CN105437562B - 压印图案到复合材料层压件上 - Google Patents

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Abstract

一种复合材料纤维，其可以包括由第一材料形成的至少一个增强纤维丝。第二材料可以以一压印图案被有序地沉积到至少一个增强纤维丝上，使得所述第二材料的长度、宽度和厚度中的至少一者在所述至少一个增强纤维丝的表面上变化。压印图案可以改变包含复合材料纤维的复合材料结构的一种或更多种特性。

Description

压印图案到复合材料层压件上
技术领域
本公开大体涉及复合材料结构，并且更具体地，涉及将改性材料压印到复合材料层压件上。
背景技术
复合材料结构通常包括嵌入树脂基体的连续增强纤维。复合材料层压件是一种包含布置成堆叠的复合材料层片的铺层的复合材料结构类型。复合材料铺层中的单个复合材料层片可以在堆叠之前被树脂预浸渍(例如，预浸层片)。预浸层片的堆叠可以被布置成使得每个层片中的连续增强纤维沿特定方向取向。热可以被施加到堆叠以减小每个层片中的树脂的粘性，从而允许树脂与相邻层片的树脂混合，同时堆叠在压力下被固结以去除复合材料铺层内的空隙以及来自复合材料铺层的挥发物。树脂可以被固化或固结成坚硬状态并且被动地或主动地被冷却，从而形成复合材料结构。可替代地，代替使用预浸层片，复合材料层片可以被提供为布置成堆叠的干纤维预制件。液态树脂可以被注入堆叠中同时热和/或压力可以被施加以固结和固化树脂，在固结和固化树脂之后，铺层可以被动地或主动地被冷却以形成复合材料结构。
能够调整复合材料铺层中的每个层片内的增强纤维的方向的能力导致形成具有显著性能优势的复合材料结构。这样的性能优势包括相对于金属结构的比强度和模量更高的比强度和更高的比弹性模量。不过遗憾的是，传统复合材料层压件具有若干会有损于它们的性能优势的特性。例如，由于复合材料层压件内不存在止裂特征，所以传统复合材料层压件会易于在树脂-纤维界面处分离。此外，传统复合材料组合件在构成复合材料组合件的共粘合或共固化的复合材料层压件之间的界面处会具有相对低的模式Ⅱ层间剪切强度或剥离强度。
传统复合材料层压件也可以具有相对低的导电性，这对例如在雷击的情况下传输与分配电流通过复合材料结构会存在挑战。此外，与金属部件交接的复合材料层压件会易于腐蚀，这是由于可能发生在复合材料层压件和金属材料之间的氧化或还原反应所导致的。而且，传统干纤维复合材料层片可能缺少足够的粘附性来确保干纤维层片粘附在一起，从而允许干纤维层片受控地堆叠成预制件。
解决在传统复合材料层压件的树脂纤维界面处的分离问题的尝试包括将热塑性材料大批地随机分布在整个复合材料铺层中。尽管随机分布热塑性材料可以改善模式Ⅱ层间强度，但缺少在传统复合材料层压件中的树脂-纤维界面处的控制会导致低的模式Ⅰ层间强度，这会对防止纤维束内的裂纹扩展提出挑战。解决在传统复合材料组合件的复合材料层压件之间的界面处的低模式Ⅱ层间剪切强度的尝试包括将增韧剂添加到树脂中。遗憾的是，树脂增韧剂会具有相对高的分子量，这会不良地增加树脂的粘性，而粘性增加会在纤维预制件的灌注期间抑制树脂流动。解决传统复合材料层压件中的低导电性问题的尝试包括将金属网或者箔片添加到复合材料层片的表面上。遗憾的是，添加单独的金属网或者箔片会增加复合材料结构的成本、复杂性以及生产时间。
防止在复合材料层压件和金属零件之间的界面处的腐蚀的尝试包括在界面处添加单独的玻璃纤维层以充当抵抗腐蚀的屏蔽层片。遗憾的是，添加玻璃纤维会增加制造复合材料层压件的成本和复杂性。传统干纤维复合材料层片的低粘附性问题已经通过在树脂中添加环氧树脂胶结料或尼龙来解决，或者通过使用烙铁局部加热并将复合材料层片粘附在一起来解决。遗憾的是，环氧树脂胶结料或尼龙具有有限的特性，这限制形成干纤维预制件的层片堆叠所需的温度和压力的范围。使用烙铁将复合材料层片局部粘附在一起是一个耗时的过程，且该过程增加了复合材料结构的生产时间。
如能够所见，本领域需要一种复合材料层压件及制造方法，其提供性能改善(诸如，改善的抗裂性、改善的层间剪切强度、增强的导电性和抗腐蚀性以及改善的在广泛温度下的粘附性)。
发明内容
上述与复合材料层压件相关的需求具体通过本公开来解决，本公开提供一种复合材料纤维，该复合材料纤维可以包括由第一材料形成的至少一个增强纤维丝。第二材料可以以压印图案被有序地沉积到增强纤维丝上，使得第二材料的长度、宽度和/或厚度在增强纤维丝的表面上变化。压印图案可以具有改变包含复合材料纤维的复合材料结构的一种或更多种特性的效果。
在进一步的实施例中，公开了一种复合材料结构，该复合材料结构可以包括树脂和嵌入树脂内的多个增强纤维丝。增强纤维丝可以由第一材料形成。复合材料结构可以包括第二材料，该第二材料可以被有序地沉积在增强纤维丝上，使得第二材料的长度、宽度和/或厚度在增强纤维丝的表面上变化。
同样公开了一种生产复合材料纤维的方法。该方法可以包括提供由第一材料形成的多个增强纤维丝。该方法可以附加地包括使用压印机或压印设备的沉积头将第二材料压印到多个增强纤维丝上。
已经讨论的特征、功能和优势在本公开的各种实施例中能够独立地实现或者其可以在另一些实施例中组合在一起，其中参考下列说明和附图能够明白进一步的细节。
附图说明
通过参考附图，本公开的这些特征或者其他特征将变的更明显，其中在整个说明书中相同附图标记指的是相同的零件，并且其中：
图1是复合材料结构的方框图，该复合材料结构包含压印在由第一材料形成的增强纤维上的一种或更多种材料并且该增强纤维可以被配置为纤维束、单向带和/或纺织织物；
图2是包括单向层片堆叠的复合材料铺层的透视图，一种或更多种材料可以被压印在该堆叠上以改善复合材料结构的特性；
图3沿图2的线3截取的单向带的一部分长度的俯视图，并且图示说明第二材料(和/或第三材料、第四材料等)的压印图案，该第二材料(和/或第三材料、第四材料等)以点阵列的形式被压印在单向带上以改善单向层片的粘附性；
图4是单向带的一部分长度的俯视图，其示出第二材料的示例，该第二材料以横于单向带的纵向方向取向的垂直线的形式被压印在单向带上并有利于复合材料结构中的各项异性传导和/或有利于复合材料结构中的裂纹终止；
图5是单向带的一部分长度的俯视图，其示出第二材料的示例，该第二材料以交叉影线图案的形式压印在单向带上以有利于阻止复合材料结构开裂；
图6是单向带的一部分长度的俯视图，其示出第二材料(和/或第三材料、第四材料等)的示例，该第二材料(和/或第三材料、第四材料等)以曲线组合的形式压印在单向带上；
图7是纤维束的增强纤维丝的一部分长度的透视图，并图示说明增强纤维丝可以可选包括的胶料(sizing)(例如，表面涂层)；
图8是沿图3的线8所截取的单向带的横截面视图，并示出压印在单向带的顶表面上的第二材料的分布的示例；
图9是单向带的横截面视图，其示出压印在单向带的顶表面和底表面上的第二材料的分布的示例；
