CN107000338B - 用于制造穿孔复合材料部件的方法和前体 - Google Patents

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Abstract

公开了用于制造穿孔复合材料部件的前体和方法。示例性前体(19)包括嵌入固化基质材料(24、26)中且插设到两个可移除层片(20)之间的结构纤维(24、28)。前体还可以包括延伸通过可移除层片(20)、基质材料(24、26)并且在结构纤维(24、28)之间延伸的牺牲纤维(28)。示例性方法包括从前体(19)中移除可移除层片(20)，以及在移除可移除层片之后从前体中移除牺牲纤维(28)，以在牺牲纤维(28)的位置处的前体(19)中形成通孔。

Description

用于制造穿孔复合材料部件的方法和前体
相关申请的交叉参考和优先权主张
本申请主张于2014年11月3日提交的申请号为GB 1419529.1的GB专利申请的优先权。
技术领域
本公开一般涉及制造复合材料部件，具体涉及使用牺牲纤维制造诸如声音衰减设备的复合材料表面片材的部件。
背景技术
减少航空器噪音对航空运输的增长和对于改善生活在机场附近的人们的生活质量是重要的。与航空器相关联的噪音可以从航空器上的各种来源中并由各种机制产生。例如，涡轮风扇式航空器发动机的风扇可以是具有现代高旁通比涡轮风扇式航空器发动机的航空器在起飞和着陆期间的主要噪音源。
在航空器发动机内使用噪音衰减设备是已知的。现有的噪音衰减设备可以设计成实现所期望的声学性能。然而，根据所要求的规格设计且制造这种噪音衰减设备以实现所期望的声学性能可能是困难的、耗时的且昂贵的。
因此，期望对此进行改进。
发明内容
一方面，本公开描述了用于制造穿孔复合材料部件的方法。该方法包括：
制备前体，所述前体包括嵌入固化基质材料中且插设到两个可移除层片之间的结构纤维，所述前体还包括延伸通过可移除层片、基质材料并且在结构纤维之间延伸的牺牲纤维；
从前体中移除可移除层片中的至少一个；以及
在移除可移除层片中的至少一个之后，从前体中移除牺牲纤维，以在牺牲纤维的位置处的前体中形成通孔。
移除牺牲纤维可以包括致使牺牲纤维分解。
移除可移除层片中的至少一个可以致使牺牲纤维的端部变成暴露的以便于牺牲纤维的分解。
移除可移除层片中的至少一个可以致使牺牲纤维的切断。
该方法可以包括在移除两个可移除层片之后移除牺牲纤维。
移除牺牲纤维可以包括致使牺牲纤维的蒸发。
牺牲纤维可以包括热塑性脂肪族聚酯。
牺牲纤维可以包括聚丙交酯(PLA)。
移除牺牲纤维可以包括致使牺牲纤维的溶解。
牺牲纤维可以包括下列中的一种：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、丙烯酰胺-丙烯酸二甲基氨基乙酯共聚物、聚胺、聚乙烯亚胺、聚酰氨基胺以及聚环氧乙烷。
牺牲纤维可以包括下列中的一种：水溶性聚环氧乙烷、水解乙酸纤维素和聚乙烯醇。
牺牲纤维可以涂覆有阻碍牺牲纤维和基质材料之间的化学反应的试剂。
结构纤维可以是无折皱织物的一部分。
可移除层片可以包括涂覆有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物。
该方法可以包括从前体中剥离可移除层片以致使牺牲纤维的切断。
另一方面，本公开描述了使用前体制造穿孔复合材料部件的方法，所述前体包括嵌入固化基质材料中且插设到两个可移除层片之间的结构纤维，其中该前体还包括延伸通过可移除层片、基质材料并且在结构纤维之间延伸的牺牲纤维。该方法包括：
从前体中移除可移除层片；以及
在移除可移除层片之后，从前体中移除牺牲纤维，以在牺牲纤维的位置处的前体中形成通孔。
移除牺牲纤维可以包括致使牺牲纤维分解。
移除可移除层片可以致使牺牲纤维的端部变成暴露的以便于牺牲纤维的分解。
移除可移除层片可以致使牺牲纤维的切断。
移除牺牲纤维可以包括致使牺牲纤维的蒸发。
移除牺牲纤维可以包括致使牺牲纤维的溶解。
该方法可以包括从前体中剥离可移除层片以致使牺牲纤维的切断。
另一方面，本公开描述了用于制造穿孔复合材料部件的前体。该前体包括：
具有第一表面和相对第二表面的叠层，该叠层包括嵌入固化基质材料中且插设到第一表面和第二表面之间的结构纤维；和
延伸通过叠层并通过叠层的第一表面和第二表面的牺牲纤维，该牺牲纤维可从叠层中移除以在牺牲纤维的位置处的叠层中形成通孔；和
纤维切断构件，所述纤维切断构件可移除地附接至叠层并且配置成在将纤维切断构件从叠层中移除时切断牺牲纤维。
