CN104470706B - 用于控制低温下接头中的应力的装置及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种复合树脂储罐包括沿着接头接合到穹顶的壁。使用软化带来控制接头中的应力。

Description

用于控制低温下接头中的应力的装置及其制备方法

技术领域

本公开总体涉及复合结构中的结构接头，特别是粘结接头，更具体地讲，涉及一种用于控制低温下的接头中的应力的装置以及该装置的制备方法。

背景技术

某些结构可被专门设计为在低温环境中使用。例如，航天器和运载火箭可采用储罐(tank)来在低温下(通常低于-238华氏度)储存固体推进剂或液体燃料(例如，液氢和/或液氧)。为了减轻航天器或运载火箭的重量，所述储罐可由多个复合部件形成，这些复合部件通过一个或更多个接头彼此附接。在一个这种应用中，复合储罐包括圆筒形外壁，该外壁具有裙边，该裙边通过横截面为Y形的粘结搭接接头接合到穹顶形末端。

在大直径(例如，直径大于大约14至16英尺)的复合低温储罐中，粘结接头中的线载荷可能在接头中导致无法接受的高水平的峰值应力，从而导致接头泄露的可能性。为了增加Y-接头的强度，可在接头的凹口区域中放置软化带。软化带可通过允许结构之间更平滑的载荷传递来降低粘结线中出现的剪切应力峰化。这可通过在环境温度下使用由诸如橡胶的材料形成的软化带来实现，然而，在低温下，橡胶和许多其它常规材料可能无法保持柔软，而是变硬。当在低温下硬化时，软化带可能不再能够控制接头中的剪切应力。

可用作软化带的已知材料在低温环境下还出现多个其它问题。例如，这些材料通常的热膨胀系数(CTE)可能与具有相对低的CTE的接头的其它复合部件不相容。这种CTE的不匹配可能在低温下的接头中导致不期望的热致应力。设计有效软化带的另一挑战在于以下事实：软化带必须在储罐的其它复合树脂部件热固化的温度下保持稳定。另外，可取的是软化带能够被加工成专门针对特定接头应用的形状。

因此，需要一种在低温下有效地控制接头中的应力的软化带装置。还需要一种制备上述这种类型的软化带的方法，该方法相对简单、有效并且非常适合用在生产环境下。

发明内容

公开的实施方式提供一种用于降低低温下的接头中的峰值应力的装置。该装置包括置于接头中的凹口中的软化带，该软化带在低温下保持柔软、柔性和适形，并且有效地使接头中的应力线性化。该软化带可用于在相对大的复合结构中传递线载荷，并且在结构中所使用的热固性树脂通常固化的温度下保持稳定。

根据一个公开的实施方式，提供一种用于控制两个表面之间的接头中的应力的装置。该装置包括适于被置于接头中的三维织物。该三维织物为多孔的，并且包括用塑料粘结剂涂敷的纤维。该三维织物包括机织纤维、编织纤维、层叠纤维层、缝合纤维和针刺纤维层(pinned layers of fibers)中的一个。所述纤维选自由石墨纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和金属纤维构成的组。所述纤维包括沿着三个基本上正交的轴线延伸的纤维，并且可包括直径在大约2微米到15微米的范围内的纤维。所述塑料粘结剂是在室温和低温下均适形的聚合物。所述塑料粘结剂可以是在低于大约-150°F的温度下呈现弹性适形性并且在高至大约400°F或更高的温度下呈现稳定性的含氟聚合物。

根据另一实施方式，一种结构组件包括具有第一表面的第一复合树脂结构和具有第二表面的第二复合树脂结构。所述组件还包括在第一表面和第二表面之间的接头以及用于控制接头中的应力的软化带。该接头可为Y形，该软化带的横截面可为楔形。软化带可被配置为使低温下接头中的应力线性化。软化带为包括纤维的三维织物，所述纤维具有塑料涂层，其在低温下弹性适形。所述塑料涂层是熔点高于使第一和第二复合树脂结构固化所需的温度的聚合物。所述织物为多孔的，并且在低温下，所述纤维是柔性的并且能够响应于通过接头传递的载荷而相对于彼此移动。

根据另一实施方式，提供一种制备用于控制接头中的应力的软化带的方法。该方法包括生成具有三维延伸的纤维的织物预制件，以及用热塑性聚合物粘结剂涂敷所述纤维的表面。涂敷所述纤维的表面的步骤包括制备包含所述热塑性聚合物粘结剂的颗粒的水溶液，将所述织物浸入所述水溶液中，以及通过将所述织物干燥来使所述粘结剂颗粒粘附到所述纤维的所述表面。涂敷所述纤维的表面的步骤包括还可包括将被浸渍的织物置于真空中，以及利用所述真空将所述织物内夹带的气泡从水溶液抽出。涂敷所述纤维的表面的步骤还包括对粘附到所述纤维的所述粘结剂颗粒进行加热，直至所述粘结剂颗粒融化并围绕所述纤维流动在一起为止。所述方法还包括通过对所述织物进行冷揉搓来使被涂敷的纤维之间的任何粘结变松散。通过使织物通过一对辊并在这一对辊之间压缩所述织物，或者在两个模头之间压制织物，来对织物进行冷揉搓。所述方法还可包括在使被涂敷的纤维之间的粘结变松散时使织物成形，以及将带有被涂敷的纤维的织物加工成适合于接头的期望的形状。