图10是沿图2的线10截取的单向带的横截面视图，其示出直接与复合材料结构的两个相邻复合材料层片接触的具有压印图案的第二材料的示例；
图11是复合材料铺层的横截面视图，其图示说明一对相邻的具有相同纤维取向的单向带的复合材料层片并示出复合材料层片中的每一个上的第二材料的压印图案之间的接触的示例；
图12是相邻复合材料层片的单向带的横截面视图，并示出直接接触一个复合材料层片的并机械接合相邻复合材料层片上的第二材料的压印图案的第二材料的压印图案；
图13是复合材料铺层的一部分的横截面视图，其图示说明具有不同纤维取向的单向带的若干相邻复合材料层片，并示出直接接触相邻复合材料层片的第二材料，并进一步示出被沉积在相邻单向带的侧面之间的第二材料；
图14是用于将第二材料的压印图案压印在纤维束上的系统的示例的示意性说明；
图14A是沿图14的线14A截取的压印介质的示意性说明，并示出由微粒构成的压印介质；
图14B是沿图14的线14B截取的由纤维丝股线构成的压印介质的示意性说明；
图14C是沿图14的线14C所截取的沉积头的尖端的放大视图，并示出形成于纤维束上的像素(pixel)；
图15是用于将第二材料的压印图案自动压印在复合材料铺层上的机器人设备的示例的示意性说明；
图16是用于将第二材料的压印图案压印在纺织织物或者单向带上的系统的示例的示意性说明；
图17是用于将第二材料的压印图案自动压印在纺织织物和/或单向带上的机器人设备的示例的示意性说明；
图18是图示说明一种或更多种操作的流程图，所述一种或更多种操作可以被包括在一种将第二材料的压印图案应用到纤维束、纺织织物和/或单向带上的方法中；
图19是图示说明一种或更多种操作的流程图，所述一种或更多种操作可以被包括在一种使用图14-17所示的系统压印压印图案的方法中；
图20是图示说明一种或更多种操作的流程图，所述一种或更多种操作可以被包括在一种在预制工具上铺放期间将压印图案压印到一个或更多个复合材料层片上的方法中。
元素列表：
100 复合材料结构
102 复合材料铺层
104 复合材料层压件
106 复合材料层片
108 层片之间的层间区域
110 单向层片
112 树脂
114 纤维束(复合材料纤维)
116 增强纤维丝
118 纤维丝表面
120 第一材料
122 一捆增强纤维丝
124 捆的平面
126 纤维捆的外部
128 顶表面
130 底表面
131 侧表面
132 单向带
134 纺织织物
136 纤维预制件
138 胶料
140 胶料厚度
200 压印图案
202 第二材料
204 长度
206 宽度
208 厚度
210 像素
212 第三材料
214 点
216 线
218 交叉影线图案
220 曲线
222 机械互锁特征
224 齿
250 计算机
252 数字模型—CAD模型
254 压印程序—代码
256 压印机床
258 导轨
260 压印机
262 沉积头
264 压印介质
266 颗粒
268 纤维丝股线
270 馈送辊
272 机器人设备
274 压印图案的显示
276 压印的纤维束
278 压印的织物或带
280 纤维束的线轴
282 压印的纤维束的线轴
284 织物/带的卷轴
286 压印的织物/带的卷轴
300 制造的一般方法
400 利用系统制造的方法
500 在层片上压印的方法
具体实施方式
现在参考附图，其中示出的是为了图示说明本公开的各种实施例的目的，图1中所示的是复合材料结构100的方框图。复合材料结构100可以被形成为包括多个复合材料层片106的复合材料铺层102或复合材料层压件104。复合材料层片106可以包括嵌入树脂112内的纤维束114。纤维束114可以由多个增强纤维丝116构成。在一些示例中，增强纤维丝116可以包括胶料138(参见，例如图7)或者保护性涂层，其可以在制造增强纤维丝116期间被施加到增强纤维丝116的纤维丝表面118。胶料138可以是可以以一致或不一致的胶料厚度140(图7)沿着增强纤维丝116的长度被沉积在增强表面上的表面修饰。胶料138可以改善在增强纤维丝116和树脂112之间的粘结且/或可以防止增强纤维丝116在诸如纺织和/或预浸渍操作期间的处理期间断裂。增强纤维丝116可以由第一材料120形成，该第一材料120诸如碳材料或非碳材料。
有利地，在本公开中，一种或更多种改性材料(例如，第二材料、第三材料、第四材料等)可以被应用到一个或更多个增强纤维丝116、纤维束114、单向带132(图2)、单向板、纺织织物134(图16)、编织织物、无屈曲织物、复合材料层片或者预制件或者各种其他纤维形式中的任一种，以作为一种改变复合材料结构100的特性的手段。改性材料或第二材料202(图4)或者任意数量的其他材料(第二材料、第三材料、第四材料等)可以以预定的压印图案200沿着增强纤维丝、纤维束114、单向带132、单向板、纺织织物134、复合材料层片106或者其他纤维形式的长度或宽度被有序地沉积，使得第二材料202的长度204、宽度206和厚度208中的至少一者在增强纤维丝、纤维束114、单向带132、单向板、纺织织物134或者其他纤维形式的表面上变化。
在一些示例中，第二材料202可以被施加到包含缺少胶料138的增强纤维丝116(图2)的纤维形式(例如，束、带、织物)。在另一些示例中，第二材料202可以被施加到增加纤维丝116、纤维束114、带、纺织织物134(图16)或者其他纤维形式的胶料138上。压印改性材料或者第二材料202可以不同于增强纤维丝116的第一材料120。第二材料202(例如，改性材料)可以以精确受控的压印图案200沿着一个或更多个增强纤维丝116、纤维束114(图2)、单向带132、纺织织物134或者复合材料铺层102的其他纤维形式的长度和/或宽度被有序地沉积(例如，三维压印)以改变复合材料结构100的特性。第二材料202可以作为压印介质264(图14A)以油墨、小颗粒、微粒266、纤维丝股线(filament strand)268和挤出介质的形式被压印。
第二材料202可以通过其他制造技术来应用或压印就位，所述其他制造技术包括但不限于手工施加/压印、喷涂、熔融沉积成型、平板印刷、光固化立体成型、柔性印刷、干式转移、激光烧结、选择性热烧结、石膏3D打印、逐层沉积、喷墨印刷、化学/热粘合和挤出。第二材料202(图4)可以包括有机单体、预聚物、聚合物、金属粉末、有机填料和水型溶液或溶剂型溶液中的一者或更多者。第二材料202还可以包括填料或者二次相，诸如纳米二氧化硅、嵌段共聚物、石墨烯板、碳纳米管以及其他类型的材料。有利地，压印图案200可以以分层结构被提供在复合材料层压件104(图2)内以实现复合材料结构100的具体功能或者性能的改善。