该纤维切断构件可以包括抵靠叠层的第一表面设置的第一可移除外层片。前体可以包括抵靠叠层的第二表面设置的第二可移除外层片。
该纤维切断构件可以配置成不与基质材料化学结合。
该纤维切断构件可以包括涂覆有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物。
牺牲纤维可以涂覆有阻碍牺牲纤维和基质材料之间的化学反应的试剂。
结构纤维可以是无折皱织物的一部分。
牺牲纤维可以配置成在不会对结构纤维或对基质材料有害的温度下蒸发。
牺牲纤维可以包括热塑性脂肪族聚酯。
牺牲纤维可以包括聚丙交酯(PLA)。
牺牲纤维可以配置成使用不会对结构纤维或对基质材料有害的溶剂来溶解。
牺牲纤维可以是水溶性的。
牺牲纤维可以包括下列中的一种：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、丙烯酰胺-丙烯酸二甲基氨基乙酯共聚物、聚胺、聚乙烯亚胺、聚酰氨基胺以及聚环氧乙烷。
牺牲纤维可以包括下列中的一种：水溶性聚环氧乙烷、水解乙酸纤维素和聚乙烯醇。
从下面所包括的具体实施方式和附图中，本申请的主题的这些和其它方面的进一步细节将变得显而易见。
附图说明
现在参考附图，其中：
图1是包括示例性噪音衰减设备的剖面部分的局部轴测图；
图2A是沿图1的线2-2截取的图1的噪音衰减设备的局部横截面图，其示出了根据一个实施例通过该设备的复合材料穿孔表面片材的示例性通孔；
图2B是沿图1的线2-2截取的图1的噪音衰减设备的局部横截面图，其示出了根据另一实施例通过该设备的复合材料穿孔表面片材的其它示例性通孔；
图3是用于制造图1的噪音衰减设备的穿孔复合材料表面片材的示例性前体的示意性横截面图；
图4示出了插入到图3的前体中的牺牲纤维的示例性横截面形状；
图5是图3的前体的结构纤维的示例性叠层和两个可移除外层片的分解图；
图6示出了牺牲纤维穿透图3的前体的可移除外层片并且还穿透结构纤维的示例性缝合的应用；
图7是根据图6中所示的缝合方法应用的牺牲纤维的示例性缝合的轴测图；
图8示出了牺牲纤维穿透图3的前体的可移除外层片并且还穿透结构纤维的另一示例性缝合的应用；
图9A、图9B和图9C分别示出了图3的前体的顶视图、横截面视图和底视图，所述前体包括根据图8中所示的缝合方法缝合的牺牲纤维；
图10是示出了用于制造图1的噪音衰减设备的穿孔复合材料表面片材的方法的流程图；
图11是根据图10的方法制造的图1的噪音衰减设备的示例性穿孔复合材料表面片材的示意性横截面图；以及
图12是示出了图10的方法的示例性实施例的流程图。
具体实施方式
通过参考附图描述了各种实施例的各方面。
本公开涉及制造穿孔复合材料部件。例如，这种复合材料部件可以是用于航空器和其它应用的噪音衰减设备(有时称为“声衬”或“隔音板”)的一部分。在各种方面中，本公开涉及制造诸如包含复合材料的噪音衰减设备的穿孔表面片材的部件，所述复合材料包括碳纤维、玻璃纤维和/或天然纤维增强性结构。噪音衰减设备(比如本文中参考的那些)可以适用于航空器发动机、航空器、火车、卡车或其它交通工具的乘客舱、航空器和其它交通工具的结构框架/主体，以及需要噪音衰减的工业/民用或其它应用。
在一些实施例中，制造穿孔复合材料部件(比如，用于噪音衰减设备的表面片材)可以包括使用插入到复合材料前体中且随后被移除的牺牲纤维以在复合材料部件中形成一个或多个通孔。例如，牺牲纤维的移除可以包括机械地取出牺牲纤维或致使牺牲纤维分解。使用牺牲纤维在穿孔表面片材中形成通孔可以具有超越传统通孔形成方法(例如，机械钻孔、激光钻孔、掩模层压板的喷砂处理)的优点。例如，在一些实施例中，使用牺牲纤维可以导致相对更强韧的复合材料部件，因为通孔不会切穿(即，交叉、损坏)部件的结构纤维，而使用其它传统的钻孔方法可能出现这些情况。此外，避免对结构纤维造成损坏也可以降低将结构纤维的切割区段暴露于水分的风险，从而降低流体进入和分层的风险。另外，与一些激光钻孔方法相比，使用如本文中所描述的牺牲纤维可能不会在部件中产生的通孔周围导致明显的热影响区和局部分层。从以下描述中，这些和其它优势将变得显而易见。
图1是根据本公开的包括示例性噪音衰减设备10的剖面部分的局部轴测图。噪音衰减设备10可以包括一个或多个穿孔表面片材12(以下称为“表面片材12”)、一个或多个蜂巢状结构或其它蜂窝芯14(以下称为“蜂窝芯14”)以及一个或多个声音反射背衬板16(以下称为“背衬板16”)。蜂窝芯14可以结合于表面片材12和背衬板16之间。蜂窝芯14可以将表面片材12和背衬板16之间的空间划分成多个平行单元14A。表面片材12可以包括延伸通过其中的一个或多个通孔18。可以根据已知或其它方法来选择通孔18的数量、大小、形状以及间距以构建期望的声学性能。在一些实施例中，可以规定通孔18，以便在表面片材12的表面积的约5％至约12％之间进行穿孔。在一些实施例中，可以选择通孔18以便在表面片材12的表面积的约4％至约10％之间进行穿孔。在一些实施例中，可以选择通孔18以便在表面片材12的表面积的约5％至约20％之间进行穿孔。在一些实施例中，也可以将背衬板16进行穿孔以为了防结冰的目的而允许加热空气通过。