根据本公开的一方面，提供一种用于控制两个表面之间的接头中的应力的装置，该装置包括适于被置于所述接头中的三维织物，所述三维织物具有用塑料粘结剂涂敷的纤维。有利地，所述三维织物包括机织纤维、编织纤维、层叠纤维层、缝合纤维和针刺纤维层中的一个。有利地，所述纤维选自由石墨纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维构成的组。有利地，所述纤维包括沿着三个基本上正交的轴线延伸的纤维，并且所述三维织物具有与所述接头匹配的形状，并且与所述表面中的每一个面对面接触。有利地，所述纤维包括直径在大约2到15微米的范围内的纤维。有利地，所述塑料粘结剂是在室温和低温下均适形的聚合物。有利地，所述塑料粘结剂是在低于大约-150°F的温度下呈现弹性柔度并且在高至大约400°F的温度下呈现稳定性的含氟聚合物，并且所述纤维是石墨纤维。有利地，所述三维织物是多孔的并且在低温下为柔性的。有利地，所述纤维和塑料粘结剂在低温下为柔性的。

根据本公开的一方面，提供一种结构组件，该结构组件包括具有第一表面的第一复合树脂结构、具有第二表面的第二复合树脂结构、在所述第一表面和第二表面之间的接头以及在所述接头中用于控制所述接头中的应力的软化带。有利地，所述接头为Y形，所述软化带为楔形并且与所述第一表面和第二表面面对面接触。优选地，所述软化带被配置为使低温下所述接头中的应力线性化。有利地，所述软化带为包括纤维的三维织物，所述纤维具有塑料涂层，其在低温下弹性适形。优选地，所述塑料涂层是熔点高于使所述第一和第二复合树脂结构固化所需的温度的聚合物。优选地，所述织物为多孔的，并且在低温下，所述纤维为柔性的并且能够相对于彼此移动。

根据本公开的一方面，提供一种制备用于控制接头中的应力的软化带的方法，该方法包括：生成具有三维延伸的纤维的织物预制件；以及用热塑性聚合物粘结剂涂敷所述纤维的表面。有利地，涂敷所述纤维的表面的步骤包括：制备包含所述热塑性聚合物粘结剂的颗粒的水溶液，将所述织物浸入所述水溶液中，以及通过将所述织物干燥来使所述粘结剂颗粒粘附到所述纤维的所述表面。优选地，涂敷所述纤维的表面的步骤包括：将被浸渍的织物置于真空中，以及利用所述真空将气泡从所述水溶液抽出。优选地，涂敷所述纤维的表面的步骤包括对粘附到所述纤维的所述粘结剂颗粒进行加热，直至所述粘结剂颗粒围绕所述纤维融化并流动在一起。优选地，所述加热步骤包括将所述粘结剂颗粒加热至至少大约500°F的温度。有利地，涂敷所述纤维的表面的步骤包括：使所述粘结剂的颗粒粘附到所述纤维的所述表面，以及将所述粘结剂颗粒烧结。有利地，所述方法还包括通过对所述织物进行冷揉搓来使被涂敷的纤维之间的粘结变松散。优选地，通过使所述织物通过一对辊并在这一对辊之间压缩所述织物，或者在两个模头之间压制所述织物，来对所述织物进行冷揉搓。优选地，在使被涂敷的纤维之间的粘结变松散时使织物成形。优选地，将带有被涂敷的纤维的织物加工成与接头有关的期望的形状。

所述特征、功能和优点可在本公开的各种实施方式中独立地实现，或者在其它实施方式中被组合，其中进一步的细节可参照以下描述和附图看出。

附图说明

公开的实施方式的特点带来的新颖特征在所附权利要求书中被阐述。然而，通过参考本公开的实施方式的以下详细描述并结合附图阅读，将最佳地理解公开的实施方式以及其优选使用模式、其它目的和优点，附图中：

图1是示出可实现实施方式的航天器制造和服务方法的示意图；

图2是可实现实施方式的航天器的示意图；

图3是示出依据公开的实施方式的航天器的示意图；

图4是依据公开的实施方式的航天器的示意图；

图5是依据公开的实施方式的运载火箭的横截面部分的示意图；

图6是依据公开的实施方式的接头的示意图；

图7是示出依据公开的实施方式的软化带的示意图；

图8是示出依据公开的实施方式的三维预制件的示意图；

图9是示出依据公开的实施方式的软化带的示意图；

图10是依据公开的实施方式的在结构中形成Y-接头的处理的示意性流程图；

图11是依据公开的实施方式的针对储罐形成Y-接头的处理的示意性流程图；

图12是依据公开的实施方式的在复合低温储罐与复合裙边之间形成Y-接头的处理的示意性流程图；

图13是依据公开的实施方式的形成软化带的处理的示意性流程图；

图14是三维织物预制件的另选实施方式的示意性透视图，所述三维织物预制件具有涂敷有塑料粘结剂的纤维，为了清晰起见某些交叉的纤维被放大。

图15是沿着图14中的线15-15截取的示意性截面图。

图16是在用塑料粘结剂涂敷之前形成织物预制件的一部分的交叉纤维的示意性透视图。

图17是类似于图16的示意图，但示出在用塑料粘结剂涂敷之后的纤维，虚线指示由接头载荷引起的被涂敷的纤维的移位部分。

图18是图3、图5和图6所示的Y-接头中沿其长度的剪切应力的示意性曲线图。

图19是利用图14所示的织物预制件制备软化带的方法的示意性流程图。

图20是穿过滚轧机(roll forming machine)的织物预制件的示意图。

图21是在两个模头(die)之间形成织物预制件的示意性侧视图。

图22是低温下使用的储罐的制备方法的示意性流程图。

具体实施方式

更具体地参照附图，本公开的实施方式可在如图1所示的航天器制造和服务方法100和如图2所示的航天器200的背景下进行描述。首先转向图1，描绘示出依据一个公开的实施方式的航天器制造和服务方法的示图。