在一种示例中，第二材料202可以包含聚合物纳米粒子(未示出)，所述聚合物纳米粒子提供增强的韧性、增加的抗着火性、增加的导电性、减小的与固化收缩相关的扭曲、减小的与反应热相关的扭曲和/或减小的与反应热相关的树脂劣化中的至少一者。聚合物纳米粒子可以由相同材料制成，如树脂，或者是热塑性材料、丙烯酸树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯纤维、聚碳酸酯、聚氨酯、聚芳醚酮、聚醚酰亚胺、热固性材料、聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物(聚苯撑硫)、导电聚合物(例如，聚苯胺)、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸盐以斯帖、聚酯、环氧树脂和硅倍半氧烷。聚合物纳米粒子还可以具有以下特性中的至少一者：至少部分可溶、具有芯鞘型配置、具有小于树脂固化收缩的纳米粒子固化收缩、不同于树脂CTE的纳米粒子CTE、小于树脂反应热的纳米粒子反应热、大于树脂的扭曲能力、在树脂固化过程期间释放催化剂或硬化剂以及催化剂或者硬化剂可以改变树脂112的反应率。
任意数量的改性材料(例如，第二材料202、第三材料212、第四材料等)可以以高度受控的方式被压印在以上提到的纤维形式(例如，纤维丝、纤维束、带和/或纺织织物等)中任一者上。例如，第二材料202(图4)可以以纳米级到微米级(例如，10-9mm到10-3mm)被压印在一个或更多个纤维束114形式上以作为精确限定的结构和/或用于纤维增强的复合材料层压件结构的功能性改性剂或添加剂。第二材料202的压印允许压印介质264(例如，第二材料202)具有相对高程度的位置精度性和分层控制。在一些示例中，第二材料202可以被压印成使得第二材料202的长度204、宽度206(图4)和/或厚度208在近似0.01到100微米的范围内。有利地，第二材料202的长度204、宽度206和厚度208可以以高度精确的方式被控制，从而向复合材料结构100(图1)的具体部位提供期望的功能性改善。例如，第二材料202的沉积(例如，压印)可以改善复合材料结构的抗裂性、层间剪切强度、导电性和/或抗腐蚀性，且/或第二材料202可以增加在复合材料铺层102中的复合材料层片106的粘附性，如以下更详细描述的。
图2示出形成为单向层片110的层压堆叠的复合材料结构100的示例。单向层片110中的每一个均可以包括并排放置的多个平行纤维束114。在所示的示例中，在一个复合材料层片106中的纤维束114可以被取向为不与堆叠中的(例如，上面或者下面)相邻复合材料层片106中的纤维束114平行。然而，一个或更多个复合材料层片106可以包括被取向为平行于相邻复合材料层片106中的纤维束114的纤维束114。如以上所指示的，增强纤维丝116或者纤维束114可以由第一材料120形成。在一种示例中，第一材料120(图1)可以是碳或者石墨。然而，在另一些示例中，增强纤维丝116或者纤维束114可以由非碳材料形成。例如，纤维束114可以由硼、玻璃、陶瓷、金属材料和/或任意其他类型的纤维材料形成。
单向层片110中的每一个层片中的纤维束114可以被提供成单向带132或单向板(未示出)的平行纤维束114。复合材料层片106(图2)中的每一个层片均可以包括多个连续纤维束114。单个纤维束114可以包括捆扎在一起的一捆数千条增强纤维丝116(例如，1000到100000或者更多条增强纤维丝)。在一些示例中，增强纤维丝可以具有5-30微米的纤维丝横截面宽度或直径。例如，碳增强纤维丝可以具有近似5-7微米的纤维丝横截面宽度。玻璃增强纤维丝可以具有10-25微米的纤维丝横截面宽度。尽管未示出，不过在本公开中的复合材料纤维束114还可以包含短切纤维束114，如其可以被包括在纤维毡中。在这方面，本公开的复合材料纤维束114还可以以各种其他纤维配置中的任一种被提供，且不限于本文公开的纤维配置。在本公开中，术语“增强纤维丝”、“纤维”、“纤维束”和“复合材料纤维”可以被替换地使用。
在一些示例中，复合材料结构100可以由可以用树脂112预浸渍的复合材料层片106(例如，预浸复合材料层片)形成，该层片可以由预浸纤维束114(图2)、预浸单向带132和其他形式的预浸料形成。替代地，复合材料结构100可以被形成为干纤维预制件136。例如，复合材料结构100(图2)可以通过铺放干复合材料层片106、纤维束114、干单向带132(图4)、干纤维板、干纺织布、织物和/或其他形式的干纤维而形成。干纤维形式可以被设置成一堆复合材料层片106，其中第二材料202可以被压印在该复合材料层片106堆叠上，在这之后，树脂112可以在湿法铺层过程中被灌注。
在本文公开的示例中的任一种中，树脂112和/或增强纤维丝116可以由热塑性材料或热固性材料形成。热塑性材料可以包括以下中的至少一种：丙烯酸树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚乙烯、聚酯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚亚安酯、聚芳基醚酮、聚醚醚酮、聚醚酮酮和聚醚酰亚胺。热固性材料可以包括以下中的一种：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、双马来酰亚胺树脂、聚酯、环氧树脂、氰酸酯、聚砜和硅倍半氧烷。此外，在本文公开的示例中的任一种中，树脂112(图2)和/或增强纤维丝116或纤维束114(图2)可以由诸如碳、碳化硅和硼的材料形成。增强纤维丝116或者纤维束114还可以由玻璃形成，所述玻璃诸如E-玻璃(铝硼硅酸盐玻璃)、S-玻璃(铝硅酸盐玻璃)、纯硅、硼硅酸盐玻璃、光学玻璃以及其他玻璃合成物。
图3是纤维束114或者单向带132的一部分长度的俯视图，该纤维束114或者单向带132具有以点214阵列的形式压印在纤维束114或者单向带132上的压印图案200。如上面指出的，纤维束114或者单向带132可以由一捆122连续增强纤维丝116构成。增强纤维丝116可以包括或者可以不包括覆盖增强纤维丝116的胶料138(参见，例如图7)。纤维束114或者单向带132可以被提供为干纤维束114，或者纤维束114或者单向带132可以被提供为预浸料。点214阵列可以由可以不同于形成增强纤维丝116的第一材料120的一种或更多种改性材料形成。例如，点214阵列可以由可以不同于第一材料120的第二材料202形成。点阵列中的一些点214可以由第三材料形成，该第三材料可以是不同于第一材料120和/或第二材料202的成分。第三材料212可以以与第二材料202相同或者不同的尺寸(例如，长度、宽度、厚度)或者以与第二材料202相同或者不同的压印图案被压印。第四材料(未示出)、第五材料(未示出)或者任意数量的其他材料可以被压印以提供不同功能。例如，可以由不同材料提供的这些附加功能可以包括但不限于改善的抗裂性、改善的层间剪切强度、增加的导电性和抗腐蚀性以及在广范温度下的改善的粘附性。应当注意，第二、第三、第四和/或第五或更多材料中的任一者可以提供上述功能中的任一功能。在这方面，任意数量的材料可以以任意数量的方式被组合以提供上述功能中的任一种或者更多种。