在使用期间，表面片材12可以是面向噪音源，并且可以根据许多机制发生撞击表面片材12的声波衰减，比如：当声波通过通孔18穿透表面片材12时，由于摩擦而导致的能量损失；当声波扩展到单元14A中时的压力损失；以及通过已经从背衬板16处反射且正在返回的先前声波在单元14A中进入且行进的声波的无功消除。在一些实施例中，可以选择(即，调谐)单元14A的深度(即，芯14的厚度)以衰减期望频率或频率范围。由于多个通孔18可以与每个单元14A相连通，因此单元14A可以充当亥姆霍兹谐振腔。
具有图1中所示构造的噪音衰减设备可以适用于航空器发动机。例如，噪音衰减设备10可以适合于安装在航空器发动机的机舱或其它部件中。例如，噪音衰减设备10可以设置在航空器发动机的流动管道内的选定位置中。这种流动管道可以包括机舱的入口管道、风扇管道和/或喷嘴组件。例如，噪音衰减设备10可以用作唇部声衬/隔音板或入口声衬/隔音板。噪音衰减设备10可以是具有大致直线或弯曲构形的单件式或多件式声衬/隔音板的一部分。例如，噪音衰减设备10可以是用于安装到航空器发动机的机舱中的单件式或多件式环形声衬/隔音板的一部分，并且该声衬/隔音板包括环绕中心轴线基本上呈360度延伸的噪音衰减区域。
图1中所示的噪音衰减设备10可以包括单一自由度(以下称为“SDOF”)的声衬/隔音板，但是本申请的各方面同样适用于本文中未具体示出的双自由度(以下称为“2DOF”)的声衬/隔音板。例如，在2DOF声衬/隔音板中，穿孔表面片材12可以由两层单元隔板14支撑，所述单元隔板14经由穿孔间隔片材(未示出)彼此隔开。
噪音衰减设备10的声学性能可以高度依赖于其包括通孔18的规格的构造并且还高度依赖于单元隔板14中的单元14A的深度。一般而言，本文中参考的这些类型的噪音衰减设备可以设计成最有效地降低有效感知噪音级，并且相应地单元隔板14的厚度(即，表面片材12和背衬板16之间的空间)可以是约1-2英寸(25-50mm)。
图2A是沿图1的线2-2截取的噪音衰减设备10的局部横截面图，其示出了与表面片材12的法向轴线“A”成一定角度地延伸通过设备10的表面片材12的示例性通孔18。示出了通孔18中的一个通孔的法向轴线并将其标记为“H”。
图2B是沿图1的线2-2截取的噪音衰减设备10的局部横截面图，其示出了延伸通过设备10的表面片材12且具有基本上平行于表面片材12的法向轴线“A”的法向轴线“H”的示例性通孔18。
图3是用于制造噪音衰减设备10的穿孔表面片材12的示例性前体19的示意性横截面图。前体19可以包括预成形件，其包括注入已部分或完全固化的基质材料26的结构纤维24。尽管本公开主要涉及制造穿孔表面片材12，但是应当理解的是前体19和本文中公开的方法可以用于制造具有纤维增强结构的其它穿孔复合材料部件。因此，本文中对表面片材12进行的参考旨在是非限制性的。前体19可以具有如图所示的片材构形和法向轴线“A”。前体19可以包括两个可移除外层片20、嵌入部分或完全固化的基质材料26中且在可移除层片20之间插设的结构纤维24的叠层22。前体19还可以包括延伸通过可移除层片20、基质材料26且在结构纤维24之间延伸的一个或多个牺牲纤维28(以下称为“牺牲纤维28”)。在一些实施例中，相对较薄的隔离膜可以应用在一个或两个可移除层片20和叠层22之间(例如，在表面22A、22B和它们各自的可移除层片20之间)。在表面22A和/或22B处期望更光滑表面的情况下，使用这种隔离膜可以是有益的。
本文使用的术语“前体’旨在包含构件或构件的组件，其用于制造最终复合材料部件(比如，表面片材12)但是在先于最终复合材料部件的制造工艺中的(例如，预最终)阶段。例如，前体19可以包括最终复合材料部件的预成形件或者层压板。例如，前体19可以包括结构纤维24(例如，编织物或无折皱织物)的干层、其间插有牺牲纤维28的结构纤维24的干层、注入已部分或完全固化的基质材料26的结构纤维24和牺牲纤维28的叠层22，以及在移除牺牲纤维28之前嵌入固化基质材料26中的结构纤维24和牺牲纤维28的叠层22。在一些实施例中，图3中示出的前体19可以是固化的层压板形式。
