作为另一示例，可以使用超声波能量束170。
图3示出了仅举例而言，局部加热区180部分地延伸穿过层压材料100的厚度。在此情形下，加热了厚度方向大约一半。替代地，可以在增强元件140的所希望的位置局部地加热层压材料100的整个厚度。当穿过层压材料100的厚度形成孔时，可特别希望在厚度方向上局部加热层压材料100。在先前形成孔，然后可以将增强元件140插入于孔内，可以使插入容易并且帮助防止损坏增强元件140。
在插入方法的另一变型中，在增强元件140穿过层压材料100插入时，能量束170的聚焦区190可以跟踪插入元件140的前进。在图4（a）至图4（b）中以举例说明的方式示出了增强元件140的尖端200穿过层压材料100的前进。可以看出，在增强元件穿过层压材料100插入时，聚焦区190在增强元件140的尖端200前方前移。因而，在尖端200穿过层压材料100插入时，局部加热区180领先于尖端200并且因此持续地位于尖端200前方。
图4（a）示出了在尖端200刚刚进入层压材料100后的增强元件140。在图4（b）中，其中增强元件140已部分地插入于层压材料100内，可以看出聚焦区190已随着增强元件140前移使得所形成的受热区180保持在尖端200前方。
随着增强元件140的尖端200靠近聚焦区190，在插入期间，必须小心地确保尖端200不被聚焦能量束170损坏。
以此方式跟踪增强元件140的尖端的优点在于加热区180可以比软化层压材料100的整个厚度所需的区域相对更小。因此，插入过程可能需要甚至更少的能量并且可以进一步将转移给基质材料130的热量减少为插入增强元件140所需的最小值。因此，进一步最小化基质材料130升温太接近其胶凝点的风险并且更多的时间可以用来完成通常所需的许多增强元件140的插入过程。
如上文所提到的那样，为了产生适当结实的最终复合部件，在层压材料100中可能需要数千增强元件140。因此预期为了效率起见，许多增强元件140将同时插入。为了实现这个目的，可以存在能量束发射器160的阵列。多个能量束发射器160可以布置成组，其中，这些组中的每一个提供发射的能量束170的单个聚焦区190。每组发射器160的单个聚焦区190对应于增强元件140之一所希望的位置。因此，多个增强元件140可以在单个步骤插入于聚焦区190中每一个的位置。因此发射器160的整个阵列可以相对于层压材料100移动并且插入增强元件140的新集合。
在图5中示出了利用这种布置来制造厚度方向层压材料的示例。在此示例中，一行成组发射器160（未图示）发射相对应成组的能量束170。在层压材料100中造成的局部受热区180的行形成于能量束180组的聚焦区190的位置。加热区190的行对应于所希望的增强元件140行的位置。一旦插入了增强元件140的行，整个成组的发射器行可以在箭头A的方向上平移（相对于层压材料100）并且新一行的增强元件140可以插入于层压材料100内。
一旦已在厚度方向上增强了层压材料100，其可以固化使得基质材料130硬化并且将层压件固结为固体的复合材料。优选地，这通过将材料加热到其胶凝点使得基质材料130中的反应变成放热和硬化而实现。但是，可以使用其它固化方法，例如紫外线固化。加热过程可以在模具中执行，模具提供复合材料的最终形状。可能需要某些完工/精加工（finishing）过程来完成最终的复合部件。
这种在厚度方向上增强层压材料的方法在制造用于燃气涡轮发动机的复合部件方面是特别适用和有用的。特别地，该方法适用于制造用于燃气涡轮发动机的风扇叶片，其中叶片的重量和强度是特别重要的设计问题。
在不偏离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可实施为其它具体形式。所描述的实施例在所有方面被认为只是说明性的而不是限制性的。因此本发明的范围由所附权利要求而不是由前文的描述限制。属于权利要求的等效物的意义和范围内的所有变化将涵盖于本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种用来向包括基质材料的层压材料提供厚度方向增强的方法，包括以下步骤：
提供层压材料；