一种或更多种改性材料的点214阵列或者各种其他几何配置中的任意一种可以以压印图案200(图3)被设置以提供各种不同功能中的一种或更多种。例如，压印图案200可以被配置为向复合材料层片106提供改善的粘附性。一种或更多种改性材料可以以压印图案200被提供，该压印图案200可以提供在相邻复合材料层片106(图2)之间的化学结合和/或在相邻复合材料层片106之间的机械和/或物理互锁。例如，改性材料可以被压印在纤维形式(例如，纤维束、单向带、纺织织物)上，且当改性材料通过压印机260(图14)被施加或者压印到纤维形式上时可以与增强纤维丝116粘合。改性材料可以具有粘附性，这允许改性材料黏到相邻复合材料层片106。在一些示例中，改性材料可以利用形成在压印图案200上的诸如齿224(未示出)或槽口的机械特征而被压印，该机械特征可以接合相邻复合材料层片106的增强纤维丝116(图3)。在进一步的实施例中，在一个复合材料层片106上的压印图案200可以利用用于接合相邻复合材料层片106的压印图案200的机械特征被压印，如以下描述的。
此外，改性材料可以被选择成与复合材料铺层102的处理温度相容。例如，改性材料可以被选择成在从室温到与固结和固化树脂112(图2)相关的高温的温度范围内提供在复合材料层片106(图2)之间的粘附性。改善的粘附可以使得干纤维复合材料层片或者预浸料层片能够黏合在一起以允许将复合材料纤维层片受控地处理且堆叠成复合材料铺层102(图2)。在这方面，由压印图案200提供的改善的粘附性可以在堆叠、真空包装、树脂灌注、固结以及其他复合材料加工操作期间稳定复合材料层片106来抵抗相对运动。
各种压印图案200中的任一种或者更多种也可以以改善在复合材料层压件104中的相邻层片之间的层片桥接的形式提供功能(图10)。例如，一种或更多种改性材料的压印图案200(图10)可以提供复合材料结构100中的防裂或抗裂特征。例如，一种或更多种改性材料可以改善增强纤维丝116和树脂112(图10)之间的粘接。此外，一种或者更多种改性材料的压印图案200可以充当增韧机制，该增韧机制可以抑制或者防止复合材料结构100内的裂纹产生或者裂纹生长。一种或者更多种改性材料可以以精确受控的长度204、宽度206和/或厚度208被压印在纤维束114或单向带132上以便在一对相邻复合材料层片106之间的层间区域108上桥接(参见，例如图10-13)，如以下更详细描述的。相邻复合材料层片106的桥接可以分散复合材料层压件104内的局部应力集中并且由此最小化并防止在复合材料层压件104内的裂纹产生或者裂纹生长。
在一些示例中，以点214阵列或者其他几何配置的形式压印改性材料可以改善复合材料层压件104的韧性。例如，改性材料的压印图案200(图3)可以作为应力释放机制而引起改性材料微粒从增强纤维丝116(图3)受控拉出、释放或脱离，从而抑制或者防止裂纹形成和/或裂纹生长。在另一示例中，改性材料可以具有当复合材料层压件104(图2)承受某些类型的负荷(例如，一定大小和/或方向的负荷)时允许改性材料具有受控变形量的成分或机械特性。
在本公开中，第二材料202、第三材料212和/或任意数量的其他改性材料可以使用压印机260的沉积头262(例如，参见图14-17)被有序地压印在纤维形式(例如，纤维束、单向带、纺织织物等)上，该压印机260诸如三维喷墨压印机或者其他压印机配置。将一种或更多种改性材料施加到纤维形式上的过程可以利用精确的尺寸(例如，长度、宽度、厚度)和位置，利用该尺寸和位置，压印机沉积头262可以在添加过程中压印改性材料的像素210(图14C)以便在纤维形式上形成预定的压印图案200。
压印机260的沉积头262可以被配置为以高达100微米直径且高达100微米厚度的像素210(图14C)压印材料(例如，第二材料202、第三材料212等)。在一些示例中，每个像素210的尺寸可以在直径近似0.1到10微米之间。在另一些示例中，像素210中的每一个可以以至少近似0.01微米的每个像素厚度被施加到纤维束、带或者织物。一系列像素210可以使用压印机260沉积头262(图14C)被压印以在纤维束114或者其他纤维形式上构建压印图案200，使得最终压印图案200(图13)具有精确受控的长度204、宽度206和厚度208。
图4示出具有第二材料202的单向带132的一段长度，该第二材料202以横于单向带132的纵向方向取向的垂直线216的压印图案200被压印。垂直线216压印图案200可以有利于沿着平行于压印图案200的垂直线216的方向的各向异性导电性。垂直线216的布置可以诸如在飞行器上的雷击事件时有利于电荷通过复合材料结构100传播和/或分布。垂直线216压印图案200还可以有利于裂纹终止或者防止复合材料结构100中的裂纹扩大。例如，垂直线216可以防止裂纹的扩大，该裂纹的扩大在垂直于增强纤维丝116的纵向方向(例如，载重方向)施加负荷时会在增强纤维丝116之间的树脂112中形成。
图5示出纤维束114的一段长度，该纤维束114带有以沿着纤维束114的长度的以交叉影线图案218的形式的压印图案200。类似于图4中所示的垂直线216，交叉影线图案218也有利于裂纹终止或者防止可能形成于复合材料结构100的树脂112(图2)中的裂纹扩大。交叉影线图案218还可以提供路径以帮助分布电荷通过复合材料结构100。一个或更多个交叉影线图案218可以使用一种或更多种改性材料被压印。例如，交叉影线图案218可以由第二材料202和第三材料212形成，该第二材料和第三材料不同于形成增强纤维丝116的第一材料。第二材料202可以提供一种类型的功能，诸如提供增韧机制以防止在热循环期间和/或某些在复合材料结构100上加载状况期间复合材料结构100中的裂纹产生或裂纹生长(图2)。第三材料212可以向复合材料结构100提供另一种类型的功能，诸如改善复合材料结构100的导电性。
图6示出单向带132的一段长度，该单向带具有曲线220组合形式的压印图案200。曲线220可以由以上指出的一种或更多种改性材料形成。在这方面，压印图案200可以在长度和宽度上变化以包括各种尺寸、形状和构造的组合。例如，压印图案200可以包括点214、线216(图4)、交叉影线218(图5)和/或曲线220的任意组合，或者可以包括各种其他压印图案200构造中的任一种。
在本文公开的任意示例中，任意一种或更多种改性材料(例如，第二材料202、第三材料212等)可以以各种不同压印图案200中的任一种被压印在纤维形式(例如，增强纤维丝、纤维束、单向带、纺织织物等)上。诸如第二材料202的改性材料可以被有序地沉积以致第二材料202的长度204、宽度206(图3)和厚度208(图8)中的至少一者在一个或更多个纤维丝或一个或更多个纤维束114的表面上变化。例如，第二材料202可以沿着纤维束114、单向带132或纺织织物134(图16)的任意部分长度以压印图案200被有序地沉积。在一些示例中，可以沿着纤维束114、单向带132(图5)或纺织织物134的一部分长度重复压印图案200。在另一些示例中，压印图案200可以沿着纤维束114、单向带132或纺织织物134的长度以随机间隔被压印。