叠层22可以包括第一表面22A和相对第二表面22B，嵌入固化基质材料26中的结构纤维24可以插设到第一表面22A和第二表面22B之间。第一表面22A可以表示面向噪音源的表面片材12的顶面，而第二表面22B可以表示面向背衬板16的表面片材12的相对底面。牺牲纤维28可以延伸穿过叠层22的厚度并且延伸通过第一表面22A和第二表面22B。
可移除外层片20可以包括适合的隔离介质，通常在制造纤维增强复合材料时使用隔介质。因此，可移除外层片20可以可移除地附接至叠层22。例如，可移除外层片20可以配置成不会化学结合到基质材料26，从而可以在固化基质材料26之后使其能容易地通过剥离来移除。例如，外层片20每个都可以包括粘结形成的塑料网，该塑料网包括从其中穿过的开孔并且不容易粘附其它聚合物。在将基质材料24(例如，树脂)注入到结构纤维24的叠层22中时，这种开孔可以允许基质材料26从中透过。在一些实施例中，可移除外层片20每个都可以包括以商品名RELEASEEASE销售的这类涂覆有聚四氟乙烯(PTFE)的玻璃纤维织物。在一些实施例中，外层片20可以包括编织介质，其中该织物是多孔的并且提供可接受的抗撕裂性，该抗撕裂性允许通过剥离来移除外层片20并且还允许剪切牺牲纤维28。箭头“P”示出了可移除外层片20从前体19的剥离。
在一些实施例中，可移除外层片20中的一个可以是称为“湿式”剥离层片的外层片类型，这种类型的外层片可以便于添加用于预成形的工具(例如，芯轴、模具)。在这种情况下，可以在预成形之后将牺牲纤维28插入到前体19中。
可以使用已知的制造方法或者适合于制备纤维增强结构的其它制造方法来制备前体19。例如，前体19可以包括预浸渍结构纤维24，随后对所述结构纤维24进行加热以使前体19结合且固化。或者或此外，前体19可以包括干式结构纤维24，随后通过使用已知或其它树脂注入工艺，例如，树脂传递注入(RTI)、树脂传递模塑(RTM)、真空辅助树脂传递模塑(VARTM)、真空辅助树脂注入(VARI)、高压灭菌器辅助树脂注入(AARI)、单线式注射(SLI)、树脂膜注入(RFI)和希曼复合材料树脂注入模塑工艺(SCRIMP)，将基质材料26注入所述干式结构纤维24。可以在高压灭菌器内或者高压灭菌器外进行这种树脂注入工艺。在一些情况下，优选地，可以将牺牲纤维28插入具有与预浸渍结构纤维24相对的干式结构纤维24的前体19中，因为预浸渍结构纤维24可以使一些基质材料26累积在缝合过程中使用的针上。
基质材料26可以是任何已知类型或者适合于制备纤维增强结构的其它类型。例如，基质材料26在B阶段和C阶段之间可以具有低于牺牲纤维28的熔融温度的固化/凝胶温度(例如，<150℃)。在各种实施例中，基质材料26可以包括聚酯、乙烯基酯、环氧树脂、苯并恶嗪和/或双马来酰亚胺。具有良好的着火、烟雾和毒性(FST)特性的一些基质材料26可以适合于“舱内”运输应用。例如，根据具体应用和要求，基质材料26可以包括下列产品中的一种：以商品名GURIT销售的产品名T-PRIME160；以商品名EPO-TEK销售的产品名337；以商品名TYGAVAC销售的产品名TOOLFUSION3；以商品名HUNTSMAN销售的产品名RENLAMLY120；以商品名HUNTSMAN销售的产品名ARALDITE LY1564、ARALDITE FST40002、ARALDITE FST40003和ARADUR 2594；以商品名CYTEK销售的产品名CYCOM890和CYCOM5250-4；以商品名HEXCEL销售的产品名RTM6和RTM651；以商品名MOMENTIVE销售的产品名EPON862；以商品名HENKEL销售的产品名LOCTITE BZ9120和LOCTITE BZ9121；以及以商品名RAPTOR RESINS销售的产品名BMI-1。
在一些实施例中，牺牲纤维28可以配置成在不会对前体19有害的温度下蒸发。例如，牺牲纤维28可以包括热塑性脂肪族聚酯。例如，牺牲纤维28可以包括聚乳酸或聚丙交酯(PLA)(例如，0.5mm直径和约160℃的熔融温度)，所述聚乳酸或聚丙交酯具有分子式(C3H4O2)n并且是来源于可再生资源(比如，玉米淀粉、木薯根、木薯片或木薯淀粉、或甘蔗)的可生物降解的热塑性脂肪族聚酯。例如，牺牲纤维28可以包括下列中的一种：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、丙烯酰胺-丙烯酸二甲基氨基乙酯共聚物、聚胺、聚乙烯亚胺、聚酰氨基胺以及聚环氧乙烷。在一些实施例中，在移除牺牲纤维28之前，可以将基质材料26固化/胶化至介于B阶段和C阶段之间的水平，从而随后可以通过蒸发移除牺牲纤维28来使基质材料26完全固化。