在生产前期，示例性航天器制造和服务方法100可包括图2中的航天器200的规格和设计102以及材料采购104。在生产期间，进行图2中的航天器200的部件和分总成制造106以及系统集成108。随后，图2中的航天器200可经受认证和配送110以便投入使用112。在客户投入使用的同时，为图2中的航天器200安排例行维护和服务114(可包括修改、重新配置、改造以及其它维护或服务)。

航天器制造和服务方法100的各个处理可由系统集成商、第三方和/或运营商来执行或完成。在这些示例中，运营商可以是客户。为了进行描述，系统集成商可包括(但不限于)任何数量的航天器制造商和主系统分包商；第三方可包括(但不限于)任何数量的卖方、分包商和供应商；运营商可以是国家、租赁公司、军方实体、服务组织等。

现在参照图2，描绘了可实现实施方式的航天器的示图。在此示例中，航天器200可通过图1中的航天器制造和服务方法100来生产。航天器200可包括具有多个系统204和内部206的结构202。系统204的示例包括(例如，但不限于)推进系统208、电气系统210、液压系统212和环境系统214中的一个或更多个。可包括任何数量的系统。另外，在一些实现方式中，可能不需要这些系统中的一些。例如，当航天器200为运载火箭的形式时，环境系统214可能没有必要。

可在图1中的航天器制造和服务方法100的任一个阶段期间采用本文中实现的设备和方法。例如，在图1中的部件和分总成制造106中生产的部件或分总成可按照与图1中航天器200投入使用112的同时生产的部件或分总成相似的方式来加工或制造。

另外，作为示例(但不限于)，可在诸如图1中的部件和分总成制造106以及系统集成108的生产阶段期间利用一个或更多个设备实施方式、方法实施方式或其组合。这些实施方式可显著加快航天器200的组装或降低航天器200的成本。

在这些示例中，实施方式可被实现为将推进系统208中的部件附接到航天器200中的结构202。在其它实现方式中，可应用不同的实施方式来将航天器200内的任何结构附接到任何其它结构。

不同的实施方式考虑到，可能可取的是相对于各种力增加航天器的结构与容纳推进剂的储罐之间当前可用的接头的强度超过当前水平。接头上的力可包括(例如，但不限于)航天器的结构与储罐之间的接头处的剪切力。当前储罐可以是通常使用焊接接头的金属储罐。在这些示例中，接头可为Y-接头的形式。可采用复合储罐以减轻金属储罐的重量。然而，对于这些类型的复合储罐，利用当前可用的Y-接头设计和技术可能无法实现强度增加的Y-接头。

不同的实施方式可使用软化带来延伸两个结构之间的粘结Y-接头的强度。例如(但不限于)，当前可用的大的固体火箭发动机可在Y-接头中使用橡胶软化带。不同的实施方式考虑并认识到，针对可用于不同工作温度的软化带找到合适的材料可能存在困难。对于低温储罐，这些温度可能是非常低的温度，例如(但不限于)，低于-238华氏度。这些温度也可被称作低温。

不同的实施方式认识到，合适的材料可在不同的工作温度下保持柔软。固体火箭发动机中当前使用的橡胶材料可能无法在低温下使用，因为这些材料可能变得过硬。所需材料即使在低温时也可相对于粘附体保持柔软。粘附体可以是借助粘合物质附接到另一物体的物体。

不同的实施方式还考虑并认识到，软化带的热膨胀系数可与粘附体匹配或者在粘附体的一些阈值极限内，以防止由热致应力引起的接头失效。

因此，不同的实施方式提供一种用于强化或形成诸如(例如，但不限于)Y-接头的接头的方法和设备。在不同的实施方式中，可存在三维预制件，其中塑料基质被浸渍到三维预制件中以形成软化带。该软化带能够在材料为液态形式的温度下保持柔性，其中在环境温度下所述材料为气态形式。换言之，不同的实施方式可在气体为液态或液态形式的温度下使用。例如(但不限于)，所述软化带能够在低温下保持柔性。低温可以是空气的组成可液化的温度。例如，低温可以是低于-150摄氏度左右的温度。

现在参照图3，描绘示出依据另一实施方式的航天器的示图。航天器300是图2中的航天器200的示例。在此示例中，航天器300可包括结构302和结构304。结构302可以是为航天器300的其它部件提供框架或其它支撑的航天器的结构。在此示例中，结构304可以是(例如，但不限于)储罐306。当然，结构304可以是可设置在航天器300内的将附接到结构302的任何其它部件。

结构302的表面308可附接到结构304的表面310以形成接头312。在这些示例中，接头312可为Y-接头314的形式。在这些示例中，可通过将表面308粘结到表面310来执行所述附接。粘结可以是将部件或结构紧固到彼此的处理。在这些示例中，粘结可按照许多不同的方式来执行。例如(但不限于)，粘结可包括使用粘合剂、焊接、紧固件、固化处理或者一些其它合适的处理。

不同的实施方式可应用于任何类型的结构接头，例如(但不限于)这样的接头，其中载荷在接头中的最短、最具刚性的载荷路径附近达到峰值，然后向较长、较软的载荷路径下落。与远离边缘处相比，任何承载大量剪切的搭接接头可趋于在接头的边缘处更快速地传递载荷。这种情况可能是因为穿过结构的载荷分布与可用载荷路径的相对刚度成比例。

假定横截面积相同，则短载荷路径可比长载荷路径更具刚性。这种情况可导致在接头末端处剪切达到峰值的常见现象。如果可在这种接头的起点外侧形成附加的软载荷路径，则总载荷的一部分可通过此附加路径来传递，从而降低原始接头所承载的载荷并降低剪切峰化。这可以是软化带的特征。