如可以理解的是，各种不同改性材料中的任一种或更多种可以被包含在压印图案200(图6)中以便为复合材料结构100(图2)提供一种或更多种期望的功能。在这方面，在由复合层压件形成的纤维形式上有序沉积改性材料可以导致复合材料结构100相对于具有缺乏改性材料的增强纤维丝的复合材料结构的特性具有至少一种复合材料结构特性被改变。改变的复合材料结构特性可以包括韧性、体积分数、渗透性、模量、固化收缩、反应热、纤维丝粘性、可燃性和导电性以及其他类型的功能。在一些示例中，第三材料212可以使用压印机260的沉积头262(图14A)被有序地沉积在一个或更多个增强纤维丝116或者其他纤维形式上。沉积第二材料202和第三材料212的结果可以是复合材料结构100相对于具有缺乏第二和第三材料的增强纤维丝的复合材料结构的特性具有至少两种(2)不同的复合材料结构特性被改变。
在一种实施例中，一种或更多种改性材料可以以一种或更多种压印图案200(图6)被应用或压印到纤维形式上以改善复合材料结构100(图2)在相匹配的复合材料部件(未示出)之间的界面处的层间剪切强度和/或剥离强度。例如，改性材料可以以压印图案200被应用在纤维形式以改善在复合材料蒙皮和灌注树脂的层压结构的复合材料加强件之间的界面处的层间剪切强度和/或剥离强度。在另一示例中，一种或更多种改性材料可以以某一方式被压印在层压复合材料结构100的纤维束114、单向带132(图6)和/或纺织织物134(图16)中的一种或更多种上，以便鉴于在复合材料结构100使用寿命期间会经受的预测的环境和/或机械加载状况而局部增大或减小复合材料结构100的断裂韧性、弹性模量和/或应变失效。
在另一示例中，一种或更多种改性材料可以以压印图案200被应用到纤维形式，其中该压印图案200用作层压复合材料结构与金属零件之间的抗腐蚀屏障。在这方面，压印图案200(图6)可以充当抵抗会发生在碳纤维层压件和诸如铝部件的金属部件之间的氧化和/或还原反应的抗腐蚀屏障。在进一步的示例中，一种或更多种改性材料可以被压印在纤维形式上，以改善复合材料结构100(图2)的可燃性、冒烟和/或毒性特征。有利地，在本文公开的任意示例中，改性材料可以被压印到纤维形式上以根据预期使用环境和/或加载状况局部调整复合材料层压件104(图2)的特性。例如，改性材料可以以某一方式被压印以改变复合材料层压件104内的不同位置处的弹性模量，从而适应复合材料层压件104的加载状况。在这方面，通过在铺层102的特定区域中的纤维束、带、层片和/或纺织织物上压印一种或更多种不同类型、质量和几何构造的改性材料，复合材料结构100的性能可以被调整成适于复合材料结构100的预期的使用状况和操作环境。
图7示出纤维束114(图5)的增强纤维丝116的一部分长度，并且示出胶料138(例如，表面涂层)，增强纤维丝116可以可选地带有该胶料138。如以上所指示的，胶料138可以在增强纤维丝116的制造期间被施加。胶料138可以保护增强纤维丝116在制造期间和/或在稍后处理期间(诸如在编织和/或铺放复合材料层片106期间)免受损坏(诸如断裂)。
图8示出由第一材料120形成的多个增强纤维丝116所形成的纤维束114和/或单向带132的横截面。同样示出的是被压印在一捆122增强纤维丝116的外部上的改性材料(例如，第二材料202)的压印图案200。改性材料被示为被压印在纤维束114和/或单向带132的顶表面128上。如以上所指示的，改性材料可以以期望的厚度208被压印。例如，改性材料可以以高达100微米或者更大的厚度208被压印。
图9示出由多个或一捆122增强纤维丝116形成的纤维束114和/或单向带132的横截面。改性材料(例如，第二材料202)可以以压印图案200被压印在与该捆122增强纤维丝116关联的至少两(2)个不同平面124上。例如，压印图案200可以被施加到单向带132的顶表面128和底表面130二者上。改性材料可以以分散图案并且以期望的厚度208被压印以确保层片与邻近顶表面128和底表面130的复合材料层片桥接。此外，压印图案可以被施加到单向带的一侧或更多侧上(例如，参见图13)。
图10是复合材料铺层102(图2)的横截面视图，其示出与复合材料结构100的相邻复合材料层片106的单向带132粘结在一起的压印图案200。改性材料的压印图案200可以以某一深度被施加到一个或两个复合材料层片106的增强纤维丝116，从而确保复合材料层片106的机械互锁和/或化学相互作用。在图10中，改性材料的压印图案200直接接触这两个复合材料层片106并且可以提供与这两个复合材料层片106的改善的粘附或者可以与这两个复合材料层片106粘性结合。尽管图10中的单向层片110具有相同的纤维取向，不过改性材料可以直接粘结具有不同纤维取向的相邻复合材料层片106。在一种示例中，压印图案200可以在长度、宽度和高度上变化以包括层片的机械互锁的几何特征(未示出)的组合，所述几何特征包括但不限于球与窝、钩与环、燕尾形楔与槽、弯曲峰与谷、仿生学互锁特征、不规则三维形状以及任意其他类型的几何特征。
图11是包括一对相邻的由单向带132构成的复合材料层片106的复合材料铺层102(图2)的横截面视图。改性材料可以被压印在每一个复合材料层片106上。一个复合材料层片106的改性材料可以与相邻复合材料层片106的改性材料接触。改性材料可以彼此机械地互锁和/或化学地互锁。在本文公开的任意示例中，改性材料的成分可以被选择为使得改性材料之间的接触导致与改性材料之间的具有混溶或不混溶相互作用的交界面。
此外，任一种或多种改性材料可以是可溶、部分可溶或者不溶于树脂112(图2)。可溶或部分可溶的改性材料可以被配置为在树脂的固化期间释放催化剂或硬化剂以局部改变树脂的固化特性(例如，固化时间和/或固化温度)。在这方面，当可溶材料达到预定的温度时，改性材料可以至少部分溶解在树脂中，从而造成改性材料逐步释放催化剂或硬化剂到树脂中，并且由此相对于缺乏改性材料的树脂的固化时间而减少树脂固化时间。另外，任一种或更多种改性材料可以具有低于树脂反应热的反应热，其可以具有局部降低固化温度从而降低复合材料层压件中的局部热变形的效果，这个效果的原因在于树脂相对于纤维束114的热膨胀系数(CTE)的CTE的差异。在进一步的示例中，任一种或更多种改性材料可以是多孔的，以便当复合材料结构遭受外部负荷或力时局部地增大树脂沿至少一个方向的应变能力。