或者，牺牲纤维28可以配置成通过使用不会对前体19有害的溶剂来溶解。例如，牺牲纤维28可以是水溶性的。在一些实施例中，牺牲纤维可以包括下列中的一种：水溶性聚环氧乙烷、水解乙酸纤维素和聚乙烯醇。
图4示出了插入到前体19中的牺牲纤维28的示例性横截面形状。牺牲纤维28可以包括通过挤压产生出的单丝。牺牲纤维28可以具有大体上呈圆形或非圆形的横截面轮廓。牺牲纤维28的最大横截面尺寸(例如，直径)和形状可以大体上相当于待形成于表面片材12中的通孔18的大小和形状，以实现所期望的声学性能。例如，在各种应用中，牺牲纤维28可以具有介于约0.8mm至约2mm之间的最大横截面尺寸。在一些实施例中，牺牲纤维28可以是包括多个牺牲纤维28的牺牲纱线的一部分。牺牲纤维28可以是连续单丝的形式，或者可以是丝束形式的或缠绕在一起的连续纤丝组件的一部分。在一些实施例中，牺牲纤维28可以是中空的。
图5是图3的前体19的结构纤维24的示例性叠层22和可移除外层片20的分解图。结构纤维24的叠层22可以包括多个织物层片24A-24D。在一些实施例中，一个或多个织物层片24A-24D可以包括无折皱织物。根据具体应用和要求，叠层22可以包括额外的织物层片24A-24D或少于图中所示织物层片24A-24D的织物层片24A-24D。例如，叠层22的织物层片24A-24C可以包括5页综框碳织物层片，其分别具有0/90、+/-0.45和0/90的架构。织物层片24D可以包括下列中的一种：120样式玻璃纤维织物；未固化树脂表面修整剂；玻璃纤维覆面毡或起绒布；热塑性覆面毡或起绒布；高达200℃时基本仍稳定的热塑性膜；薄(例如，0.002”或0.05mm)聚醚砜(PES)膜；薄(例如，0.002”或0.05mm)聚醚砜(PES)膜；薄(例如，0.002”或0.05mm)聚酰胺(PA)膜；以及薄(例如，0.002”或0.05mm)(PTFE)膜。织物层片24D可以经过电晕(即，等离子体)处理，并且可以是透明的或者染色的。这种处理可以提供额外的抗紫外线性和耐磨性，并且在一些应用中可以不需要着色。根据应用，可以不需要织物层片24D。在一些应用中，可以在织物层片24A和可移除外层片20之间设置与织物层片24D的构造相同或者相似构造的额外织物层片。
在一个或者多个织物层片24A-24D中的织物可以与非催化环氧树脂粉末或与基质材料26兼容的其它粉末粘合，可以在预成形温度(例如，在90℃和130℃之间)下活化所述基质材料26，所述预成形温度可以低于固化温度。在预成形之后，叠层22可以足够结实，并且便于通过如下所述的缝合将牺牲纤维28引入到前体19中。或者，在无需加热前体19以活化粘合剂的情况下，可以将牺牲纤维28插入到前体19中。在一些实施例中，牺牲纤维28可以不包括纬线和经线。可以使用以商品名LIBA或者KARL MAYER销售的无折皱织物(NCF)机器来组装叠层22和可移除外层片20，并且使用牺牲纤维28通过经编、簇绒或者其它缝合风格/图样来将叠层22和可移除外层片20缝合在一起。可以基于叠层22的处理能力、表面片材12中所需穿孔量和对表面片材12所期望的声学性能来选择缝合风格和密度。根据所使用的机器，可以选择缝合图样(例如，链状、特里科经编、改进的特里科经编、暗线缝合、绒簇、经编等)、频率(例如，在压延方向或者0°轴线上每英寸的线圈行列)、以及行距(跨压延宽度的缝合行数)。在一些实施例中，可以将牺牲纤维28插入(例如，缝合)干式织物层片24A-24D中。
图6示出了使用缝合针穿透前体19的两个可移除外层片20并穿透结构纤维24的牺牲纤维28的非限制性示例性缝合的应用。缝合牺牲纤维28的应用可以在不损坏结构纤维24的情况下使牺牲纤维28插入到结构纤维24之间。例如，在不破坏或者损坏结构纤维24或纱线的情况下，针可以偏转结构纤维24或者纱线，以将牺牲纤维28插入其中间。在该具体实施例中，可以从前体19的相同侧操作两个缝合针。通过使用图6中所示的缝合方法，牺牲纤维28偏离法向轴线A(图2中示出)的角度可以在偏离法向轴线“A”0度(例如，平行)和偏离法向轴线“A”45度之间变化。图6中所示的缝合方法也可以称为“单侧缝合”。
图7是利用图6中所示的缝合方法得到的牺牲纤维28的示例性缝合的轴测视图。