一些接头中的改良可以是使软化带渐缩，以使得辅助载荷路径的刚度可随着载荷靠近原始接头而不断增加。这一特征可使得横跨接头的剪切按照一致的低水平更均匀地传递。这种传递可取代简单搭接接头的突然峰化剪切特性或者可使用均匀厚度的软化带形成的两个或更多个中等剪切峰值。

在该描绘的示例中，带316可在接头312中和/或在接头312附近附接到表面308和表面31。带316可充当软化带以增加接头312相对于可能施加到接头312的力的强度。例如(但不限于)，这些力可包括结构302和304上的剪切力。在这些示例中，剪切力可以是在线318的方向上施加到结构302和304的力。

在不同的实施方式中，带316可包括三维预制件320和塑料基质322。三维预制件320可以是三维结构，并且可为三维织物324的形式。例如(但不限于)，该织物可以是由机织纤维、编织纤维、层叠织物层和/或一些其它合适的材料中的至少一个构成的织物。当使用纤维时，这些纤维可包括(例如，但不限于)石墨纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维(aramidfiber)、金属纤维或者任何其它合适的结构纤维。

如本文所用，短语“…中的至少一个”在与项目列表一起使用时表示可使用这些项目中的一个或更多个的不同组合，并且可仅需要列表中的各个项目之一。例如，“项目A、项目B和项目C中的至少一个”可包括(例如，但不限于)项目A、或者项目A和项目B。此示例还可包括项目A、项目B和项目C、或者项目B和项目C。

塑料基质322可由任何塑性材料构成，所述塑性材料可在储罐306的工作温度下保持或提供柔性。储罐306的工作温度可以是低温下或低温附近的温度。在这些示例中，塑料可以是任何合成或半合成的聚合材料或产品。聚合可以是使单体分子在化学反应中一起反应以形成直链或聚合物链的三维网的过程。例如(但不限于)，可使用的塑料类型的示例包括氟碳和氨基甲酸酯(urethane)。可使用的氟碳的一个示例为聚合物。是杜邦公司的注册商标。

这样，储罐306可利用接头312附接到结构302，该接头312被形成为其中可存在带316。带316的使用可提供附加强化以增加强度，从而抵御可施加到结构304和储罐306的各种力，例如(但不限于)剪切力。

提供图3中的航天器300的示意图以示出各种实施方式的一个实现方式。该示意图并非意在暗示对不同实施方式可实现的方式的架构或物理限制。例如，结构302和结构304可以是航天器300以外的另一载体内的结构。例如，结构可以是存在于飞机中的结构。在其它实施方式中，航天器300可为诸如(例如，但不限于)航天飞机、运载火箭、航天飞机和运载火箭的组合或者能够进行太空旅行的一些其它合适的载体的航天器的形式。

现在参照图4，描绘了依据实施方式的航天器的示图。在此示例中，运载火箭400是图3中的航天器300的一个实现方式的示例。运载火箭400具有前段402和尾段404。运载火箭400可具有纵向轴线406。运载火箭400是可实现图3中的Y-接头314的航天器的示例。段408可以是运载火箭400的可找到和/或实现Y-接头314的那部分的示例。

现在参照图5，描绘了依据实施方式的运载火箭的横截面部分的示图。在此示图中，描绘了运载火箭400的段408沿着纵向轴线406的横截面。

在此示例中，箭头501指向运载火箭400的前部，而箭头503指向运载火箭400的尾部。

在此示意性示例中，运载火箭400中的储罐504可包括穹顶506、穹顶508和壁510。在这些示例中，壁510可以是圆筒形壁。壁510可附接到前裙边512和尾裙边514。壁510可位于前裙边512和尾裙边514之间。在此示例中，壁510可以是储罐504的加压部分，而前裙边512和尾裙边514可位于储罐504的未加压部分。

前裙边512和尾裙边514是可附接储罐504的结构的示例。在这些示例中，这些不同的结构可为圆筒形式，在图5中仅可看到其横截面。在该描述的示例中，可存在Y-接头520和Y-接头522。Y-接头520可由穹顶506、壁510和前裙边512的交汇处形成。Y-接头522可由穹顶508、壁510和尾裙边514的交汇处形成。在这些示例中，Y-接头520和Y-接头522可在围绕轴线524的圆周方向上为连续的。

在这些示例中，储罐504可为复合低温储罐的形式。储罐504可保存诸如(例如，但不限于)液氢和/或液氧的推进剂。在此示例中，储罐504可保存液氢。在此示例中，储罐504的直径可大于16英尺左右。段530中的Y-接头520的更详细的示意图在下面的图6中示出。

现在转向图6，描绘了依据另一实施方式的接头的示图。如段530中所示，前裙边512可包括外侧表皮600、芯602和内侧表皮604。在此示例中，外侧表皮600和内侧表皮604可为面板，芯602位于这些面板之间。芯602可为低密度结构元件。在其它用途当中，芯602可用于在外侧表皮600和内侧表皮604之间传递载荷。芯602可为各种形式。例如，芯602可为凹槽、蜂窝或其它合适的形式。在这些示例中，凹槽式结构可以是用于芯602的期望的结构。

在该示意性示例中，Y-接头520可形成在穹顶506、壁510和前裙边512的交汇处。Y-接头520可具有设置在Y-接头520中或Y-接头520附近的软化带606。软化带606可粘结到内侧表皮604和储罐504。

在不同的实施方式中，软化带606可随内侧表皮604到储罐504的粘结一起被共粘结到内侧表皮604和储罐504。换言之，这些不同的部件可同时被彼此共粘结。在这些示例中，共粘结可为一个或更多个固化处理的形式，在所述固化处理中可将软化带606、内侧表皮604和储罐504中的复合部件固化以将这些部件粘结到彼此。