在所述层压材料中形成局部受热区以便通过使至少两个能量束的集合聚焦在聚焦区上来局部地软化所述基质材料，所述聚焦区对应于需要厚度方向增强的位置；以及
在所述局部受热区的位置处穿过所述层压材料的厚度插入增强元件以在厚度方向上增强所述层压材料，
其中，所述至少两个能量束中的每个能量束单独的强度设定在不足以加热和/或软化所述层压材料的水平。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述层压材料中形成所述局部受热区的步骤是通过将多于两个能量束的集合聚焦到所述聚焦区上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，形成所述局部受热区的步骤包括：
通过将能量束集合的相对应阵列聚焦到需要在厚度方向增强的位置处的聚焦区的相对应阵列来形成局部受热区的阵列；以及
插入增强元件的步骤包括在对应于所述局部受热区的阵列的位置处，将多个增强元件穿过所述层压材料的厚度插入。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述能量束集合的相对应阵列和所述聚焦区的相对应阵列线性地布置成一行。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法在插入所述多个增强元件的步骤之后，包括以下步骤：相对于所述能量束集合的相对应阵列和所述聚焦区的相对应阵列，将所述层压材料平移到需要进行厚度方向增强的另一位置的集合。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述层压材料中形成所述局部受热区的步骤包括：形成全厚度受热区，其渗透所述层压材料的整个厚度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法包括：在所述层压材料中的所述局部受热区中形成孔的步骤并且然后执行通过将所述增强元件插入于所述孔内来插入所述增强元件的步骤。
8.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述层压材料中形成所述局部受热区和将所述增强元件穿过所述层压材料的厚度插入的步骤基本上同时执行。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述增强元件具有尖端，并且在所述层压材料中形成所述局部受热区的步骤包括在所述增强元件插入时聚焦区跟踪所述增强元件的尖端使得在所述增强元件穿过所述层压材料的厚度插入时所述局部受热区保持在所述尖端前方。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述能量束为微波。
11.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，形成所述局部受热区的步骤包括限制所述局部受热区达到对应于所述基质材料的胶凝点的温度。
12.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，所述基质材料包括聚合基质材料。
13.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于包括以下步骤：使厚度方向增强的层压材料固化以形成复合材料。
14.一种燃气涡轮发动机部件，包括：根据权利要求13所述的方法制造的复合材料。
15.一种燃气涡轮发动机风扇叶片，包括：根据权利要求13所述的方法制造的复合材料。
CN201410141473.3A 2013-04-10 2014-04-10 在厚度方向增强层压材料方法 Active CN104097355B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1306479.5 2013-04-10
GBGB1306479.5A GB201306479D0 (en) 2013-04-10 2013-04-10 A method of through-thickness reinforcing a laminated material