图8示出了穿透前体19的可移除外层片20并穿透结构纤维24的牺牲纤维28的另一种示例性缝合的应用。分三个步骤来说明牺牲纤维28的应用，将这三个步骤标记为1、2和3。图8中所示的缝合工艺也可以称为“绒簇”。支撑泡沫背衬30可以用于在缝合期间支撑前体19，并且可以在不损坏针的情况下允许针穿透前体19的厚度。也可使用具有允许针穿过的狭槽的更硬的支撑结构，而不是使用支撑泡沫背衬30。
图9A、图9B和图9C分别示出了前体19的顶视图、横截面视图和底视图，所述前体19包括已根据图8中所示的缝合方法进行缝合的牺牲纤维28。
图10是示出了用于制造穿孔复合材料部件(比如，噪音衰减设备10的复合材料表面片材12)的示例性方法100的流程图。方法100可以包括制备并且/或者使用如图3中所示的前体19。例如，在一些实施例中，方法100可以包括：制备前体19，所述前体19包括嵌入固化基质材料26中且插设到两个可移除层片20之间的结构纤维24，其中前体19还包括延伸通过可移除层片20、基质材料26并且在结构纤维24之间延伸的一个或多个牺牲纤维28(参见框102)；从前体19中移除可移除层片20中的至少一个(参见框104)；以及在移除可移除层片20中的至少一个之后，从前体19中移除牺牲纤维28，以在前体19中形成一个或者多个通孔18。
在方法100的一些实施例中，可能需要在移除牺牲纤维28之前对前体19进行非破坏性检查(NDI)。例如，可能需要对前体19进行一次或者多次与NDI有关的扫描(例如，超声波、放射显影)，但是在前体19中没有通孔18，从而可以更容易地解释从这种扫描中得到的数据。
牺牲纤维28的移除可以包括：将牺牲纤维28从前体19中机械地取出、熔融牺牲纤维28以及撤出牺牲纤维28，或者使牺牲纤维28分解(例如，蒸发、溶解)。
如上所解释，制备前体19可以包括形成包含结构纤维24的叠层22并且将基质材料26(例如，树脂)注入到结构纤维24之间。制备前体19还可以包括在将基质材料26注入到结构纤维24之间之前，将牺牲纤维28插入到前体19中。
或者，用于制备前体19的结构纤维24可以用基质材料26进行预浸渍并且加热以使前体19结合且固化，而不是使用树脂注入工艺。在这种情况下，可以在固化基质材料26之前，将牺牲纤维28插入到前体19的结构纤维24之间。将牺牲纤维28插入到结构纤维24之间并且穿透可移除外层片20可以包括已知或者其它缝合技术。例如，牺牲纤维28的插入可以包括绒簇和/或经编。在一些实施例中，可以根据美国专利号5,490,602的教导来将牺牲纤维28插入到前体19中，其全部内容均通过引用的方式并入本文中。
可移除外层片20每个都可以包括防粘层片，例如，涂覆有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物/网或者由聚酰胺(尼龙)制成的或经过聚酯处理的干式织物，以便于后续通过剥离来移除。在各种实施例中，外层片20可以包括由尼龙或聚酯制成的轻质至重质编织物。在一些实施例中，外层片20可以包括尼龙编织的防粘织物，比如，以商品名TYGAVAC销售的产品编号60B或60BR。
外层片20的移除可以包括将外层片20从图3中所示的结构纤维24和基质材料26中剥离(参见箭头P)。由于牺牲纤维28可以延伸通过前体19的厚度(例如，延伸通过第一表面22A和第二表面22B并且在第一面22A与第二面22B之间延伸)并且延伸通过外层片20，所以外层片20的移除可以致使牺牲纤维28的切断，从而暴露出牺牲纤维28的端部(即，在前体19的厚度两边的各侧上)并且便于牺牲纤维28的分解。例如，由于可以穿透可移除外层片20缝合牺牲纤维28，所以外层片20的移除可以使在叠层22外侧延伸的牺牲纤维28的部分从在叠层22内侧延伸(例如，延伸通过叠层22)的牺牲纤维28的部分断裂。在一些情况下，可在第一表面22A和/或第二表面22B附近或在第一表面22A和/或第二表面22B处切断牺牲纤维28。因此，可移除外层片20也可以称为纤维切断构件。外层片20的移除还可以将可能已经从缝合工艺中产生的牺牲纤维28的扭结部分、打圈部分或者打结部分移除。通过切断来暴露出牺牲纤维28的相对端部可以便于通过蒸发或溶解将牺牲纤维28从延伸通过叠层22的牺牲纤维28的两端移除。
根据所涉及的材料，外层片20的剥离或可通过将牺牲纤维28从前体19中拉出来致使牺牲纤维28从前体19中完全移除，从而不需要对牺牲纤维28进行后续的分解或者蒸发。在一些实施例中，使用较小直径的牺牲纤维28可以便于外层片20的剥离。