为了描述可实现不同实施方式的一个方式的目的而呈现了储罐504的示意图。在不同的实施方式中，软化带606可被应用于其它储罐和/或裙边几何结构。例如，尽管储罐504被示出为具有圆筒形壁，但可采用其它储罐配置。例如，壁510可使用圆锥形壁。另外，其它储罐可能不是那么对称。不管储罐504的结构或形状如何，均可使用Y-接头。

现在参照图7，描述了示出依据实施方式的软化带的示意图。在图示示例中，以透视图来示出软化带606。此示例中的软化带606的示意图仅是软化带606的一部分。软化带606可为圆形形状以遵循壁510的周边。软化带606的尺寸可根据具体实现方式而变化。在此示例中，软化带606的末端700在截面708中的厚度可为0.2英寸左右。在这些示例中，末端702可具有尽可能薄的厚度，以防止在Y-接头520中引入导致应力上升。在这些示意性示例中，基于制造和/或处理容易，末端702的厚度可尽可能薄。

对于在Y-接头520中使用软化带606，如段710中所示，软化带606从末端700至末端702的长度可为4英寸左右。另外，在这些示例中，软化带606可围绕储罐504的全部圆周延伸。软化带606的其它尺寸可根据具体实现方式而变化。当然，软化带606可具有将被放置在结构之间的接头中的Y-截面或其它空间内所需的任何尺寸。尽管针对软化带606示出了恒定和/或均匀的横截面，但所述横截面可根据接头的配置而变化。

软化带606可按照如图6所示贴合在Y-接头520内的方式来成形。在此示例中，软化带606可具有楔形，其中软化带606在末端700处可比在末端702处厚。

软化带606的侧面705上的贴合面(faying surface)704可粘结到图6中的内侧表皮604，软化带606的侧面707上的贴合面706可粘结到图5中的储罐504。软化带606可与如图6所示形成Y-接头520的其它部件一起共固化。

现在参照图8，描绘了依据实施方式的三维预制件的示图。预制件800是图3中的三维预制件320的示例。

在示意性示例中，预制件800可以是机织三维石墨纤维预制件。当然，可针对预制件800使用其它类型的材料和其它类型的结构。例如(但不限于)，预制件800中可使用的材料的其它示例包括玻璃纤维、硼纤维、芳族聚酰胺纤维、聚乙烯纤维以及其它合适的材料。预制件800可由编织纤维或者层叠或分层的织物形成。然后可利用z-销连(z-pinning)方法将层叠织物材料固定在一起，在该方法中可在高压釜中利用压力将针刺(pin)插入和推入层叠织物中。又如，可在箭头802所指示的第三维度上将用于预制件800的织物材料彼此缝合。

现在参见图9，描绘了示出依据实施方式的软化带的示图。在此示例中，预制件800可被浸渍塑料基质900。可使用适合于将塑料基质900置于预制件800中的任何方法或处理将塑料基质900内的塑性材料置于预制件800中。

在这些示例中，塑料基质900可以是能够在材料可为液态形式的温度下维持柔性的任何塑性材料，其中该材料在环境温度下通常可为气态形式。在这些示例中，环境温度可以是航天器周围环境的温度。换言之，当航天器在地面上时，环境温度可以是航天器周围的空气中的温度。

预制件800和塑料基质900的组合形成软化带902。然后软化带902可被加工、切割和/或以某种其它合适的方式形成为诸如图6中的软化带606的形状以在Y-接头中使用。

预制件800可抑制软化带902过度热收缩(这可与高膨胀系数相关联)。这些高膨胀系数可为可在低温下保持柔性的软化带基质材料的特点(例如，塑料基质900的特点)。在任何方向上的过度收缩可能在软化带902与任何相邻结构之间的粘结线中形成热致应力。这些类型的应力可削弱接头。因此，可利用预制件800来构造软化带902以提供三维强化，而非二维强化。

接下来参照图10，描绘了依据实施方式的在结构中形成Y-接头的处理的流程图。图10所示的处理可用于在第一结构与第二结构之间形成接头。

所述处理以将软化带置于第一结构的接头区域中(操作1000)开始。软化带能够在气体为液态形式的温度下保持柔性。然后，所述处理叠加和/或定位第二结构(操作1002)。随后，软化带粘结到第一结构和第二结构以形成接头(操作1004)，随后所述处理终止。这种粘结可利用各种机制(包括共固化、固化或者其它合适的粘结技术)来执行。

参照图11，描绘了依据实施方式的针对储罐形成Y-接头的处理的流程图。图11所示的处理可以是图10中的处理的一个实现方式的详细示例。图11所示的处理可用于在复合低温储罐与复合裙边之间形成Y-接头。

所述处理可通过铺设储罐的穹顶和壁(操作1100)开始。随后，可将软化带置于接头区域中(操作1102)。在操作1002中，可利用粘合剂膜将软化带置于该区域中。

接下来，叠加裙边结构(操作1104)。裙边结构可随软化带一起被叠加在穹顶和壁所在的区域上方。然后将这些部件固化(操作1106)，随后所述处理终止。固化步骤可利用热和/或压力来执行。这种固化可利用高压釜或者一些其它合适的烘箱来执行。在其它实施方式中，可利用电子束来使这些部件固化。固化操作1106的结果可以是与图5中的接头520类似的接头。

现在参照图12，描绘了依据实施方式的在复合低温储罐与复合裙边之间形成Y-接头的处理的另一流程图。

所述处理可通过将储罐的穹顶和储罐的壁的内侧面板叠加在工具上并使叠加物固化(操作1200)来开始。例如(但不限于)，穹顶可以是穹顶506，储罐壁的面板可用于诸如(例如，但不限于)图5中的壁510的壁。在这些示例中，所述工具可以是用于不同复合部件的成形的模具。