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104097355A CN104097355A (zh) 2014-10-15
CN104097355B true CN104097355B (zh) 2018-06-19

Family

ID=48483661

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410141473.3A Active CN104097355B (zh) 2013-04-10 2014-04-10 在厚度方向增强层压材料方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9944023B2 (zh)
EP (1) EP2789454B1 (zh)
CN (1) CN104097355B (zh)
CA (1) CA2848267C (zh)
GB (1) GB201306479D0 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB201510246D0 (en) * 2015-06-12 2015-07-29 Rolls Royce Plc Method of manufacturing a composite component

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5186776A (en) * 1990-05-07 1993-02-16 Foster-Miller, Inc. Composite laminate translaminar reinforcement apparatus and method
CN1671539A (zh) * 2002-05-22 2005-09-21 格勒普史蒂文斯国际股份公司 用线簇连接的复合叠层
CN102076475A (zh) * 2008-06-24 2011-05-25 空中客车操作有限公司 用于制造纤维增强热塑性复合结构的方法和设备
CN102312682A (zh) * 2010-07-05 2012-01-11 劳斯莱斯有限公司 复合涡轮机叶片

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE845564C (de) * 1949-12-02 1952-08-04 Mix & Genest Ag Verfahren und Vorrichtung zur Erwaermung thermoplastischer Stoffe durch Waermestrahlen zum Zwecke der Warmbearbeitung
US3997385A (en) 1975-08-18 1976-12-14 W. R. Grace & Co. Clamping of film-like material for radiant energy welding
JPS60222230A (ja) 1984-04-19 1985-11-06 Toyota Motor Corp 合成樹脂材料の接合方法およびその装置
US6106646A (en) 1992-09-14 2000-08-22 General Electric Company Method for joining composite materials
JPH10166453A (ja) 1996-12-10 1998-06-23 Sekisui Chem Co Ltd プラスチックの融着装置
JPH10166450A (ja) 1996-12-10 1998-06-23 Sekisui Chem Co Ltd プラスチックの融着装置
US6613392B2 (en) * 2001-07-18 2003-09-02 General Electric Company Method for making a fiber reinforced composite article and product
FR2959442B1 (fr) 2010-04-30 2012-09-28 Eads Europ Aeronautic Defence Procede et dispositif d'assemblage de preformes en composites thermoplastiques
US9498915B2 (en) * 2013-01-02 2016-11-22 The Boeing Company Fabrication of reinforced thermoplastic composite parts

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5186776A (en) * 1990-05-07 1993-02-16 Foster-Miller, Inc. Composite laminate translaminar reinforcement apparatus and method
CN1671539A (zh) * 2002-05-22 2005-09-21 格勒普史蒂文斯国际股份公司 用线簇连接的复合叠层
CN102076475A (zh) * 2008-06-24 2011-05-25 空中客车操作有限公司 用于制造纤维增强热塑性复合结构的方法和设备
CN102312682A (zh) * 2010-07-05 2012-01-11 劳斯莱斯有限公司 复合涡轮机叶片

Also Published As

Publication number Publication date
GB201306479D0 (en) 2013-05-22
CA2848267A1 (en) 2014-10-10
EP2789454B1 (en) 2017-05-03
CA2848267C (en) 2021-04-06
CN104097355A (zh) 2014-10-15
US20140308135A1 (en) 2014-10-16
EP2789454A3 (en) 2014-10-29
EP2789454A2 (en) 2014-10-15
US9944023B2 (en) 2018-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2303537B1 (en) Method and apparatus for fabricating a fibre reinforced thermoplastic composite structure
CN103042732B (zh) 提供层压材料的全厚度增强的方法及增强的层压材料
US20200114596A1 (en) Preform Charges And Fixtures Therefor
JP5705725B2 (ja) マイクロ波重合を使用して繊維強化複合材料からなる構造部分を製造する方法
JP2011042170A (ja) 繊維強化プラスチック構造体及び繊維強化プラスチック構造体の製造方法
CN106794641A (zh) 用于气体涡轮发动机的、由复合材料制成的导向叶片及其制造方法
CN105965989B (zh) 一种炭纤维增强树脂复合材料的制备方法
US20190329506A1 (en) Method of layered lamination of a constructional element with a uniform and/or hybrid fibre-polymer composite in an in-situ method by the use of ultrasonic vibration in a continuous process and a device for the realization of the method
CN104097355B (zh) 在厚度方向增强层压材料方法
CN105172317A (zh) 一种已固化复合材料及其修补结构和连接结构的增强方法
WO2019111571A1 (ja) 複合材料の接合方法及び複合材料
CN104097381B (zh) 制造包括热塑性涂层的增强元件的复合材料的方法
JP2010522652A (ja) 熱可塑性複合部品の成形による製造方法
EP3025853A1 (en) Composite laminate including interlayers with through-plane regions fused to fiber beds
CN104093537B (zh) 固化包含潜伏性固化树脂的复合材料
CN113165275A (zh) 用于连接热塑性复合物质部件的方法
JP5092444B2 (ja) 繊維強化複合材料の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant