CN106414066A - 增强复合结构 - Google Patents

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CN106414066A CN201580029906.9A CN201580029906A CN106414066A CN 106414066 A CN106414066 A CN 106414066A CN 201580029906 A CN201580029906 A CN 201580029906A CN 106414066 A CN106414066 A CN 106414066A
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Abstract

一种增强复合结构，其包括由过渡区域连接在一起的不同几何构造的多个区域。该增强复合结构包括在过渡区域的至少一部分上的增强纤维。

Description

增强复合结构
相关申请的交叉引用
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,614的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,632的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,652的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,670的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,685的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请要求于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国临时申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
复合结构可用于任何数量的合适应用中。通常，复合结构也可用于其中降低重量与强度的比是重要的各种应用中。例如，复合结构可用于车辆底盘、通信设备的面板、用于交通工具或车辆(例如，自行车、摩托车、卡车等)的框架或主体部分、农业应用(例如农业设备)、能量相关的应用(例如，风力、太阳能)、卫星应用、航空航天应用、建筑材料(例如房屋材料等)和消费性产品(例如，家具、马桶座圈和电子产品等)。
因此，复合结构的制造商和使用者继续寻求对其的改进。
发明内容
总体上，本申请的实施例涉及可在一个或多个增强过渡区域(例如，内部或外部拐角或弯曲、接头、孔、厚度变化等)处具有相对高的弯曲刚度并且可以具有相对轻的重量的增强复合结构，和制造这种复合结构的相关的方法。例如，增强复合结构(例如，包括一个或多个增强区域的复合夹层)可以包括至少两个复合蒙皮(skin)、过渡区域和邻近过渡区域且被配置为向过渡区域提供增加的弯曲刚度的至少一组增强纤维。被如此增强的复合夹层在过渡区域和/或整体弯曲刚度中可表现出比没有增强纤维的复合夹层更大的弯曲刚度。
实施例包括一种增强复合结构，其包括第一复合蒙皮和第二复合蒙皮。第一和第二复合蒙皮中的每一个包括嵌入聚合物基体中的多个纤维。增强复合结构还包括定位在第一复合蒙皮和第二复合蒙皮的至少部分之间并与其结合的芯。此外，增强复合结构包括过渡区域，在过渡区域处第一复合蒙皮或第二复合蒙皮的一个或多个从第一几何构造过渡到第二几何构造。增强复合结构还包括定位在过渡区域中并附接到第一复合蒙皮或第二复合蒙皮中的一个或多个的多个增强纤维。
实施例还包括具有多个几何区域的增强复合结构。特别地，增强复合结构包括第一复合蒙皮和第二复合蒙皮。第一和第二复合蒙皮中的每一个包括嵌入聚合物基体中的多个纤维。此外，增强复合结构包括位于第一复合蒙皮和第二复合蒙皮的至少部分之间并与其结合的芯。另外，多个几何区域中的第一几何区域具有由第一和第二复合蒙皮的第一部分限定的第一几何构造，并且多个几何区域中的第二几何区域具有由第一和第二复合蒙皮的第二部分限定的第二几何构造，并且第二几何构造不同于第一几何构造。增强复合结构还包括将第一几何区域和第二几何区域连接在一起的过渡区域。此外，增强复合结构包括位于过渡区域中并且附接到第一复合蒙皮或第二复合蒙皮中的一个或多个的多个增强纤维。
至少一个实施例包括一种用于制造增强复合结构的方法。该方法包括形成堆叠组件，该堆叠组件包括第一树脂浸渍的纤维片材、第二树脂浸渍的纤维片材以及将第一树脂浸渍的纤维片材与第一树脂浸渍纤维片材分离的芯。堆叠组件还包括位于堆叠组件的第一区域处并且与第一树脂浸渍的纤维片材或第二树脂浸渍的纤维片材中的一个或多个接触的多个增强纤维。该方法还包括将树脂施加到多个增强纤维中的至少一些，并且压缩堆叠组件以从堆叠组件的第一区域的至少一部分形成过渡区域。过渡区域将第一几何区域和不同于所述第一几何区域的第二几何区域连接在一起。
任何所公开的实施例的特征可以彼此结合使用，而不限于此。另外，通过考虑下面的详细描述和附图，本公开的其它特征和优点对于本领域普通技术人员将变得显而易见。
附图说明
为了更好地理解，在各附图中相同的元件已由相同的附图标记表示。应当注意，附图可能不按比例。应当理解，这些附图仅描述了本发明的典型实施例，因此不应被认为是对其范围的限制，将通过使用附图用附加的特征和细节来描述和解释本发明的实施例，其中：
图1是根据实施例的在过渡区域附近用以基本平行的图案对齐的增强纤维组增强的增强复合结构的透视图；
图2A是根据实施例的用于制造增强复合结构的堆叠组件的透视图；
图2B是根据实施例的由堆叠组件制造的增强复合结构的侧视图；
图3A是根据实施例的包括金属插入部和过渡区域附近的纤维增强的增强复合结构的截面图；
图3B是根据实施例的包括过渡区域附近的纤维增强的增强复合结构的局部截面图；
图4A是根据实施例的径向布置的增强纤维组的俯视图；
图4B是根据实施例的包括增强纤维组的复合结构的等距视图；
图5是根据实施例的在具有随机定向纤维的过渡区域附近增强的增强复合结构的截面图；
图6A是根据实施例的围绕复合结构的拐角延伸的随机定向纤维的俯视图；
图6B是根据实施例的围绕复合结构的拐角延伸的对齐纤维的俯视图；和
图7是示出根据实施例的用于形成具有增强过渡区域的增强复合结构的步骤的流程图。
具体实施方式
总体地，本文描述的实施例涉及可以在一个或多个增强过渡区域(例如，内部或外部拐角或弯曲、接头、孔、厚度变化等)处具有相对高的弯曲刚度以及可以具有相对轻的重量的增强复合结构，和制造这种复合结构的相关方法。例如，增强复合结构(例如，包括一个或多个增强区域的复合夹层)可以包括至少两个复合蒙皮、过渡区域和邻近过渡区域并且被配置为向过渡区域提供提高的弯曲刚度的至少一组增强纤维(例如，对齐的纤维或随机定向的纤维)。被如此增强的复合夹层在过渡区域中和/或整体弯曲刚度中可展现出比没有增强纤维的复合夹层更大的弯曲刚度。
在一些实施例中，复合蒙皮可包括聚合物基体(例如，凝固的或固化的聚合物树脂)以及嵌入聚合物基体中的多个或纤维片材(例如，随机定向的不连续碳纤维片材)。通常，固化或凝固的聚合物树脂可以基本上完全固化或凝固或部分固化或凝固(例如，使得聚合物树脂保持至少部分粘稠)。此外，在固化和凝固之后，聚合物树脂可以与复合夹层(例如，与纤维片材、芯或增强纤维组)的一个或多个组分或元素形成适当的较强的结合。在至少一个实施例中，当凝固或固化时，聚合物树脂为复合夹层提供结构刚度和/或支撑。
通常，复合结构(例如，复合夹层)可以用作或可以在任何数量的装置和/或结构中形成任何数量的合适的组件(复合组件)或元件。例如，增强复合结构可以用作车辆中的组件，诸如汽车(例如，结构或框架组件、面板等)。在一些实施例中，增强复合结构可用于家具、地板等。在任何情况下，增强复合结构可用作各种应用中的结构和/或非结构组件。
在一个或多个实施例中，增强复合结构可以包括具有通过一组或多组增强纤维而被增强(例如，加强的)的至少一个过渡区域的复合夹层。例如，增强复合结构可以具有至少一个第一复合蒙皮、至少一个芯、基本上在芯与第一复合蒙皮相对的一侧上的至少一个第二复合蒙皮、以及可以通过纤维的增强而被增强的至少一个增强过渡区域(例如，加强的)。在一个或多个实施例中，增强复合结构可以具有至少一个复合蒙皮、至少一个芯和具有纤维的增强(例如，其可以具有任何数量的合适的布置和/或分组)的至少一个增强过渡区域(例如，加强的)。
过渡区域可以包括相邻区域的几何形状中的一个或多个变化或过渡(例如，从至少一个几何构造到至少一个其它几何构造或多个几何构造，诸如厚度变化、形状、定向等)。过渡区域可以包括一个或多个假想的的弯曲线或点，相邻区域围绕其可具有相对于彼此不同的定向。另外地或可选地，在实施例中，过渡区域可以包括具有平缓的或急剧的曲率变化的拐角或弯曲(例如，内部、外部或复合拐角)、孔或间隙或诸如复合夹层中的一层或多层(例如，复合蒙皮、芯、插入部等)的和/或其之间的厚度的尺寸变化等。
在一些实施例中，过渡区域的尺寸或厚度变化可邻近与其关联的插入部，诸如邻近其中或其上的金属插入部。过渡区域可以包括至少一个连续变化的曲率或不连续变化的曲率。在使用期间，复合夹层的过渡区域比增强复合结构的其它区域可以承受更大的应力负荷(例如，压缩或拉伸)。在一个或多个实施例中，增强复合结构可以具有使用一组或多组增强纤维的被(例如，束、阵列、条等)增强的至少一个过渡区域。一组或多组增强纤维可以在过渡区域中提供比没有用增强纤维形成的复合结构更大的耐应力。
在一些实施例中，增强复合结构可包括金属插入部。例如，平面或弯曲的增强复合结构可以包括具有较厚的第一部分、较薄的第二部分以及将第一部分连接到第二部分的过渡区域的复合夹层。金属插入部可以附接在复合夹层的较薄的第二部分处，并且可以构成复合夹层的较薄的第二部分和较厚的第一部分之间的厚度差的至少一些。在一些实施例中，具有金属插入部的增强复合结构还可以包括多个增强纤维(例如，随机地、成组地、以一个或多个阵列地、成束地布置等)。例如，增强纤维可以被布置以形成二维图案，其可以附接到过渡区域附近的复合夹层以加强复合结构的过渡区域和/或较薄的第二部分。
图1是包括具有不同几何构造的多个几何区域或多个部分以及连接具有不同几何构造的两个或多个几何区域或部分的过渡区域114的增强复合结构100的等距视图。特别地，增强复合结构100可以包括具有第一几何构造(例如，形状、厚度等)的第一几何区域101A和具有不同于第一几何构造的第二几何构造的第二几何区域101B。应当理解，在一些实施例中，不同几何区域的几何构造可以至少部分地限定增强复合结构的复合蒙皮，如下面更详细地描述的。
在实施例中，沿着连接不同几何区域诸如几何区域101A、101B的过渡区域114，增强复合结构100可以用一个或多个离散地增强纤维组增强。如图所示，增强复合结构100可以包括第一部分102、第二部分104以及过渡区域114(例如，从相对于第二部分104以非平行角度定向的第一部分102过渡的拐角区域)。过渡区域114可以连接第一部分102和第二部分104。如图所示的实施例中，复合结构100的第一部分102可以厚于第二部分104。过渡区域114可以将第二部分104和第一部分102连接在一起。
在一些实施例中，过渡区域114可以围绕弯曲线112(例如，弯曲线112可以位于与顶部表面116或底部表面(未示出)大致平行的平面中)弯曲或以其它方式成形。在至少一个实施例中，过渡区域114可以至少部分地由厚度变化限定(例如，平缓的或急剧的厚度变化，诸如从第一部分处的第一几何构造到具有与第一几何构造不同的厚度的第二几何构造)。例如，至少一个过渡区域114可以包括构造其中第一复合蒙皮和第二复合蒙皮中的一个或两个单独地或组合地将几何形状从第一几何构造改变为第二几何构造(例如，从第一角度弯曲到第二角度，将厚度从第一厚度改变到第二厚度)的构造。
增强复合结构100还可以包括在过渡区域114处附接到顶部表面116或底部表面(未示出)中的一个或多个的多个增强纤维108(以如本文所述的任何数量的合适的布置被布置)。如下文更详细地描述的，增强纤维组108可以形成或限定一个或多个片109。即，例如，增强纤维108可以分布在片109中，而不是连续或均匀分布在过渡区域114处(例如，过渡区域114在片109之间可以没有增强纤维)。可选地，增强纤维108可以沿着过渡区域114大致均匀地分布。应当理解，增强复合结构可以包括任何数量的片109，其可以以任何合适的距离间隔开。在一些实施例中，增强纤维108可以形成大体上二维片109(例如，片中的一个或多个可以包括单层或多层增强纤维)。可选地，增强纤维108可以形成大体上三维片109。
此外，片109中的一个、一些或每一个可以包括附接在过渡区域114处的第一片部分109A和第二片部分109B。更具体地，例如，第一片部分109A可以附接和/或可以增强过渡区域114的第一部分，其可以邻近复合夹层101的第一部分，并且第二片部分109B可以附接到和/或可以增强过渡区域114的第二部分，其可以邻近复合夹层101的第二部分(例如，大体上与第一部分相对)。
在一些实施例中，增强复合结构100可以包括复合夹层101，其可以包括定位在第一(例如，顶)复合蒙皮110A和第二(例如底)复合蒙皮110B之间并且与其结合的芯106。如下文更详细地讨论的，芯106可以轻于复合蒙皮，至少部分地由于其中的一个或多个空隙或腔。如图1中所示，第二部分104可以具有基本上实心的芯106(例如，一个或多个复合蒙皮可以直接接触以形成整体的复合蒙皮部分)，或者在一些实施例中，可具有短于第一部分102的芯高度，诸如由于复合夹层的一个或多个部分的局部压缩，如在标题为“具有高弯曲刚度的复合夹层(Composite Sandwich with High Bending Stiffness)”且与本申请同时提交的PCT国际申请(代理人案卷号为243720WO01_496714-15)中更详细的描述，其要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,614的美国临时申请和于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国临时的优先权，每个前述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
在一些实施例中，与上述几何构造的任何变化(例如，被弯曲的和/或比芯的相邻部分更加压缩的芯的一部分或更多部分)相似或相同的，芯106可以延伸穿过至少一个过渡区域的至少一部分，其中芯的一个或多个部分可以将几何形状从第一几何构造改变为第二几何构造。在一些实施例中，复合夹层(包括复合蒙皮和芯)可以包括将几何形状从第一几何构造改变为第二几何构造的过渡区域。
芯106可以是包括多个(例如，束)单元的“硬”芯，诸如在塑料管或高密度泡沫中的一个或多个壁之间限定的那些。芯可以表现出高的弯曲刚度。“硬”芯可以在沿着复合蒙皮的水平负载方向上表现出高能量吸收。在一个或多个实施例中，芯坯可以在制造期间被至少部分地压缩和/或加热以形成复合夹层的芯106。例如，芯坯可以位于浸渍有聚合物树脂的纤维片材之间，其可以被加热和/或压缩在一起以至少部分地软化(例如熔化)和/或压缩芯坯，并形成复合夹层101的芯106。特别地，纤维片材与聚合物树脂一起可以形成复合夹层101的第一和第二复合蒙皮110A和110B，其结合到芯106(由芯坯形成)。在一些实施例中，芯坯可压缩到不同的高度或厚度，以形成在其不同部分具有相应厚度变化的芯106。因此，在一些实施例中，复合夹层101的不同部分可以具有不同的厚度(例如，复合夹层101可以具有三维构造)。此外，复合夹层101可以大体上形成为具有平面和/或非平面表面的面板。
芯坯或芯材料和构造可以从一个实施例变化到另一个实施例。通常，相对硬的芯可以有效地将满负载从芯的一端传递到芯的另一端。例如，“硬”芯可以由包括塑料材料(例如，热塑性塑料、热固性塑料等)的芯坯形成，并且可以包括由相应的一个或多个单元壁限定的多个单元(例如，塑料材料可以限定为蜂窝状结构，其中单元可以具有任何数量的合适的截面形状，诸如圆形、多边形等)。本文所述的芯坯可以是本文公开的增强复合结构中的层压的(例如，具有一个或多个纤维片材)的未压缩的前体和/或压缩的芯。在一些实施例中，塑料管(例如，吸管，其可以包括低成本材料，以及可以是相对轻质的)或其它结构材料可以组合在一起或一体成型以共同形成芯坯(例如，每个吸管可以限定芯的对应单元，并且相邻芯可以在其间的间隙或空间中限定附加单元)。另外地或可选地，高密度泡沫和其它合适的和/或可压缩的材料可以包括在芯坯中(例如，材料可以是多孔的或可以包括小或微孔或单元，其可以在材料内具有三维布置)。在一些实施例中，诸如为了在芯坯或所得到的芯106的特定区域中提供所需的刚度或可压缩性，单元坯的一个区域可以包括具有与相同单元坯的另一个区域中的单元不同尺寸(例如，直径和/或高度)的单元。
在另外的或可选的实施例中，芯106的一个或多个部分也可以是相对软的，并且可以包括或可以由相对软的材料构成，诸如纸板或硬纸板或低密度泡沫。当将负载施加到芯的端部上时，“软”芯可能不会将满载荷从芯的一端转移到芯的相对端，例如，“软”芯可以由纸板或硬纸板等形成。在一些实施例中，满载荷意味着所施加的负载的至少70％。在一些实施例中，满载荷意味着所施加的负载的至少80％。在一些实施例中，满载荷意味着所施加的负载的至少90％。在一些实施例中，满载荷意味着所施加的负载的100％。“软”芯可以比大体垂直于复合蒙皮的垂直方向上的“硬”芯吸收更多的能量、振动或冲击。例如，“软”芯比“硬”芯可以吸收或抑制更多的声能。
在一些实施例中，复合蒙皮110A-B可包括聚合物基体和至少部分地嵌入其中的连续的和/或不连续的纤维(例如碳纤维)。根据一个或多个实施例，聚合物基体可以由聚合物树脂(例如，其至少部分固化形式)形成。聚合物基体或聚合物树脂可包括其中的组分的混合物，诸如一种或多种热固性材料、一种或多种热塑性塑料、一种或多种硬化剂、一种或多种填充材料、一种或多种第VIII族催化剂组或其组合。例如，聚合物树脂或聚合物基体可以包括第一热固性材料诸如环氧树脂和第二热固性材料诸如聚氨酯。环氧树脂可构成聚合物树脂的体积的约10％至约40％(例如约25％至约35％)，其中聚氨酯构成聚合物树脂的余量的至少一部分。聚合物树脂可包括一种或多种具有相对高的粘度的热塑性塑料，例如聚醚醚酮(PEEK)或聚乙烯，用于改善所得的固化复合层压材料的弹性或硬度。在一些实施例中，聚合物树脂可包括被配置为催化聚合物树脂的一种或多种组分的固化的至少一种硬化剂中的一种或多种。在一些实施例中，聚合物树脂可以包括至少一种第VIII族金属材料，诸如钴、镍或铁，用作聚合物树脂(例如环氧树脂)的一种或多种组分的反应中的化学介质。在一些实施例中，聚合物树脂可以包括至少一种填充材料以减少收缩。本文公开的聚合物树脂可以具有相对短的固化时间(例如，约5分钟或更短)，同时表现出相对小的收缩(例如，小于约3％)。例如，聚合物树脂和固化的聚合物基体之间的体积收缩可以低于约3％。如本文所用的术语“固化”或“固化的”包括至少部分地或完全地固化或固化的含义。
适当的聚合物树脂，其组分和组分的体积可以包括与本申请同时提交的标题为“多组分聚合物树脂，应用其的方法以及包括其的复合层压结构(Multicomponent PolymerResin,Methods for Applying the Same,and Composite Laminate StructureIncluding the Same)”的PCT国际专利申请(代理人案卷号243721WO01_496714-25)中描述的组分和组分的体积中的任何一种，其要求于2014年6月4日提交的申请号为62/007,632的美国专利申请和于2015年1月28日提交的申请号为62/108,837的美国专利申请的优先权，其中每一个公开的全部内容通过引用并入本文。
诸如聚氨酯和环氧树脂的混合物的聚合物基体在固化后可以是防水的。通常，第一热固性材料(例如聚氨酯)可以是至少部分地透水的，而另一种热固性材料(例如环氧树脂)可以是大体上防水的。因此，当以足够的量使用防水热固性材料时，聚合物基体可以是抗水的或防水的。在一些实施例中，聚合物树脂能够形成聚氨酯泡沫(例如，微泡沫)，这可以增强复合蒙皮与复合夹层的芯的结合。
已经发现根据本文所述的一个或多个实施例形成的复合蒙皮不会从“硬”芯诸如塑料管上剥离。在一些实施例中，在聚合物树脂和所得的固化的聚合物基体中可能需要选择量的发泡(例如，微泡沫的形成)。例如，太多的发泡可能导致聚合物树脂固化太快，失去抗水性(例如，导致过量的孔隙率，使得聚合物树脂中的环氧树脂不能防止水从其中通过)，和/或具有折衷的强度。太少的起泡可能导致聚合物树脂与芯形成较弱的结合。随着聚合物树脂中的聚氨酯发泡，泡沫可以从开口端向内渗入芯坯或芯的单元或管中，从而在固化时与其形成机械结合。在实施例中，聚合物基体可以包括环氧树脂和聚氨酯泡沫的混合物，由于环氧树脂和聚氨酯的液体混合物中形成的冷凝或蒸汽，其可以在固化期间形成。在实施例中，芯可以通过由聚合物树脂形成的泡沫(例如，微泡沫)粘附到第一复合蒙皮或第二复合蒙皮中的至少一个，并且至少部分地延伸到多个单元的一个或多个中。在一些实施例中，第一聚合物基体可以由第一聚合物树脂制成并且第二聚合物基体可以由第二聚合物树脂制成，其中第一和第二聚合物树脂是不同的。例如，第一聚合物基体可以包括在环氧聚氨酯混合物中具有比第二聚合物树脂更大的量的环氧树脂的聚合物树脂。在一些实施例中，第一聚合物基体和第二聚合物基体可以包括其中基本上相同或同样的(固化的)聚合物树脂。
如上所述，第一和/或第二复合蒙皮110A-110B的构造和/或组分(例如，聚合物基体和/或增强纤维的组分)可以从一个实施例变化到另一个实施例。通常，嵌入第一和/或第二复合蒙皮110A-110B的树脂中的纤维可以是连续的(例如，纤维可以在复合蒙皮的边缘之间延伸，诸如纺织片材)和/或不连续的或短纤维。在一些实施例中，不连续的纤维可以是来自废纤维的再循环纤维，诸如来自树脂转移模塑(“RTM”)以显著降低材料成本。此外，纤维可以包括任何数量的合适材料(例如，纤维可以是碳纤维、玻璃纤维等)。在一些实施例中，第一和/或第二复合蒙皮110A-110B可以另外地或可选地包括嵌入聚合物基体中的定向或对齐的连续纤维。而且，纤维(连续的和/或不连续的)可以布置在一起以限定纤维片材。在一些实施例中，纤维片材中的纤维可以重叠和/或编织在一起。可选地，纤维可松散地安置在一起和/或铺在一起以限定纤维片材。在实施例中，松散安置的纤维可以附接或结合在一起以形成纤维片材。
在实施例中，用于纤维片材(例如，复合蒙皮)的增强纤维组的碳纤维可以以组或束(例如条、片等)供应，诸如通过TORAY 1k、3k、6k、12k、24k和48k组。每组碳纤维还可以包括纤维的外表面上的一些粘结剂，使得当碳纤维被加热到高的温度时，纤维可以粘合在一起。
长度大约相同的增强纤维可以在纤维机器中由连续纤维制成。纤维机器可以被配置为自动来回移动以将纤维以任何期望的图案沉积在台上的复合材料之上。纤维机器还可以被配置成将连续纤维切割成大约相同的长度。例如，纤维可以长到足以硬化或加强复合结构。纤维可以至少100mm长，诸如约180mm长、约100mm长至约1m长、约150mm长至约500mm长、约200mm长至约300mm长、或约100mm长至约400mm长。纤维片材或复合蒙皮或纤维片材或复合蒙皮中的单根纤维的长度可以改变或大体上相同。
为了形成具有加强的过渡区域的复合夹层，诸如增强纤维的一个或多个组(例如，随机定向的纤维的离散组)另外的增强纤维可以布置在堆叠组件的区域上，其可以形成复合结构或夹层的过渡区域中，以形成增强复合结构。通常，堆叠组件可以包括树脂浸渍的纤维片材和位于它们之间的芯坯。在一些实施例中，如上所述，堆叠组件可以包括位于过渡区域中的增强纤维。
堆叠组件在处理或模塑之前可以是大体上平坦的。在一些实施例中，堆叠组件可包括聚合物树脂浸渍的纤维片材或层(“预浸材料”)。在一个或多个实施例中，堆叠组件可以包括树脂浸渍的纤维片材(例如，聚合物树脂可以在纤维片材上喷涂、铺展、卷绕等，以制造树脂浸渍的纤维片材)。堆叠组件可以包括在两个树脂浸渍的纤维片材之间的芯。
定向或对齐的连续纤维，诸如纺织纤维，可以具有高于不连续纤维的抗应力性，并且可以比随机定向的不连续纤维更美观，但是成本更高。包括定向的连续纤维的复合蒙皮可以在固化之前不完全拉伸或者与包括随机定向的不连续纤维的复合蒙皮一样。拉伸能力可以使复合夹层形成为任何形状，诸如当加热以软化芯和/或当在模具中压制时。包括定向连续的纤维的复合蒙皮的纤维片材可能不会吸收与包括随机定向的不连续纤维的复合蒙皮一样多的聚合物树脂。
增强纤维组108的可以沿着过渡区域114布置或分组以形成增强区域。例如，增强纤维108包括与上述任何纤维或纤维片材相同或相似的材料。例如，增强纤维组108可以包括随机定向的不连续纤维或连续定向纤维，诸如碳纤维或玻璃纤维。增强纤维组108可以表现出与复合蒙皮的纤维片材相同的厚度或者可以表现出更大或更小的厚度。例如，增强纤维组108可以是邻近的复合蒙皮中的纤维片材的厚度的约25％至约200％，诸如邻近的复合蒙皮中的纤维片材的厚度的约25％至约100％、约35％至约75％、约40％至约50％、约100％至约200％、约120％至约180％、约140％至约160％、约50％、约75％、约100％、约125％、约150％或约200％。
增强纤维组108可以位于第一复合蒙皮110A上或下，并且通常相对于复合蒙皮或复合夹层的载荷或应力矢量对准，使得与不具有增强纤维组108的复合蒙皮或复合夹层相比，复合蒙皮或复合夹层表现出相对高的弯曲刚度。在实施例中，增强纤维组108可以表现出基本上线性的形状(例如条)、基本上圆形的形状(例如片)、基本上多边形形状(例如，正方形片或矩形条)以及不规则形状(例如，没有重复或可限定的角度或连续弯曲的侧面)、径向结构(例如，从中心点发出的多个条)或上述任何的组合。在一些实施例中，增强纤维组108可以相对于一个或多个相邻纤维组108以一种或多种图案或关系定位，诸如基本上彼此平行或基本上线性对齐。
在一些实施例中，增强纤维108可以被设置穿过复合蒙皮或层压材料的过渡区域114(例如，交叉点或拐角)或至少部分地与其重叠(例如，交叉点或拐角)。例如，增强纤维108中的至少一些可以被定向为基本上垂直于过渡区域114的弯曲线112。在一些实施例中，增强纤维108中的至少一些可以定位为基本上平行于过渡区域114的弯曲线112，诸如沿着以平行于并且与弯曲线112重叠的线形序列延伸。在一些实施例中，增强纤维108中的至少一些可以以与过渡区域114的弯曲线112成倾斜角度设置。
增强纤维108的相对位置和/或对齐可以有助于加强过渡区域114或提高过渡区域114附近的增强复合结构的弯曲刚度，使得增强复合结构100可以承受较高的弯曲负载(例如，复合夹层101的相对部分可以经受围绕弯曲线112的弯曲负载)。在一些实施例中，增强纤维108中的至少一些也可以相对于弯曲线112和/或相对于Y轴以钝角或锐角定向。例如，增强纤维108中的至少一些可以具有小于90度的角度，增强纤维108中的一些可以具有在90度和180度之间的角度，以及增强纤维中的一些可以具有约90度的角度。在一些实施例中，增强纤维组108可以从弯曲线112以各种角度定位。例如，与X轴的角度可以在10℃至90℃之间变化，或在90℃到170℃之间变化。在具有与X轴成角度的混合物处设置的增强纤维组的实施例中，增强复合(夹层)结构可以承受来自多个方向的应力，而不是仅具有均匀定向的增强纤维组的一个方向。
在利用增强纤维108组中的定向的或对齐的纤维(例如，编织碳纤维片材)的实施例中，单个的定向的纤维可以被设置为使得定向纤维可以垂直于过渡区114(例如，纤维延伸穿过弯曲线112而不是与其平行)。此外，增强纤维108中的至少一些可以与第一和/或第二复合蒙皮110A-110B中的纤维相对平行、垂直或倾斜的关系对齐。在一些实施例中，增强纤维108诸如随机定向的不连续纤维可以用于增强复合夹层101。随机定向的不连续纤维可以承受沿任何方向施加的弯曲，与被配置为承受在特定离散方向上的弯曲应力的对齐的纤维相对。
如上所述，增强纤维108可以成组地布置和/或可以限定一个或多个形状或片(例如片109)，其可以增强过渡区域114。通常，片109的外围可以具有相对于过渡区域114的任何合适的定向，诸如上文结合增强纤维108所述的定向。此外，形成片109的增强纤维108可以在片109中的每一个内并且/或相对于片的外围或形状具有任何数量的合适定向。
虽然在所示实施例中，增强复合结构100示出为在顶部表面116上具有增强纤维108的片109，但是在一些实施例中(未示出)，增强复合结构100可以另外地或可选择地包括附接到底部表面(例如，与复合蒙皮110B相关联)以增强过渡区域114的增强纤维。例如，增强纤维可以基本上彼此平行地对齐，并且大体上垂直于过渡区域或其弯曲线112。
在一些实施例中，复合结构可包括其中和/或其间具有一个或多个过渡区域的一个或多个侧壁。图2A是可以在过渡区域204处使用增强纤维202增强的增强复合结构200的分解透视图。增强复合结构200可以包括由过渡区域204连接在一起的第一侧壁208A和第二侧壁208B。过渡区域204可以是如图所示的拐角区域，或者在其它实施例中，过渡区域204可以在形状、厚度等方面表现出一种或多种变化。第一侧壁208A和第二侧壁208B可以由一个或多个组分部分制成或包括一个或多个组分部分，诸如复合夹层的一个或多个部分。
特别地，例如，增强复合结构200的复合夹层可以包括第一和第二复合蒙皮212A、212B，以及位于其间并与其结合的芯206。复合蒙皮212A或212B可以包括由单独的纤维片材形成的两个或多个复合层压部，其可以增加复合蒙皮的厚度。复合夹层可以包括NCF或编织织物以提高具有其的复合结构的拉出载荷。增强复合结构200还可以包括增强纤维202，并且在一些情况下，插入部(例如，金属插入部)可以包括在复合夹层中。第一侧壁208A和第二侧壁208B可以包括相同组分的不同部分。例如，第一复合蒙皮212A可以形成第一侧壁208A、过渡区域204和第二侧壁208B的一部分，同时过渡区域204在第一和第二侧壁之间延伸。
在一些实施例中，增强纤维202可以设置在(例如，与其直接接触或结合到其上)过渡区域204处，诸如横跨过渡区域204的至少一部分，以增强过渡区域204。增强纤维组可以位于第一和/或第二复合蒙皮212A、212B的顶部(例如，在其外表面)，或者可选地或另外地位于第一和第二复合蒙皮212A、212B之间，诸如在芯206和第一复合蒙皮212A之间。
在一些实施例中，第二侧壁208B可以基本上是实心的和/或可以基本上仅包括在其间没有芯的复合蒙皮212A-212B。此外，增强纤维202可以位于第一和第二复合蒙皮212A、212B之间或其一个或多个外表面附近。可选地，在一些实施例中，芯206可以基本上完全延伸穿过复合夹层，诸如通过其间的第一侧壁208A、第二侧壁208B和过渡区域204(例如，拐角区域)。
过渡区域204可以包括第一和第二侧壁208A、208B围绕其相对于彼此弯曲和/或定向的弯曲线210。通常，如上所述，过渡区域204处的弯曲可以具有任何数量的构造(例如，可以形成大体上尖锐的内角、可以具有半径、可以包括不规则过渡等)。因此，弯曲线210可以大体对应于相对于彼此定向的第一侧壁208A和第二侧壁208B周围的位置。
在一些实施例中，第一侧壁208A可以具有与第二侧壁208B相同的厚度。在可选的或另外的实施例中，第一侧壁208A可以具有与第二侧壁208B不同的厚度(例如，其具有不同地压缩或者不同的厚度的芯206的一部分)。在一些实施例中，第一复合蒙皮212A可以具有与第二复合蒙皮212B相同的厚度。在其它实施例中，第一复合蒙皮212A可具有与第二复合蒙皮212B不同的厚度。在过渡区域中厚度差可以从第一厚度过渡到第二厚度。
增强复合结构200可以通过将增强或加强纤维202中的至少一组附接(例如，跨越或围绕)过渡区域204处来增强或加固复合夹层而形成。增强纤维202可以横跨过渡区域204。过渡区域204可以表现出形式或形状的变化，诸如一个或多个曲率变化和/或厚度变化或改变。
在一些实施例中，过渡区域204可以表现出高度的形式或形状变化、约45度或更大的一个或多个角度或相对于一个侧壁到另一个侧壁的约50％或更大的厚度变化。增强纤维202可以在增强复合结构200的第一侧壁208A中的至少一部分上、穿过过渡区域、并且在第二侧壁208B的至少一部分上延伸。增强纤维202可以包括附接到第一侧壁208A的第一部分202A和附接到第二侧壁208B的第二部分202B，以及在其间延伸的中间部分。在一些实施例中，第一部分202A和第二部分202B可以被对齐为基本上彼此垂直(如图2A-2B中所示)、彼此平行或彼此倾斜。如上所述，增强纤维202可以以组或片布置。应当理解，由增强纤维202形成的片可以具有任何合适的形状和/或排列(例如，增强片的排列可以与增强纤维202的对齐类似或相同)。
在一些实施例中，如图2A中所示，增强纤维202可设置在芯206和第一复合蒙皮212A之间，并且/或在芯206和第二复合蒙皮212B(未示出)之间。在一些实施例中，如图2B中所示，增强纤维可被设置在第一复合蒙皮212A上方和/或上。在一些实施例中，增强纤维组202可以位于第二复合蒙皮212B上。在一些实施例中，增强纤维202的一个或多个组可设置在芯206和第一或第二复合蒙皮212A或212B之间、第一复合蒙皮212A上方、第二复合蒙皮212B上方、或前述的组合。如本文所使用的，术语“上方”包括接触、附接或粘贴。
图2A的增强复合结构200可以被组装(例如，位于模具内并且/或者压制)并且形成为单一的增强复合结构，诸如通过在模具中压制其至少一部分和/或将其一个或多个部分加热以至少部分地固化复合蒙皮(例如，在一个或多个碳纤维片材中的聚合物树脂)。
类似于图2A，图2B是在邻近过渡区域204处使用定向的增强纤维202组增强的增强复合结构200'的侧视图。如图所示，可以存在连接到第一侧壁(例如，复合夹层)208A和第二侧壁(例如复合蒙皮)208B并位于其间的过渡区域204(例如，拐角和厚度变化)。组合的复合蒙皮(例如，不具有芯)可以包括第一复合蒙皮212A和第二复合蒙皮212B。第二侧壁208B的组合复合蒙皮被描绘为包括两个单独且不同的复合蒙皮(例如，被束缚在一起但独立的固化的复合蒙皮)。然而，在一些实施例中，第二侧壁208B可以包括单个复合蒙皮，其可以在其纤维片材中大体上不呈现分开或分离。
例如，压制和固化相邻的树脂浸渍的纤维片材可以产生具有纤维嵌入其中的大体上单一的聚合物基体。在一些实施例中，聚合物树脂的薄层可以以固化和/或未固化状态被设置在第二侧壁208B中的第一复合层212A和第二复合层212B之间。在一些实施例中，芯206(例如，与第一侧壁208A中的相同的芯206或不同的芯206)可以被设置在第二侧壁208B中的第一复合层212A和第二复合层212B之间。在一些实施例中，芯206可以延伸穿过第一侧壁208A和第二侧壁208B之间的过渡区域204的至少一部分。如图2B中所示，芯206可以渐缩和/或终止于增强复合结构200'的一个或多个部分中，诸如在第一侧壁208A中、第二侧壁208B中或过渡区域204中(如图所示)。在一些实施例中，芯206可以延伸穿过第一侧壁208A和第二侧壁208B之间的过渡区域204的至少一部分。
如图所示，增强纤维202可以在复合结构上的一个或多个位置中。例如，增强纤维组202可以位于第一复合蒙皮212A(图2B)的顶部上214A处、在第一复合蒙皮212A和芯206(图2A)之间的位置214B处、在芯206和第二复合蒙皮212B之间的位置214C处、或者在第二复合蒙皮212B的下方(例如，在外表面上)的位置214D处。位置214A-214D可以沿着增强复合结构200'的长度或横向维度延伸。根据用于特定应用的负载条件，如上文所公开的，增强纤维202可以在不同方向(例如，与过渡区域204的弯曲线垂直或成角度)排列。与增强复合结构200'相关联的增强纤维202可以提供附加的刚度或硬度以抵抗第一侧壁208A或第二侧壁208B中的一个或多个上的可能导致过渡区域204上的扭矩、应力或应变的力。
在一些实施例中，过渡区域可以包括复合夹层或增强复合结构中的一个或多个部分的厚度变化。图3A是包括诸如金属插入部302的插入部，以及邻近过渡区域308的增强纤维(例如，增强纤维314组的一个或多个)的增强复合结构300的横截面图。增强复合结构300可以包括包括第一复合蒙皮318A、第二复合蒙皮318B以及其间的芯304的复合夹层(例如，复合板或片材)316。第一复合蒙皮318A、第二复合蒙皮318B和芯304可以与本文公开的包括其任何组成、尺寸或性质的任何复合蒙皮或芯相似或相同。
复合夹层316可以包括一个或多个较厚的第一部分306、一个或多个较薄的第二部分310以及将第一部分306中的一个或多个连接到第二部分308中的一个或多个的一个或多个过渡区域308。整体复合夹层316可以是大体上平面的(或者在一些实施例中是如图2A-2B中所示的非平面的)，其中一个或多个过渡区域308包括其中一个或多个组分的厚度的变化并且由其表示。复合夹层316的过渡区域308可以具有连续或不连续的(例如，阶梯式)厚度变化。在一些实施例中，过渡区域308的末端处的拐角330可以是圆形的，以将应力集中扩散穿过更大的区域，这可以减少在诸如尖角的离散点处破裂的可能性。如图3A中所示，过渡区域308可以具有恒定的或可变的斜率322。在一些实施例中，过渡区域308可以恒定地或可变地弯曲。在一些实施例中，过渡区域308可以具有不连续的厚度变化，诸如阶梯式(未示出)。
增强复合结构300可以包括金属插入部302，诸如以在其一个或多个区域中支撑复合夹层316，或者为紧固件或另一结构以提供附接点。金属插入部302可以具有与复合夹层316的厚度变化大体上互补的几何形状(例如，装配或结合到形成在复合夹层316中的袋状部或斜坡中)，其可以构成至少一些较厚的第一部分306和较薄的第二部分310之间的厚度差。
在一些实施例中，金属插入部302可由诸如铝、钢、镁、钢铁、钛等含义任何金属或合金形成。金属插入部302可通过粘合剂附接到较薄的第二部分310并且/或结合到树脂聚合物并且/或者可以用一个或多个紧固件紧固，诸如螺栓(未示出)。在实施例中，金属插入部320可以包括紧固孔312(例如，螺纹孔)以紧固螺栓。在一些实施例中，金属插入部302可以可选地或另外地附接到第一部分306，诸如通过粘合剂或紧固件。在一些实施例中，可以使用非金属插入部代替金属插入部302。用于非金属插入部的合适材料可以包括塑料、木材、陶瓷、流体单元等。金属插入部可以在诸如形成复合夹层之前或之后设置在复合蒙皮318A和318B的外部。在这样的实施例中，与具有设置在复合蒙皮层内部的金属插入部的复合结构相比，可以实现更快的生产时间和降低的成本。然而，在一些实施例中，金属插入部可以位于复合蒙皮的内部。
例如，复合蒙皮318B可以形成袋状部并且/或者可以至少部分地围绕金属插入部302。此外，容纳金属插入部302的袋状部或缺口可以在芯304中形成(例如，芯304可以至少部分地围绕金属插入部302并且可以通过复合蒙皮318B与其分离)。在一些实施例中，至少由复合蒙皮318B限定的袋状部或凹部可相对于复合蒙皮318B和/或相对于芯306定位和/或定向金属插入部(例如，凹部可具有一个或多个锥形侧壁)。在一些实施例中，形成包括芯306的至少一部分的凹部可以产生过渡区域，诸如在具有第一厚度的复合夹层316的一部分与具有第二厚度(大于第一厚度)的复合夹层316的另一部分之间的过渡区域308。复合夹层中的凹部可以由独立于插入部的模型形成，或者可以通过将插入部压入未固化的复合夹层中而形成。在复合夹层已经固化之后或在固化之前，插入部可以设置在凹部中。
增强复合结构300可以可选地或另外地包括附接到复合夹层316的顶部表面的增强纤维314，诸如在复合蒙皮318A上。增强纤维314和/或其布置可以与本文公开的任何增强纤维类似或相同，包括但不限于纤维的类型(例如碳、玻璃、连续的或不连续的)或纤维附聚形式(例如，随机定向的片材或纺织片材)。增强纤维314可以覆盖(例如，大体上完全地延伸穿过)复合夹层316的过渡区域308，并且可以延伸以覆盖复合夹层316的第二部分310的一部分和/或第一部分306的一部分。在一些实施例中，在复合夹层的初始形成期间(例如，与复合夹层316的组分一体成型)，可以将增强纤维314组添加到复合夹层。在一些实施例中，增强纤维314可以在复合夹层316形成(例如，固化)之后添加(例如，附接)到复合夹层316。在一些实施例中，增强纤维314可以设置在金属插入部302和复合蒙皮318B之间、或复合蒙皮318A或318B与复合夹层316的芯304之间(未示出)。
在一些实施例中，复合夹层316可由位于复合蒙皮318A和318B之间的并与其结合的芯304形成。复合蒙皮318A、318B可包括嵌入聚合物基体中的定向的连续纤维或随机定向的不连续纤维。较薄的第二部分310可以具有实心复合结构(例如，仅包括复合蒙皮)或短于较厚的第一部分306的芯高度。同样，芯可以包括诸如具有相对高的弯曲刚度的多个聚合物单元(例如，聚碳酸酯管束或高密度泡沫)的“硬”芯材料。芯可以可选地或另外地包括具有高能量吸收的“软”芯材料，其包括硬纸板或纸板、或低密度泡沫等。例如，在实施例中，复合夹层可以包括其中的一个或多个芯，诸如一个或多个“硬”芯和/或一个或多个“软”芯，诸如在一个或多个复合蒙皮之间(例如，彼此直接相邻的或由其间的一个或多个复合蒙皮分离的一个或多个芯)。在实施例中，硬芯的单元可以部分地用软芯材料填充(例如，用纸板部分地填充聚碳酸酯管)。
在一些实施例中，复合夹层可以形成为具有大体上均匀的芯坯高度，然后可以被加热和/或压缩以形成具有呈现一个或多个不同高度的芯的复合组分，诸如以模具中所期望的形状。复合夹层316的厚度变化可以通过将芯坯在一个区域中比在另一个区域中更深入地压缩，诸如在模具中(例如，芯坯和树脂浸渍的纤维片材可以被加热并以5bar至10bar(例如，约6bar)被压缩以形成复合夹层316)。使用诸如多个聚碳酸酯单元(例如，塑料细管)的“硬”芯坯可使得芯坯和所得芯比使用软芯材料承受更大的压缩。此外，“硬”芯材料，诸如塑料管，在压制期间可以另外地被软化或加热(例如，至少部分熔化)以进一步符合模具的形状或期望的芯高度。在一些实施例中，厚度的变化可能是由于在复合夹层316的一个或多个部分中缺少芯。在一些实施例中，复合夹层316的厚度变化可以受在其不同区域中使用具有不同厚度的芯影响(例如，不考虑压制和/或模塑)。在一些实施例中，所得的压制磁芯可以呈现具有较高的芯高度的至少一部分以及具有较短的芯高度的至少一部分。
在一些实施例中，可在形成复合夹层或板316之前添加纤维314。图3B是设置在模具320A-320B中的包括邻近过渡区域308的增强纤维组314的增强复合结构300'的局部截面图。例如，复合夹层可以包括复合蒙皮318B，该复合蒙皮318B包括用聚合物树脂浸渍的纤维片材或层(例如，浸渍有聚氨酯-环氧聚合物树脂的碳纤维片材)、压缩芯304以及包括用聚合物树脂浸渍的纤维片材的顶部复合蒙皮318A(例如，用聚氨酯-环氧聚合物树脂浸渍的另外的碳纤维片材)，以及具有施加到其上(例如，喷涂或手动施加)的聚合物树脂的增强纤维314。增强纤维314可以与本文公开的任何增强纤维及其布置相似或相同。在实施例中，增强纤维314可以包括从用于喷射聚合物树脂和细小切碎纤维的喷附成型层压系统喷射的聚合物树脂和细小切碎纤维，诸如来自明尼阿波利斯、明尼苏达州等的的RS ChopGun。
在一些实施例中，为了生产复合夹层和/或增强复合蒙皮，与组件200类似或相同的堆叠组件可以设置在包括上模具部分320A和下模具部分320B的模具中。堆叠组件可以被压制和/或加热，并且随后固化(例如，加热一段时间)以形成增强复合结构。在实施例中，第一复合蒙皮318A可以邻近(例如，直接接触或接近)上模具部分320A设置，以及第二复合蒙皮可以邻近下模具部分320B设置(例如，上下模具部分320A-320B可以限定压缩和/或塑型堆叠组件以制造增强复合结构的模具型腔)。
在实施例中，芯304可以邻近第一复合蒙皮318A或第二复合蒙皮318B中的一个或两个设置。在一些实施例中，增强纤维的一组或多组可位于芯304和第一复合蒙皮318A或第二复合蒙皮318B中的一个或多个之间。在一些实施例中，增强纤维的一组或多组可位于上模具部分320A和第一复合蒙皮318A之间和/或下模具部分320B和第二复合蒙皮318B之间。
在一些实施例中，上模具部分320A或下模具部分320B可被配置为在复合夹层中形成一个或多个袋状部、曲线、角或其它过渡区域。在实施例中，邻近上模具部分320A或下模具部分320B设置的增强纤维组314可以使在其中形成的增强复合结构呈现一个或多个袋状部、曲线、角或其它过渡区域。例如，当设置在第一复合蒙皮318A上的增强纤维组314被装载到模具中并且经受压制和/或加热时，与其相邻的芯坯中的一个或多个单元可以至少部分地变形(例如，压缩)以将增强纤维314组容纳在模具型腔中。
与增强纤维314组相邻的芯304压缩多于在其它区域，使得增强复合结构的顶部表面由上模具部分320A成型，并且增强纤维抵靠增强复合结构的顶部表面被压缩并使其变形(例如，增强纤维可以基本上与增强复合夹层的顶部表面的相邻区域齐平或共面)。在一些实施例中，可以采取类似的步骤以将增强纤维组添加到邻近下模具320B的第二复合蒙皮318B。增强纤维314组和/或第一复合蒙皮318A可以包括在其中或其上的聚合物树脂，其在加热和/或压缩期间可以使增强纤维314组和第一复合蒙皮318A至少部分地结合。
在一个或多个实施例中，复合蒙皮可以至少部分地用增强纤维314浸渍以提供增强。增强纤维314可以从外表面向内设置在复合夹层上形成的凹部中。在实施例中，增强复合结构的外表面(例如，顶部和/或底部表面)可以是大体上平滑的，其中一个或多个袋状部用增强纤维的一组或多组填充。如此形成的增强复合结构的外表面可以与模具的内表面互补。如图3B中所示，在一些实施例中，芯坯可以从一个或多个侧面变形(例如，压缩)以形成芯304。在一个或多个实施例中，模具可以加热一段时间以固化其中的复合蒙皮中的聚合物树脂，使得模具的形状保持在所得的包括复合夹层的增强复合结构中。在一些实施例中，可以在固化之后加入另外的用于增强的增强纤维组。
图4A是径向布置(例如，从中心点径向延伸对齐)的增强纤维的俯视图。如上所述，增强纤维可包括具有任何数量的构造的许多形式的组或片，诸如条、毯、片等。如图4A中所示，多个增强纤维可以以放射状形式400A布置。增强纤维402可以布置为具有纤维402的所有组之间的重叠区域404。
此外，增强纤维402可以布置在具有彼此不同的定向(例如，大约一个或多个坐标或轴线)的增强纤维402A、402B的片或组中。放射状图案400A可以具有增强纤维314(如图3A中所示)。对于沿着单个方向(例如，如图1中所示)的增强纤维组108的线性图案，径向模式400A可以具有一些益处。例如，径向模式400A可以增强复合以沿各个方向负载。
另外地，由此形成并且以径向模式400A布置的增强纤维402和/或片可以在单个步骤中覆盖更大的表面积(例如，基本上在单个点处提供对来自多个方向的应力提供抵抗)，分开施加但具有相似方向布置的几组增强纤维不可以。在一些实施例中，片402A和402B中的至少一些可以包括以与另一个不同的方向相似地布置的一个或多个定向纤维，或者可以包括随机定向的不连续纤维。
图4B是设置在复合蒙皮412的纤维片材或纤维层上的增强纤维408组的等距视图。例如，增强纤维组408可以被设置在围绕预期承受应力的复合蒙皮的图案410内，以增强复合蒙皮或包括其的复合结构。合适的图案可以包括如图所示的放射型图案、棋盘格图案、线性模式、随机布置、格子图案或任何上述的组合。增强纤维408可以通过任何合适的附接手段(例如粘合剂、一个或多个紧固件、缝合、压制和/或加热或前述的任何组合)粘贴到复合蒙皮412。这样的模式可以有助于加强过渡区域以承受各个方向上的负载。
在一些实施例中，增强复合结构可以包括由其中的复合蒙皮的一个或多个区域增强的复合夹层，其具有大于复合蒙皮的相邻区域的厚度。图5是在过渡区域508处用随机定向的增强纤维506增强的增强复合结构500的截面图。增强复合结构500可包括具有纤维片材或纤维层的复合蒙皮512A，该纤维片材或纤维层包括其中的用于增强在第一较厚部分502和第二较薄部分504之间的过渡区域508的纤维506的较厚部分。纤维片材可包括本文公开的任何构造中的本文所公开的任何纤维。增强复合结构500可以包括在芯510顶部上的第一复合蒙皮512A与芯510下方的第二复合蒙皮512B之间的芯510。
在实施例中，芯510可以在一个或多个其它部分中的一个或多个部分中，诸如在第一部分502中，具有高于在第二部分504的高度。过渡区域508可以包括曲率变化(例如，如图所示的改变斜率和/或复合曲线)。如图5中所示，在过渡区域中复合蒙皮512A的厚度比在第一部分502和第二部分504中的大。具有较大厚度的复合蒙皮的部分可以至少部分地与邻近过渡区域508的第一部分502和第二部分502重叠。在一些实施例中，较厚部分506的厚度可以是纤维片材或复合蒙皮512A的其余部分的厚度的约120％，诸如是纤维片材或复合蒙皮512A的相邻区域的厚度的约120％至约300％、约130％至约200％、约140％至约180％、或约150％。
图6A是包括在增强复合结构601(例如，施加到复合夹层)中的随机定向的增强纤维602的俯视图。根据本公开的实施例，随机定向的纤维602可以设置在的增强复合结构601的拐角周围，诸如它的一个或多个侧面(例如，表面)。增强复合结构601可以包括可以以任何形状弯曲的一个或多个过渡区域604。如图6A所示，沿着复合结构601的轮廓，随机增强纤维602可以设置在过渡区域604上(例如，施加到并结合到过渡区域604)。
在实施例中，增强纤维602的厚度和/或密度可以在增强复合结构601的截面上变化。例如，增强纤维602可以较厚或较密集地填充在复合结构的横截面的中部608中，并且在远离中部608的端部606处变得较薄，使得增强纤维602呈现厚度或密度以中部608为中心的钟形曲线(bell curve)。随机定向的纤维602的厚度或密度的变化可以减少过渡区域中的应力集中并加强过渡区域。厚度的连续变化也在增强复合结构500中示出(图5)。
在一些实施例中，一个或多个增强纤维610可以被设置在复合蒙皮612的一个或多个轮廓周围。图6B是根据本公开的实施例的围绕增强复合结构612的拐角设置的增强纤维610(例如，单向或定向纤维)的俯视图。如图6B中所示，沿着复合结构612，增强纤维610可以设置在过渡区域上方和/或可以形成多个片(例如，由增强纤维610形成的片可以具有如上所述的任何数量的合适定向)。在一些实施例中，增强纤维610可以大体上垂直于增强复合结构612的曲率设置。在其它实施例中，沿着增强复合结构612的离散点，增强纤维610可以与增强复合结构612平行或倾斜。
聚合物树脂可以施加(例如，喷涂或手动铺展)在另外的增强纤维上。然后，包括具有用树脂浸渍的纤维层的复合堆叠的整体叠层和用聚合物树脂喷涂的增强纤维可以被放置在模具中以被压制和/或固化以形成期望的形状的增强复合结构。
图7是形成具有加强或增强过渡区域的增强复合结构的方法700的流程图。该方法700可以包括在部分堆叠组件的区域(例如，可以形成过渡区域的区域)上布置增强纤维的步骤702。例如，部分堆叠组件可以包括相对的树脂浸渍的纤维片材和位于它们之间的芯坯。过渡区域可以形成为具有如上所述的构造的任何数量。
方法700可以包括用诸如液体聚合物树脂的聚合物树脂浸渍增强纤维的步骤706。例如，聚合物树脂可以涂在和/或喷涂在增强纤维的至少一些上，诸如在增强纤维和与其相邻的复合蒙皮的纤维片材上方(例如，在其上)。可选地或另外地，增强纤维可以用树脂浸渍的纤维片材的聚合物树脂浸渍(例如，当增强纤维接触树脂浸渍的纤维片材时)。可以使用本文公开的或通过引用并入的任何聚合物树脂，诸如其中具有约5％至约40％的环氧树脂的环氧树脂和聚氨酯的混合物。在实施例中，施加聚合物树脂可以包括将液体聚合物树脂喷涂在增强纤维组上。在实施例中，施加聚合物树脂可以包括将液体聚合物树脂手动施加在增强纤维组上，诸如通过用抹刀、泥刀、刷子，轧制等倾倒、浸渍或涂。
在实施例中，方法700可以包括将堆叠组件设置在模具中的步骤710。特别地，例如，堆叠组件可以包括树脂浸渍的纤维片材、芯坯、增强纤维、金属插入部或前述的组合。将堆叠组件设置在模具中可以包括将第一纤维片材定位在第一模具的一半上。将堆叠组件设置在模具中可以包括将芯坯设置在第一纤维片材上。将堆叠组件设置在模具中可以包括将第二纤维片材设置在芯坯上。将堆叠组件设置在模具中可以包括将金属插入部设置为邻近一个或多个纤维片材，诸如在纤维片材和模具之间或在纤维片材和芯之间。将堆叠组件定位在模具中可以包括在第一纤维片材或第二纤维片材中的一个或多个上配置或设置多个增强纤维，以增强所得到的复合夹层。增强纤维可以以本文公开的任何构造定位或它们的组合。在一些实施例中，聚合物树脂可以在设置之前施加到纤维片材或增强纤维组。在一些实施例中，聚合物树脂可以在设置之后但在设置金属插入部之前施加到纤维片材或增强纤维组。第一纤维片材、第二纤维片材、增强纤维组、金属插入部和芯坯可以与本文所述的任何纤维片材、增强纤维组、金属插入部或芯坯相似或相同。
在实施例中，方法700可以包括在模具中压缩堆叠组件的步骤714。例如，压缩堆叠组件可以包括在加热堆叠组件的同时压制堆叠组件，诸如在压制模具的同时加热模具。方法700可以包括固化堆叠组件中的树脂的步骤716。固化聚合物树脂可以包括至少部分地固化聚合物树脂，使得其上的具有增强纤维组的复合夹层聚集成单一整体的增强复合结构。固化聚合物树脂可以包括加热聚合物树脂。加热聚合物树脂可包括将聚合物树脂加热至高于约70℃的温度，诸如约90℃或更高、约100℃或更高、约120℃或更高、约130℃或更高、约70℃至约200℃、约90℃至约150℃、约100℃至约180℃、约120℃至约160℃、或约130℃。固化聚合物树脂可以包括在模具中加热压缩的堆叠组件。在模具中加热压缩的堆叠组件可以在模具中的堆叠组件处于压力下时进行。加热可以在适合于至少部分地固化纤维中的聚合物树脂的任何时间段进行，诸如本文所公开的任何时间或时间范围。固化聚合物树脂可以包括在烤箱或窑炉中加热压缩的堆叠组件。固化聚合物树脂可以包括允许压缩的堆叠组件在环境条件下静置预定的持续时间。固化可以进行40秒或更长，诸如约2分钟或更长、约2分钟至1天、约5分钟至约10小时、约10分钟至约2小时、约15分钟至1小时、约1分钟至约10分钟、约2分钟至约15分钟、约3分钟至约8分钟或约5分钟。
前述方法可形成具有一个或多个增强过渡区域的增强复合结构。增强复合结构可以包括具有第一复合蒙皮、第二复合蒙皮、至少一个过渡区域以及位于所述至少一个过渡区域上的至少一个增强纤维组、附接到复合夹层以增强过渡区域的至少一个增强纤维组的复合夹层，该第一复合蒙皮包括嵌入聚合物基体中的多个纤维，该第二复合蒙皮包括嵌入聚合物基体中的多个纤维。
已经描述了若干实施例，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的精神的情况下，可以使用各种修改、可选择的构造和等同物。另外地，为了避免不必要地模糊本发明，没有描述许多公知的过程和成分。因此，上述描述不应被视为限制本发明的范围。

Claims (41)

1.一种增强复合结构，包括：
第一复合蒙皮，其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维；
第二复合蒙皮，其包括嵌入聚合物基体中的多个纤维；
芯，其位于所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的至少部分之间并与其结合；
过渡区域，在所述过渡区域处所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮的一个或多个从第一几何构造过渡到第二几何构造；以及
多个增强纤维，其位于所述过渡区域中并附接到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮中的一个或多个。
2.根据权利要求1所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维包括对齐纤维。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维中的至少一些被设置为大体上彼此平行。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的增强复合结构，其中所述过渡区域包括弯曲线，以及所述多个增强纤维中的至少一些被设置为大体上垂直于所述过渡区域的弯曲线延伸。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维中的至少一些具有至少100mm的长度。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的增强复合结构，所述多个增强纤维包括随机定向的纤维。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维包括碳纤维、玻璃纤维或塑料纤维中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的增强复合结构，其中所述芯包括由相应的单元壁限定的多个单元。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的增强复合结构，其中所述芯包括塑料管、硬纸板、纸板、低密度泡沫或高密度泡沫中的至少一种。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的增强复合结构，其中所述芯包括结合在一起的多个聚碳酸酯管。
11.根据权利要求1-10中任一项所述的增强复合结构，其中在所述过渡区域处，所述芯具有与在邻近所述过渡区域的一个或多个区域不同的厚度。