所述处理可将膜粘合剂置于软化带上的贴合面704和706上(操作1202)。操作1202中的软化带可以是诸如(例如，但不限于)图7中的软化带606的软化带。在这些示例中，贴合面704和706是将粘结到另一结构的结构的表面。换言之，当两个结构彼此粘结时，彼此接触以形成接头的表面可被称作贴合面。

然后，所述处理可抵靠穹顶和储罐壁的内侧面板上的粘合剂定位软化带(操作1204)。然后，所述处理可利用局部加热层使将软化带接合到储罐的粘合剂固化(操作1206)。在操作1206之后，软化带可粘结到储罐壁。然后，可将软化带修剪成在储罐壁上就位的最终形状(操作1208)。然后，所述处理可定位裙边工具并将裙边附接到储罐工具(操作1210)。

然后，所述处理可将膜粘合剂置于用于裙边512的内侧壁的贴合面704和706上(操作1212)。然后，所述处理可叠加裙边的内壁并使部件固化就位(操作1214)。

接下来，可将粘合剂置于用于裙边512和芯602的贴合面704和706上(操作1216)。芯602可以是位于结构壁的两个面板之间的结构元件。然后，所述处理可叠加壁夹芯和外侧面板，并使所述部件固化就位(操作1218)，随后所述处理终止。在操作1218中，外侧面板可以是(例如)图6中的外侧表皮600。

现在参照图13，描绘了依据实施方式的形成软化带的处理的流程图。图13所示的处理可用于形成用于图11和12中的操作的软化带。

所述处理可通过形成三维预制件(操作1300)开始。在这些示例中，操作1300可通过(例如，但不限于)编织纤维、机织纤维、层叠材料以及执行z-销连或者某种其它合适的处理来执行。

接下来，可将塑料基质注入三维预制件中(操作1302)。在这些示例中，塑料基质可以是聚合物。对于这种类型的聚合物，可将干粉置于三维预制件上并且将其揉搓到(work into)预制件中。例如，操作1302中的注入可涉及振动预制件，然后施加热和压力以执行向预制件中的注入。操作1302中的热和压力可利用高压釜来执行。

可使预制件成形(操作1304)。在操作1304中，可将预制件加工、切割或利用某种其它合适的处理成形为用在Y-接头中的形状。所述处理可对软化带的表面、贴合面704和贴合面706进行蚀刻(操作1306)。这种蚀刻可以是酸蚀。氟碳蚀刻剂是用于制备用于粘结的氟碳表面的市售蚀刻剂的示例。氟碳蚀刻剂可得自戈尔公司(W.L.Gore and Associates,Inc.)，是戈尔公司的注册商标。这种蚀刻可用于允许粘合剂膜附接到预制件的表面。然后，所述处理可将粘合剂膜附接到软化带的各个侧面，侧面708和侧面707(操作1308)，随后所述处理终止。粘合剂带可允许软化带在固化处理期间附接并固化到裙边和储罐的穹顶。

现在关注图14，图14示出可置于两个结构的表面之间的接头(例如，前述储罐穹顶506与储罐壁510之间的接头520(图6))中的软化带1400的另一实施方式。软化带1400用于控制接头520中的应力并且包括浸渍塑料粘结剂的三维多孔织物预制件1424。具体地讲，软化带1400使接头520中的应力线性化，从而甚至在低温下也降低接头520中的峰值应力。

三维织物预制件1424包括纤维1402，这些纤维被机织、编织、分层或以其它方式布置在一起，使得纤维预制件1424在结构上自支撑并且具有相对高的应变能力。构成纤维1402被布置以提供在经受应力(甚至在低温下)时具有回弹力的纤维预制件1424。纤维1402可包括(但不限于)碳纤维，这些碳纤维沿着基本上正交的轴线1408、1410、1412布置并且通常在整个织物预制件1424上成比例且均匀分布，从而提供具有准各向同性特性的纤维预制件1424。然而，在其它实施方式中，纤维1402无需正交、成比例或均匀分布。

碳纤维的使用提供具有高强度和相对低的CTE的软化带1400，从而得到内聚的、可被容易地加工成期望的最终形状并且可在储罐制造处理期间被处理的纤维预制件1424。可使用其它纤维，包括(但不限于)玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维和金属纤维，只要它们在低温下呈现必要的强度和柔性。如本文所用，“低温”包括通常低于大约150华氏度的温度。在一个实施方式中，可使用直径在大约2微米到15微米的范围内的纤维1402。

塑料粘结剂在如下所述烧结时形成包封纤维1402的塑料涂层1414，并且提供具有足够刚度以能够被加工成适合于应用的最终期望的形状的纤维预制件1424，同时有助于软化带1400在低温下的弹性柔性和适形性。塑料粘结剂可包括先前所述的任何热塑性塑料，例如(但不限于)熔点为大约500华氏度的FEP(氟化乙丙烯)。其它含氟聚合物也可为合适的。针对特定应用选择的塑料粘结剂应该为弹性适形的，并且在室温和低温下均具有足够的柔软度和柔性，然而在结构的复合热固性树脂部件热固化的温度(通常可在大约300到400华氏度的范围内)下仍保持稳定。另外，塑料粘结剂应该具有相对接近纤维1402的低CTE。针对纤维1402和塑料粘结剂选择CTE接近储罐穹顶506和储罐壁510中使用的复合树脂的CTE的材料将使接头520中的任何热致应力最小化。