代替可移除外层片20或除了可移除外层片20之外，一种或多种其它类型的切断构件也可以适合于在通过蒸发、溶解或其它方法移除牺牲纤维28之前切断牺牲纤维28的目的。例如，适合的切断构件可以包括与牺牲纤维28接合的切断纤维、纱线或细绳，使得切断纤维/纱线/细绳的移除可导致牺牲纤维28的切断。例如，在缝合牺牲纤维28期间或在某些其它时间，这种切断纤维/纱线/细绳可以与前体19一体化。在一些实施例中，这种切断构件可以包括可以可移除地附接至前体19的一些其它材料(例如，以条带的形式)，以便在移除时致使牺牲纤维28的切断。
在任何情况下，可以手动地或者在适合的工具的帮助下来移除这种切断构件。
在一些实施例中，在通过蒸发或溶解从叠层22中移除牺牲纤维28之前，仅仅移除两个可移除外层片20中的一个可能就足够了。例如，在某些情况下，牺牲纤维28从单一端部(即，从前体19的单侧)的蒸发或溶解是可接受的。
结构纤维28的分解可导致形成一个或多个延伸穿过表面片材12的厚度的通孔18。如本文中所引用的表面片材12的厚度可以被认为是沿着表面片材12和/或前体19的法向轴线A。然而，如上所解释，通孔18可以基本上平行于法向轴线A或与法向轴线A成一定角度地定向。通孔18可以沿着先前牺牲纤维28通过前体19所沿着的路径。在一些实施例中，通孔18可以沿着基本上完全线性的路径。或者，在一些实施例中，通孔18可以沿着曲线路径。在任何情况下，通过牺牲纤维28的分解来形成的通孔18可以是牺牲纤维28的直径和轨迹的基本上高保真的复制。
在一些实施例中，可以根据美国专利号5,490,602和/或美国专利申请公开号2013/0065042A1中描述的方法进行牺牲纤维28的分解，两者的全部内容通过引用的方式并入本文。根据牺牲纤维28的材料，可以通过蒸发或溶解进行牺牲纤维28的分解。牺牲纤维28的蒸发可以包括将前体19加热到足以引起牺牲纤维28的蒸发但不会对结构纤维24或对基质材料26有害的温度并持续一定时间。蒸发过程可以包括将足够高的温度保持足够长的一段时间以实现牺牲纤维28令人满意的移除。为了加速蒸发过程，可以循环围绕前体19的流体(例如，空气)以提供通风。或者或此外，在这种蒸发期间，可以将前体19封装在真空袋中，并且可以在蒸发期间连续或间歇性地对真空袋进行抽真空。
牺牲纤维28的溶解可以包括将前体19暴露于溶剂，所述溶剂致使牺牲纤维28的溶解但不会对结构纤维24或对基质材料26有害。在一些实施例中，牺牲纤维28可以是水溶性的。在一些情况下，来自牺牲纤维28的少量残余物可以保留在通孔18内，并且可以使用例如加压空气流或水流移除这种残余物。
在一些实施例中，牺牲纤维28可以涂覆有阻碍牺牲纤维28和基质材料26之间的化学反应的试剂。这种试剂可以包括合适的隔离剂或惰性弹性聚氨酯、硅树脂或丙烯酸浸渍、液体玻璃或诸如以商品名PARYLENE销售的保形阻挡层。使用这种试剂可以便于通过蒸发或溶解来移除牺牲纤维28。在一些情况下，当剥离可移除外层片20时，使用这种试剂可以使牺牲纤维28完全或部分地从前体19中被拉出来。在剥离可移除外层片20时牺牲纤维28没有从前体19中完全移除的情况下，可能需要如上所述的通过蒸发或溶解来移除剩余的牺牲纤维28。
图11是根据图10的方法100使用前体19制造的图1的噪音衰减设备10的示例性穿孔复合材料表面片材12的局部示意性横截面图。图11示出了在基质材料26已被固化、可移除层片20已被移除，并且为了形成通孔18，牺牲纤维28已被移除之后的复合材料表面片材12。如下所解释，通孔18可以延伸通过表面片材12的厚度(即，延伸穿过法向轴线A)。通孔18可以沿着基本上线性(笔直)的轨迹。或者，通孔18可以沿着弯曲的轨迹。通孔18可以基本上平行于法向轴线A延伸，以便沿着穿过表面片材12的厚度的最短路径。或者，通孔18可以相对于法向轴线A以倾斜方向定向。
图12是示出了图10的方法100的示例性实施例的流程图。图12的顶部示出了制备前体19的方法100的方框102的实施例。例如，图12中的第一(即，顶部)步骤示出了结构纤维24的平坦层片(即，参见图5中示出的24A-24D)和叠放的可移除外层片20。可以在预成形之前(例如，参见102A)或预成形之后(例如，参见102B)，通过缝合将牺牲纤维28插入到前体19中。附图标记102A示出了可以通过缝合穿透平坦层片插入牺牲纤维28，以及前体19可以随后被预成形为接近表面片材12的最终形状的形状。例如，在牺牲纤维28已经被缝合穿透层片之后，可以将前体19预成形为单件式的环形构形。或者，附图标记102B示出了可以将前体19预成形为单件式的环形构形，以及随后可以通过沿着弯曲表面缝合来将牺牲纤维28加入到前体19中。
在一些实施例中，根据用作牺牲纤维28的材料类型，可能需要在暂时软化牺牲纤维28的材料的温度下进行缝合。当相对较大直径和刚度的聚合物单丝用作牺牲纤维28时，缝合期间的温度升高可能是特别有用的。