图12是复合材料铺层102(图2)的横截面视图，其中改性材料被压印在每一个复合材料层片106上以有利于使每个复合材料层片106的改性材料互锁。每一个复合材料层片106上的改性材料的压印图案200可以被压印成具有机械互锁特征222。例如，一个复合材料层片106上的压印图案200可以包括齿224、钩或者用于物理接合可以被压印在相对复合材料层片106的改性材料上的对应机械互锁特征222并与其互锁的其他机械特征。在一些示例中，图12中的一个复合材料层片106的改性材料可以被配置为与相邻复合材料层片106的改性材料化学地互锁。
图13示出复合材料铺层102(图2)的横截面视图，并示出具有不同纤维取向的单向带132的若干相邻复合材料层片106。改性材料的压印图案200可以被压印在复合材料层片106上以有利于或使相邻复合材料层片106之间的改善的粘性和/或层片能够桥接。压印图案200还可以被施加在相邻单向带132的侧表面131之间。在本文公开的任一示例中，改性材料可以被压印在一种或更多种纤维形式上以便为复合材料层压件104提供任意数量的期望功能。例如，改性材料可以被压印以改善粘性、导电性、抗腐蚀性、层间剪切强度和断裂韧度、裂纹抑制能力、热特性以及其他功能。有利地，以可重复的方式以微米级精度来精确控制每个压印图案200的材料、尺寸、几何形状和位置的能力可以导致改善复合材料层压件的特定性能。
图14是用于在纤维束114或者单向带132或者形式上压印第二材料202的压印图案200的系统的示例的示意性说明。在所示的示例中，系统包括纤维束114的线轴282。纤维束114(图13)可以是干纤维或者纤维束114可以被树脂112预浸渍(图2)。纤维束114可以经由馈送辊270被馈送到压印机床256中。压印机床256可以包括具有沉积头262的压印机260，用于将改性材料以压印图案200压印到纤维束114上。在一些示例中，如脉冲压印操作时所期望的，压印机260可以沿导轨258相对于纸张平面沿从左到右的方向可运动，其中纤维束114的一段长度可以被移动到压印机床256中并且被停止以允许压印机260将压印图案施加到所述一段长度的纤维束114上。当束在压印机床256内处于静止时，压印机260也可以沿进出纸张平面的方向移动。在另一些示例中，压印机260可以处于静止，并且纤维束114可以连续运动通过压印机床256且同时压印机260将压印图案200连续地压印到纤维束114上。
在图14中，压印机260可以响应于基于压印图案200的数字模型252的计算机可读压印程序254指令(例如，代码)来操作。在一些示例中，压印图案200的数字模型252可以基于压印图案200的计算机辅助设计(CAD)模型，该CAD模型可以在计算机250上生成并且被显示在计算机250的屏幕上。压印程序254可以提供沉积头262的位置控制并且还可以控制可以使用压印介质264(例如，改性材料)被压印的压印图案200的尺寸、形状和大体构造。在一些示例中，压印机床256可以包括显示器274，用于观察在纤维束114上压印压印图案200(图13)的进展。在将压印图案压印在纤维束114上之后，压印的纤维束276可以被缠绕在线轴282上。尽管未示出，不过压印的纤维束276的线轴282可以被传输到复合材料铺层区域，在该区域中纤维束114可以以手动铺放过程和/或通过使用自动带铺放机器(未示出)被铺层成复合材料层压件。
图14A是由微粒266构成的压印介质264的示例的示意性说明。微粒266可以被提供为大体球形形状。然而，可以预期到其他形状。图14B是由纤维丝股线268构成的压印介质264的示例的示意性说明。如以上所指示的，压印介质264(例如，改性材料)可以包括有机单体、预聚物、聚合物、金属粉末、无机填料和其他改性材料。图14C是沉积头262的尖端的放大视图，其示出在纤维束114上形成的像素210。如以上所提及的，每个像素210可以具有高达100微米或更大的直径并且可以具有至少近似0.1微米的厚度208。沉积头262可以压印连续像素210以便构建具有期望厚度208、长度204、宽度206和几何形状的压印图案200。
图15是机器人设备272的示例的示意性说明，该机器人设备272用于将改性材料的压印图案200压印到纤维形式上。在所示示例中，机器人设备272可以包括用于相对于单向带132的复合材料层合件104(图13)定位压印机260的沉积头262的铰接臂。机器人设备272可以控制压印机260以便在复合材料层压件104的堆中的连续复合材料层片106上压印改性材料的预定压印图案200。机器人设备272可以响应于基于压印图案200的数字模型252的计算机可读压印程序254指令(例如，代码)来操作，这类似于图14的压印机床256所描述的设置。
图16是用于将改性材料的压印图案200压印到纺织织物134或者单向带132或板上的压印机床256的示例的示意性说明。在所示示例中，系统包括纺织织物134的卷轴284，该纺织织物134可以是干织物或者预浸织物。纺织织物134可以经由馈送辊270被连续地馈送到压印机床256中，该压印机床256具有带有沉积头262的压印机260，用于将改性材料以压印图案200压印到纺织织物134上。压印机260可以处于静止或者压印机260可以相对于压印机床256(类似于以上图14描述的设置)沿各种不同方向中的任一方向移动。在将压印图案200压印到纺织织物134上之后，压印的纤维束278可以被缠绕在卷轴286上。
图16的系统可以可选地以脉冲模式设置来运转，其中纺织织物134的一个节段或者一段长度可以被移动到压印机260头部中，并且可以移动压印机260且同时将压印图案200沉积在该段长度的纺织织物134上，在这之后压印的纺织织物278可以被缠绕在卷轴286上。纺织织物134的新的一段长度可以被馈送到压印机床256中，以用于压印。图14中所图示说明的纤维束114压印系统也可以以脉冲模式设置来运转。
图17示出机器人设备272的示例，该机器人设备272用于将改性材料的压印图案200自动压印到纺织织物134和/或单向带132(图6)或板上。机器人设备272可以以类似于以上图16所描述的方式来运转。在这方面，压印程序254可以导致机器人设备272相对于复合材料铺层102定位压印机260，且同时沉积头262被控制成压印预定的压印图案200。
图18是图示说明可以被包括在方法300中的一种或更多种操作的流程图，该方法300用于将第二材料202(图4)的图案施加到纤维束114(图4)、纺织织物134(图16)和/或单向带132(图4)上。方法300的步骤302可以包括提供由第一材料120形成的多个增强纤维丝116(图4)。如以上所指示的，所述多个增强纤维丝116可以被提供为纤维束、单向带、纺织织物或其他纤维形式。
方法300的步骤304可以包括使用压印机260的沉积头262将第二材料202压印到多个增强纤维丝116上。例如，图14和图16图示说明了一种包括压印机床256的压印机260的系统，其用于相对于纤维形式定位沉积头262。图15和图17图示说明一种具有铰接臂的机器人设备272，该铰接臂用于相对于复合材料铺层104定位压印机260的沉积头262。在一些示例中，沉积头262可以基于压印程序254的可编程代码被移动或定位，该代码可以源于计算机250上的预定压印图案200生成器的数字模型252(计算机辅助设计模型)。