在图14中，织物预制件1424被示出为包括单独的大致正交的纤维1402。然而，如图15所示，图14中所示的各个纤维1402可为纱线1402，所述纱线1402包括多个相对小直径的互锁的纤维1402a，这些纤维1402a可被加捻、粘结或者以其它方式接合在一起以形成内聚线(在本领域中有时称作“单根”)。因此，如本文所用，术语“纤维”旨在包括单根纤维、纤维束或者单根纤维和纤维束的组合。

参照图16，当初始被制造成三维预制件1424时并且在用塑料粘结剂涂敷之前，正交纤维1402可在交汇1416处彼此交叉和接触。如图17所示，在纤维预制件1424浸渍塑料粘结剂之后，所得塑料涂层1414围绕纤维1402并且可在交汇1416处包封多根纤维1402。然而，如图14所示，在用塑料粘结剂涂敷之前和之后的纤维1402之间的间距使得织物预制件1424包含孔隙1420，从而使得软化带1400多孔。这种孔隙有助于维持软化带1400在低温下的柔软度和柔性。

参照图17，当通过软化带1400传递载荷时，牢固但柔性的纤维1402可弯曲、挠曲或者说相对于彼此移动，从而吸收接头中的一些应力并且降低峰值应力。例如，随着通过接头520(图6)传递载荷，纤维1402可单独地或一起偏移或挠曲至由虚线1722所示的位置。随着三维织物预制件1424的各个纤维1402以这样的方式移位，甚至在低温下，塑料涂层1414也保持足够柔软和柔性，使得它随纤维1402一起挠曲和移动。

图18示出曲线图1800，该曲线图示出接头520(图6)中沿其长度L的应力τ，其中，软化带1400的长度被指示为L₁。虚线的曲线1810表示在不使用软化带1400的情况下接头520中的应力，显露出峰值应力1812出现在接头520的开始处。曲线1804表示沿着软化带1400的长度L₁通过接头520传递的应力τ。从曲线图1800明显的是，软化带1400有助于控制和分布应力τ，从而导致接头的开始处的峰值应力τ从1812处所示的水平降低至1806处所示的水平。

现在关注图19，图19示出制造软化带1400的方法的总体步骤。从1902处开始，通过机织、编织或者将纤维1402组合在一起成为基本上均匀的自支撑的结构的其它合适的处理来制造合适的三维织物预制件1424。如前所述，纤维1402可包括碳或者适合于应用并且在低温下呈现期望的强度和柔性的其它类型的纤维材料。然后在1904处所示的一系列步骤中利用合适的塑料粘结剂涂敷在步骤1902制造的织物预制件1424。

在步骤1906，将三维织物预制件1424浸入塑料粘结剂材料(例如但不限于，诸如先前所述的FEP的热塑性塑料)的水溶液中。所述水溶液可通过将塑料粘结剂的细小的干燥颗粒引入水或其它合适的液体载体中(浓度取决于应用)来制备。塑料粘结剂的颗粒在整个水溶液中可保持分散，并且不会沉淀，从而不需要乳液的周期性的搅动或混合。在1908，由于织物预制件1424可能被紧密地机织，并且尽管多孔，但是可能无法容易地使水溶液进入并完全饱和的事实，导致可能有必要通过对织物预制件1424进行揉捻来将水溶液揉搓到织物预制件中。织物预制件1424在水溶液中的这种“揉搓”可通过手或者利用导致织物预制件1424与水溶液之间的移动和搅动的合适机器来执行。

在步骤1910，织物预制件1424在仍浸入塑料粘结剂的水溶液中的同时可经受真空，以便去除被夹带在织物预制件1424内的任何气泡并且确保织物预制件1424完全被水溶液饱和。气泡是不期望的，因为它们可能防止纤维1402被溶液润湿。纤维预制件1424保持浸入水溶液中达纤维预制件1424变得完全饱和所需的时间长度，使得所有纤维1402均变得润湿。在步骤1912，将饱和的织物预制件1424从水溶液取出然后利用任何合适的技术(包括但不限于简单空气干燥)来干燥。这种干燥处理导致水溶液中的塑料粘结剂颗粒彼此粘附和粘附到纤维1402，从而覆盖织物预制件1424的纤维1402。在步骤1914，为了使得粘附的塑料粘结剂颗粒结合成固结的涂层，将被浸渍的织物预制件1424置于烘箱中并在足够高的温度下烘焙，以导致粘结剂颗粒的融化或烧结。在FEP用作粘结剂材料的情况下，可在大约620华氏度的温度下实现烧结。

步骤1914中的烧结可得到塑料涂层，导致织物预制件1424的纤维1402在交汇1416处粘结在一起，使得织物预制件1424不如期望那么柔性。为了实现低温下的期望的柔性和柔软，可在步骤1916处通过冷揉搓或成形对被浸渍并烧结的织物预制件1424进行机械揉搓，如随后将更详细讨论的。被浸渍并烧结的织物预制件的这种冷揉搓可使纤维预制件1424的纤维1402之间(特别是交汇1416处)可能形成的任何粘结断开，和/或可使塑料涂层1414断裂或开裂，从而使织物预制件1424“变松散”，以使得它更柔性并且更适合于在低温下使接头520中的应力线性化。

像先前所述的实施方式中的情况一样，在步骤1718，可利用任何合适的机加工技术将涂敷的织物预制件1424加工成与接头520的几何形状匹配的形状。在前述穹顶形储罐的情况下，可将织物预制件1424加工成渐缩的或楔形的横截面，以使得随着载荷靠近原始接头，辅助载荷路径的刚度不断增加。这一特征可使得横跨接头的剪切按照一致的低水平更均匀地传递。