12.根据权利要求1-11中任一项所述的增强复合结构，其中在所述第一几何构造处的所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮的一个或多个第一部分相对于在所述第二几何构造处的所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮的一个或多个第二部分以非平行的角度被定向。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的增强复合结构，其中在所述第一几何构造处所述芯具有第一厚度，并且在所述第二几何构造处所述芯具有与所述第一厚度不同的第二厚度。
14.根据权利要求1-13中任一项所述的增强复合结构，进一步包括附接到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮并且至少部分地被所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮围绕的插入部。
15.根据权利要求14所述的增强复合结构，其中所述插入部包括与所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮的外表面大致共面的外表面。
16.根据权利要求14-15中任一项所述的增强复合结构，其中所述插入部至少部分地被所述芯围绕，所述插入部由所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮与所述芯分离。
17.根据权利要求1-16中任一项所述的增强复合结构，其中在所述第一几何构造或所述第二几何构造中，所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮彼此直接结合。
18.一种具有多个几何区域的增强复合结构，所述增强复合结构包括：
第一复合蒙皮，其包括嵌入聚合物基体中的至少一个第一纤维片材；
第二复合蒙皮，其包括嵌入聚合物基体中的至少一个第二纤维片材；芯，位于所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的至少部分之间并与其结合；其中：
所述多个几何区域中的第一几何区域具有由所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的第一部分限定的第一几何构造；
所述多个几何区域中的第二几何区域具有由所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的第二部分限定的第二几何构造，所述第二几何构造不同于所述第一几何构造；以及
所述多个几何区域中的过渡区域将所述第一几何区域和所述第二几何区域连接在一起；
多个增强纤维，其设置在所述过渡区域中并附接到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮中的一个或多个。
19.根据权利要求18所述的增强复合结构，其进一步包括附接到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮且至少部分地被所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮围绕的金属插入部。
20.根据权利要求18-19中任一项所述的增强复合结构，其中所述金属插入部至少部分地被所述芯围绕，所述金属插入部通过所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮与所述芯分离。
21.根据权利要求18-20中任一项所述的增强复合结构，其中所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮中的每个纤维片材包括碳纤维片材。
22.根据权利要求18-21中任一项所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维中的至少一些被设置为大体上彼此平行。
23.根据权利要求18-22中任一项所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维包括以辐射状模式设置的多组增强纤维，使得每组增强纤维以与另一组增强纤维不同的角度定向。
24.根据权利要求18-23中任一项所述的增强复合结构，其中所述多个增强纤维中的至少一些被压入所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮中的一个或多个中。
25.根据权利要求18-24中任一项所述的增强复合结构，其中所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的聚合物基体包括相同的固化的聚合物树脂。
26.根据权利要求18-24中任一项所述的增强复合结构，其中所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮的聚合物基体包括不同的固化的聚合物树脂。
27.根据权利要求1-16中任一项所述的增强复合结构，其中在所述第一几何区域中或在所述第二几何区域中，所述第一复合蒙皮和所述第二复合蒙皮彼此直接结合。
28.一种用于制造增强复合结构的方法，所述方法包括：
布置堆叠组件，所述堆叠组件包括：
第一树脂浸渍的纤维片材；
第二树脂浸渍的纤维片材；
芯，其设置在所述第一树脂浸渍的纤维片材的至少一部分与所述第二树脂浸渍纤维片材之间；以及
多个增强纤维，其设置在所述堆叠组件的第一区域处并且与所述第一树脂浸渍的纤维片材或所述第二树脂浸渍的纤维片材中的一个或多个接触；以及
将树脂涂覆到所述多个增强纤维中的至少一些；
压缩所述堆叠组件以从所述堆叠组件的所述第一区域的至少一部分形成过渡区域，所述过渡区域将第一几何区域和不同于所述第一几何区域的第二几何区域连接在一起。
29.根据权利要求28所述的方法，其进一步包括固化所述第一树脂浸的渍纤维片材、所述第二树脂浸渍的纤维片材中的一种或多种的树脂，或被涂覆到所述多个增强纤维中的至少一些的树脂。
30.根据权利要求28-29中任一项所述的方法，其中在压缩所述堆叠之前，所述堆叠组件的所述第一树脂浸渍的蒙皮或所述第二树脂浸渍的蒙皮中的一种或多种的树脂至少部分未固化。
31.根据权利要求28-30中任一项所述的方法，其中所述第一几何区域具有与第二几何区域不同的厚度。
32.根据权利要求28-31中任一项所述的方法，其中所述第一几何区域相对于第二几何区域以非平行方向而定向。
33.根据权利要求32所述的方法，其中所述过渡区域限定弯曲线，并且所述第一几何区域相对于第二几何区域以相对于所述弯曲线非平行方向而定向。
34.根据权利要求28-33中任一项所述的方法，其中所述增强纤维的至少一些彼此对齐。
35.根据权利要求28-34中任一项所述的方法，其中所述增强纤维的至少一些相对于彼此随机设置。
36.根据权利要求28-35中任一项所述的方法，其进一步包括在压缩所述堆叠组件之前邻近所述堆叠组件设置所述插入部；以及
其中压缩所述堆叠组件包括将所述插入部压缩到所述堆叠组件中，使得邻近其的所述芯被相应地压缩以符合所述插入部和压入所述堆叠组件的模具的形状。
37.根据权利要求28-36中任一项所述的方法，其进一步包括在其外表面处，将金属插入部附接到所述第一复合蒙皮或所述第二复合蒙皮。
38.根据权利要求28-37中任一项所述的方法，其中固化所述第一树脂浸渍的纤维片材、所述第二树脂浸渍的纤维片材的一种或多种的树脂或涂覆到所述多个增强纤维中的至少一些的树脂包括在模具中至少部分地固化所述树脂。
39.根据权利要求38所述的方法，其中在所述模具中固化所述树脂包括加热所述模具中的所述树脂。
40.根据权利要求28-39中任一项所述的方法，其中压缩所述堆叠组件包括：
将所述堆叠组件设置在模具腔内；以及
通过在形成所述模具腔的第一模具部分和第二模具部分上施加压力来压缩所述堆叠组件。
41.根据权利要求28-40中任一项所述的方法，其中所述多个增强纤维包括至少两层，并且所述两层中的每一层用第一树脂浸渍的纤维片材或第二树脂浸渍的纤维片材中的相应一种的所述树脂浸渍。
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