如可以理解的，可替代系统可以被实施以用于将改性材料压印到纤维形式上。改性材料的压印可以在一种或更多种形式的增强纤维丝116(图8)的制造期间发生，诸如在纤维束114(图8)、单向带132(图9)、纺织织物134和/或纤维预制件136的制造期间发生。改性材料的压印可以通过在纤维预制件136的铺层期间相对于包含多个增强纤维丝116的纤维预制件136(图2)移动压印机沉积头262和/或通过将第二材料202(图13)压印到纤维预制件上来实现。
在一些示例中，压印图案200可以由具有近似0.01到500微米的长度204、宽度206和/或厚度208的改性材料形成。在一些示例中，第二材料202可以以预定的压印图案200被压印在多个增强纤维丝116的外部126上。例如，图8-13图示说明沉积在纤维束114、单向带132的顶表面128和/或底表面130上的压印图案200。如以上所指示的，改性材料(例如，压印介质)可以以各种不同的尺寸、材料和构造中的任一中来提供，包括但不限于如分别在图14A和图14B中所示的微粒266和/或纤维丝股线268。
在一种示例中，第二材料202(图1)的压印可以包括第二材料202在纺织织物的纤维束的断片/草皮(divot)和/或交叉处或者在层片和/或带之间的富集树脂的凹处(未示出)中的目标放置。在一种实施例中，在铺放纺织织物或预浸件的复合材料层片的过程期间，聚合物纳米粒子(未示出)可以被放置在富集树脂的凹处中，诸如在纺织织物的纤维束的断片和/或交叉处，以防止由于复合材料结构100的温度变化所导致的微裂纹或应力裂纹。
图19是图示说明可以被包括在方法400中的一种或更多种操作的流程图，该方法400用于通过使用图14-17中示意性示出的系统中的一种将压印图案200压印到纤维形式上。方法的步骤402可以包括提供要被压印的纤维形式，诸如纤维束114、纺织织物134或单向带132。步骤404可以包括将纤维束114加载到线轴上，或者将纺织织物134或单向带132加载到卷轴上。步骤406可以包括将纤维束114或者纺织织物134传输到压印机床256(如图14和图16中所示)，或者将机器人设备272的压印机260定位在纤维束114、单向带132或纺织织物134上方(如图15和图17中所示)。
方法400的步骤408可以包括提供压印介质264以用于压印到纤维束114、纺织织物134或单向带132上。步骤410可以包括将压印介质264加载到压印机260中(如图14-17中所示)。步骤412可以包括设计要被压印到纤维形式上的压印图案200。例如，计算机250可以被用来生成压印图案200的数字模型252。步骤416可以包括基于数字模型252生成数字控制(N/C)三维压印程序254(例如，代码)。压印程序254可以包括关于要被压印到纤维形式上的改性材料的长度、宽度、高度和/或几何形状的指令。
步骤418可以包括运行压印程序254来操作压印机床256(图14和图16)或机器人设备272(图15和图17)的压印机。步骤420可以包括将压印图案200压印到纤维束114、纺织织物134或单向带132上。如以上所指示的，纤维形式可以连续地或脉冲地穿过纤维床，且同时沉积头262将压印图案200压印到纤维形式上。可替代地，纤维形式可以处于静止(如图15和图17所示)，并且机器人设备272可以移动沉积头262来将压印图案200压印到复合材料层压件104上。步骤422可以包括将压印的纤维束/带或者压印的纺织织物134加载到相应的线轴282或卷轴286上。
方法可以包括将线轴282或卷轴286运送到铺层区域(未示出)并且将压印的纤维形式铺放成复合材料层压件104。压印的纤维形式可以包括包含压印图案200(图14)且被布置成堆叠的预浸纤维。热可以被施加到堆叠以减小预浸树脂的粘性，从而致使相邻复合材料层片106(图13)的树脂混合在一起。可以允许树脂固化和/或硬化成坚硬的状态，在这之后，树脂可以被动或主动地被冷却以形成复合材料结构100。可替代地，压印的纤维形式可以是包含压印图案200且可以被设置成堆叠的干纤维。液态树脂可以被灌注到堆叠中并且热和/或压力可以被施加以固结和固化和/或硬化成坚硬的状态，在这之后，树脂112(图2)可以被动或主动地冷却以形成复合材料结构100。
图20是图示说明可以被包括在方法500中的一种或更多种操作的流程图，该方法500用于在预制件工具(未示出)上铺放期间将一种或更多种压印图案200压印到一个或更多个复合材料层片106上。方法的步骤502可以包括以类似于关于图19描述的方式提供压印介质264和压印程序254到一个或更多个机器人设备272。例如，压印介质264可以被加载到类似于图17中所示的机器人设备272的机器人设备272的沉积头262中。可以诸如通过使用计算机辅助设计程序来设计压印图案200以生成压印图案200的数字模型252(图17)，该数字模型可以被转变成数字控制(N/C)三维压印程序254(例如，代码)并被加载到机器人设备272中。
方法500的步骤504可以包括提供预制件工具(未示出)，在该预制件工具上，一层或更多层复合材料层片可以被铺放。例如，预浸纤维或干纤维复合材料层片106可以被预切成要被制造的最终复合材料结构100的近似形状。在方法500的步骤506期间一层或更多层复合材料层片106可以被铺放在预制件工具上。
方法500的步骤508可以包括激活机器人设备272以导致沉积头262将压印图案200压印到复合材料层片106上。如以上所指示的，沉积头262可以被配置为将任意数量的不同材料以任意数量的不同压印图案200施加或压印到复合材料层片的任意部分上。例如，第二材料可以被压印到复合材料层片106上以提供特定功能，诸如增加的韧性以用于改善最终复合材料结构中的抗裂性。第三材料、第四材料以及任意数量的附加材料可以以任意数量的压印图案200被压印到复合材料层片106上以提供特定功能，诸如但不限于，改善的层间剪切强度、增加的导电性和抗腐蚀性、大范围温度下的改善的粘性或者任意数量的其他功能。
在完成压印到复合材料层片106上之后，一层或更多层附加复合材料层片106可以被铺放在先前压印的复合材料层片106上，并且机器人设备272的沉积头262可以将另一压印图案200压印到新铺放的复合材料层片106上。方法的步骤510可以包括重复铺放步骤506和压印步骤508直到期望数量的复合材料层片106已经被铺放和/或压印。有利地，以上方法允许通过使用任意数量的不同类型的压印介质或材料(例如，第二材料、第三材料等)高度精确且灵活地施加压印图案200到复合材料铺层102的特定区域。