现在关注图20，图20示出用于对平坦、被浸渍的三维织物预制件1424进行冷揉搓的一种技术。在此示例中，可使用诸如滚轧成形机2002的设备对纤维预制件1424进行冷揉搓以及将其压缩，以如前所述使纤维1402和塑料涂层1414二者“变松散”。滚轧成形机1802可包括在相反的方向上旋转的一对辊2004。织物预制件1424被进料2006至辊2004之间的辊隙2008中。根据辊2004的位置和配置，织物预制件1424可被轧制成适合于应用的期望的轮廓或曲率。另外，根据应用，纤维预制件1424可在被冷揉搓之前或之后被加工。

图21示出用于同时冷揉搓以及使织物预制件1424成形为期望的形状的另一技术。在此示例中，使用分别具有匹配的模头表面2104、2106的一对匹配的模头2100、2102来对纤维预制件1424进行冷揉搓，同时使它成形为期望的形状。匹配的模头2100、2102可被置于压机(未示出)中，纤维预制件被置于模头2100、2012之间。压机使模头之一2100移位2108，从而迫使纤维预制件1424进入第二模头2102中，从而将织物预制件1424压缩并成形。

现在关注图22，图22示出制造低温储罐的方法的总体步骤，其中使用软化带1400来降低一个或更多个接头520中的峰值应力。从步骤2200开始，叠加复合树脂储罐壁510和储罐穹顶506。储罐壁510和储罐穹顶506可各自包括用诸如碳纤维的纤维强化的纤维强化热固性树脂(例如但不限于，环氧树脂或BMI(双马来酰亚胺))的多重叠加。在步骤2202，利用先前描述并且图19示出的处理来制造合适的软化带1400。在步骤2204，将软化带1400置于叠加步骤2200期间的储罐壁510与储罐穹顶506之间的接头520中。软化带1400用于降低接头520中的应力(包括在低温下出现的那些应力)。在步骤2206，如先前结合图10-13所描述的，将储罐穹顶506、储罐壁510和软化带1400共粘结。

流程图中所示的不同操作可不包括可针对不同实施方式执行的所有不同的步骤。例如，可在以上示出的不同的处理期间执行其它操作(例如但不限于，粘结准备、填隙、加隔板(caul plating)以及其它合适的操作)。另外，在一些实施方式中，根据具体实现方式，一些操作可同时执行或者按照不同的顺序执行。

因此，不同的实施方式提供一种用于增加不同结构之间的接头的强度的方法和设备。不同的实施方式可包括三维预制件，塑料基质被浸渍或注入三维预制件中以形成软化带。该软化带能够在材料为液态形式(该材料在环境温度下为气态形式)的温度下保持柔性。

呈现不同实施方式的描述是为了说明和描述的目的，并非意在为穷尽性的或限于所公开形式的实施方式。对于本领域普通技术人员而言许多修改和变型将是明显的。

尽管不同的示意性示例示出在用于航天器的Y-接头中使用软化带，但该软化带可用在航天器以外的对象中。例如(但不限于)，软化带可用在潜艇、飞机、建筑物、水坝、生产设备、发电厂、坦克、汽车或者一些其它合适的对象中的结构的接头中。

另外，不同的实施方式可提供与其它实施方式相比不同的优点。所选的一个实施方式或多个实施方式被选择并描述是为了最佳地说明实施方式的原理、实际应用，并且使得本领域普通技术人员能够理解具有适合于可以想到的特定用途的各种修改的本公开的各种实施方式。

Claims (13)

1.一种用于控制两个表面之间的接头中的应力的装置，该装置包括：

适于被置于所述接头中的三维织物，所述三维织物具有用塑料粘结剂涂敷的纤维，

其中，被涂敷的纤维之间的粘结通过对所述织物进行冷揉搓而变松散。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述三维织物包括机织纤维、编织纤维、层叠纤维层、缝合纤维和针刺纤维层中的一个。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述纤维选自由石墨纤维、玻璃纤维和芳族聚酰胺纤维构成的组。

4.根据权利要求1所述的装置，其中：

所述纤维包括沿着三个基本上正交的轴线延伸的纤维，并且

所述三维织物具有与所述接头匹配的形状，并且与所述表面中的每一个面对面接触。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述纤维包括直径在2微米到15微米的范围内的纤维。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述塑料粘结剂是在室温和低温下均适形的聚合物。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中：

所述塑料粘结剂是在低于-150°F的温度下呈现弹性柔度并且在高至400°F的温度下呈现稳定性的含氟聚合物，并且

所述纤维是石墨纤维。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的装置，其中，所述三维织物是多孔的并且在低温下为柔性的。

9.一种制备用于控制接头中的应力的软化带的方法，该方法包括以下步骤：

生成具有三维延伸的纤维的织物预制件；

用热塑性聚合物粘结剂涂敷所述纤维的表面；

通过对所述织物进行冷揉搓来使被涂敷的纤维之间的粘结变松散。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，涂敷所述纤维的表面的步骤包括：

制备包含所述热塑性聚合物粘结剂的颗粒的水溶液，

将所述织物浸入所述水溶液中，以及

通过将所述织物干燥来使所述粘结剂颗粒粘附到所述纤维的所述表面。

11.根据权利要求10所述的方法，其中，涂敷所述纤维的表面的步骤包括：

将被浸渍的织物置于真空中，以及

利用所述真空将气泡从所述水溶液抽出。

12.根据权利要求10或权利要求11所述的方法，其中，涂敷所述纤维的表面的步骤包括对粘附到所述纤维的所述粘结剂颗粒进行加热，直至所述粘结剂颗粒熔化并围绕所述纤维流动在一起为止。

13.根据权利要求9或权利要求10所述的方法，其中，涂敷所述纤维的表面的步骤包括：

使所述粘结剂的颗粒粘附到所述纤维的所述表面，以及

将所述粘结剂颗粒烧结。