根据本公开的一方面，提供一种复合材料结构，其包含：树脂；嵌入树脂中并由第一材料形成的多个增强纤维丝；以及第二材料，该第二材料被有序地沉积到多个增强纤维丝上，使得长度、宽度和厚度中的至少一者在多个增强纤维丝的纤维丝表面上变化。有利地，复合材料结构是这样的一种结构，即其中该复合材料结构具有至少一种由于第二材料向增强纤维丝上的有序沉积而相对于具有缺乏第二材料的增强纤维丝的复合材料结构的复合材料结构特性被改变的复合材料结构特性。有利地，复合材料结构是这样的一种结构，即其中改变的复合材料结构特性包括以下中的至少一者：韧性、体积分数、渗透性、模量、固化收缩、纤维丝粘性、可燃性和导电性。有利地，复合材料结构进一步包含包括使用压印机的沉积头有序地沉积在所述至少一个增强纤维丝上的第三材料的一种或更多种附加材料；并且复合材料结构具有至少两种不同的由于相应的第二材料和第三材料向所述至少一个增强纤维丝上的压印而相对于具有缺乏第二材料和第三材料的增强纤维丝的复合材料结构的复合材料结构特性被改变的复合材料结构特性。
根据本公开的一方面，提供一种复合材料纤维，其包含由第一材料形成的至少一个增强纤维丝和第二材料，该第二材料由以一种图案被有序地沉积到至少一个增强纤维丝上，使得第二材料的长度、宽度和厚度中的至少一者在所述至少一个增强纤维丝的表面上变化。有利地，复合材料纤维是这样的一种纤维，即其中表面包括复合材料纤维的顶表面、底表面和侧表面中的至少一者。有利地，复合材料纤维是这样的一种纤维，即其中所述至少一个增强纤维丝包含以如下形式中的至少一种的多个增强纤维丝：纤维束、单向带、纺织织物、无屈曲织物、编织物、复合材料层片或者预制件。
根据本公开的一方面，提供一种生产复合材料纤维的方法，该方法包含：提供由第一材料形成的多个增强纤维丝；以及使用压印机的沉积头将第二材料压印到所述多个增强纤维丝上。有利地，该方法是这样的一种方法，即其中压印第二材料的步骤在纤维束制造、单向带制造、纺织织物制造和/或预制件制造期间发生。
本公开的说明性实施例可以在制造和/或使用飞行器、航天器、卫星或者其他航空航天部件的方法(未示出)的背景下被描述。预生产、部件制造和/或使用可以包括航空航天部件的规格与设计以及材料采购。在生产期间，发生航空航天部件的部件和子组件制造和系统集成。此后，飞行器、航天器、卫星或者其他航空航天部件可以经历认证与交付以便投入使用。
在一种示例中，通过制造和使用方法产生的航空航天部件可以包括带有多个系统的机身和内部。多个系统的示例可以包括推进系统、电气系统、液压系统和环境系统中的一者或更多者。可以包括任意数量的其他系统。尽管示出航空航天示例，但不同的说明性实施例可以被应用到其他行业，诸如汽车行业。
在此具体化的系统和方法可以在航空航天部件制造和/或使用方法的至少一个阶段期间使用。具体地，复合材料结构100(例如，图1)、涂层、注塑塑料和/或粘结剂可以在航空航天部件制造和使用方法的任一阶段期间被制造。例如，但不限于，复合材料结构可以在部件与子组件制造、系统集成、日常维护和检修或者飞行器制造和使用的一些其他阶段中的至少一个期间被制造。更进一步地，复合材料结构可以被用在航空航天部件的一个或更多个结构中。例如，复合材料结构可以被包括在飞行器、航天器、卫星或者其他航空航天部件的机身、内部或者一些其他零件的结构中。
本公开的附加修改和变化对于本领域的普通技术人员而言会是明显的。因此，本文所描述和图示说明的零件的特定组合旨在仅代表本公开的某些实施例且并不旨在对本公开的精神和范围内的替代实施例或设备的限制。

Claims (13)

1.一种复合材料纤维，其包含：
由第一材料形成的至少一个增强纤维丝(116)；和
第二材料，该第二材料以一种图案被有序地沉积到所述至少一个增强纤维丝上，使得所述第二材料的长度、宽度和厚度中的至少一者在所述至少一个增强纤维丝的表面上是变化的，
特征在于：
(a)所述第二材料被作为像素压印到不包括覆盖所述至少一个增强纤维丝的胶料(138)的至少一个增强纤维丝(116)上，且每个像素具有高达100微米的厚度；或者
(b)所述第二材料被作为像素压印到包括覆盖所述至少一个增强纤维丝的胶料(138)的至少一个增强纤维丝(116)上，且每个像素具有高达100微米的厚度。
2.根据权利要求1所述的复合材料纤维，其中：
所述增强纤维丝(116)包括胶料，该胶料以一致的胶料厚度被施加到所述至少一个增强纤维丝的纤维丝表面；以及
所述第二材料被有序地沉积到所述至少一个增强纤维丝的所述胶料上。
3.根据权利要求1所述的复合材料纤维，其中：
所述第二材料的所述长度、所述宽度和所述厚度中的至少一者是0.01到100微米。
4.根据权利要求1所述的复合材料纤维，其中：
所述第二材料由以下项中的任一者或更多者组成：油墨、小颗粒、挤出介质、有机单体、预聚物、聚合物、金属粉末、水溶液或基于溶剂的溶液中的无机填料、二氧化硅、嵌段共聚物、石墨烯板、聚合物纳米粒子和碳纳米管。
5.根据权利要求1所述的复合材料纤维，其中：
通过使用压印设备的沉积头将所述第二材料施加到所述至少一个增强纤维丝(116)上。
6.根据权利要求1所述的复合材料纤维，进一步包含：
一种或更多种附加材料，其包括被有序地沉积到所述至少一个增强纤维丝(116)上的第三材料。
7.根据权利要求1所述的复合材料纤维，其中：
所述第二材料被施加到与形成所述复合材料纤维的一捆增强纤维丝(116)相关联的至少两个不同表面。
8.一种生产复合材料纤维的方法，其包含：
提供由第一材料形成的多个增强纤维丝(116)；以及
(a)使用压印机的沉积头将第二材料压印到不包括覆盖所述多个增强纤维丝的胶料(138)的所述多个增强纤维丝上，或者
(b)使用压印机的沉积头将第二材料压印到包括覆盖所述多个增强纤维丝的胶料(138)的所述多个增强纤维丝上，
特征在于所述第二材料被作为像素压印到所述多个增强纤维丝(116)上且每个像素具有高达100微米的厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中压印所述第二材料的步骤包含：
以预定的压印图案将所述第二材料压印到所述多个增强纤维丝的外部上。
10.根据权利要求8所述的方法，其中：
所述第二材料包含微粒和/或纤维丝股线。
11.根据权利要求8所述的方法，其中压印所述第二材料的步骤包括：
基于源于预定的压印图案的数字模型的可编程代码相对于所述增强纤维丝(116)移动所述沉积头，其中所述数字模型即计算机辅助设计模型。
12.根据权利要求8所述的方法，其中压印所述第二材料的步骤包括：
将所述第二材料压印到一捆或更多捆增强纤维丝(116)的外部，所述增强纤维丝以以下纤维形式中的至少一种被提供：纤维束、单向带、纺织织物、无屈曲织物、编织物、复合材料层片或者预制件。
13.根据权利要求8所述的方法，其中压印所述第二材料的步骤包括：
相对于包含所述多个增强纤维丝(116)的纤维预制件移动所述沉积头；以及
在所述纤维预制件的铺层期间将所述第二材料压印到所述纤维预制件上。
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