附图标记104示出了通过剥离移除可移除外层片20中的一个。如上所解释，外层片20(或其它适合的纤维切断构件)的移除可导致如图3中所示的牺牲纤维28的切断，以暴露牺牲纤维28的一个或多个端部。
在一些实施例中，根据用作牺牲纤维28的材料类型，可以通过首先使用家用衣服熨斗或任何其它适合向牺牲纤维28加热和/或加压的装置来弱化牺牲纤维28，以便于外层片20的剥离。例如，在将牺牲纤维28穿透前体19缝合之后，加热的衣服熨斗可压在前体19的内侧和/或外侧上。在牺牲纤维28由聚合物(或可通过加热和/或加压来弱化的一些其它材料)制成的情况下，加热可弱化聚合物的分子结构。加压也可导致延伸穿过前体19的内表面和/或外表面的牺牲纤维28的部分的平坦化，从而进一步弱化牺牲纤维28并且从而当外层片20随后被剥离时，便于牺牲纤维28的剪切。因此，衣服熨斗的温度应低于牺牲纤维28的熔点，但温度足够高以弱化牺牲纤维28的材料的分子结构。可以在缝合之后但在前体19的预成形之前对牺牲纤维28进行熨烫。因此，延伸穿过前体19的内表面和/或外表面的牺牲纤维28的部分的平坦化可以增加面向前体19的牺牲纤维28的面积，从而在预成形过程中减少牺牲纤维28进入到前体19的内表面/外表面的穿透。因此，牺牲纤维28的平坦化和/或弱化可以减少在预成形期间由牺牲纤维28引起的前体19的压痕。
在移除一个或多个可移除外层片20之后，可以通过蒸发(例如，参见106A)或溶解(例如，参见106B)来移除牺牲纤维28。附图标记106A示出了随后可以在通风加热室中在足够温度下加热前体19并持续足够长的时间，以如上所解释通过蒸发来实现从前体19中移除期望量的牺牲纤维28。或者，附图标记106B示出了前体19可以暴露于溶剂(例如，水)并持续适当的时间，以如上所解释通过溶解来实现从前体19中移除期望量的牺牲纤维28。在一些实施例中，可能需要加热并搅拌溶剂以加速牺牲纤维28的溶解。在使用水作为溶剂的一些实施例中，可能需要在溶解期间将水加热至约95℃的温度。在一些实施例中，可以将水加热到90℃和95℃之间的温度。在一些实施例中，使用微碱性或微酸性的水可加速牺牲纤维28的溶解。
在牺牲纤维28已经从前体19中基本移除之后，可获得以图11中所示的形式呈现的表面片材12。或者，为了获得最终的和功能性复合材料部件，前体19可需要后续处理。例如，附图标记108示出了在牺牲纤维28已经从前体19中基本移除之后干燥前体19的进一步的步骤。在移除牺牲纤维28之后进一步处理前体19可能不是必需的，但是在一些情况下，可能需要干燥前体19，以在牺牲纤维28溶解之后从前体19中移除溶剂。
以上描述仅仅是示例性的，并且相关领域的技术人员将认识到在不脱离所公开的本发明的范围的情况下，可以更改所描述的实施例。例如，本文所描述的流程图和附图中的方框和/或操作仅为示例的目的。在不脱离本公开的教导的情况下，这些方框和/或操作可以有许多变体。例如，可以以不同的顺序执行方框，或者可以添加、删除或修改方框。在不脱离权利要求书的主题的情况下，可以以其它具体形式来实施本公开。此外，尽管本文所公开和示出的设备、表面片材、前体和方法可以包括具体数量的元件/步骤，但是可以修改设备、表面片材、前体和方法以包括额外的或更少的这种元件/步骤。本公开也旨在覆盖和包含所有适合的技术变化。鉴于对本公开的回顾，属于本发明范围内的修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，并且这种修改旨在落入所附权利要求书内。此外，权利要求书的范围不应受到示例中阐述的优选实施例的限制，而应当给出与整个描述一致的最广泛的解释。

Claims (20)

1.一种用于制造穿孔复合材料部件的方法，所述方法包括：
制备前体，所述前体包括嵌入固化基质材料中且插设到两个可移除层片之间的结构纤维，所述前体还包括延伸通过所述可移除层片、所述基质材料并且在结构纤维之间延伸的牺牲纤维；
从所述前体中移除所述可移除层片中的至少一个；以及
在移除所述可移除层片中的所述至少一个之后，从所述前体中移除所述牺牲纤维，以在所述牺牲纤维的位置处的所述前体中形成通孔。
2.如权利要求1所述的方法，其中移除所述牺牲纤维包括使所述牺牲纤维分解。
3.如权利要求2所述的方法，其中移除所述可移除层片中的至少一个致使所述牺牲纤维的端部变成暴露的，以便于所述牺牲纤维的分解。
4.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中移除所述可移除层片中的至少一个致使所述牺牲纤维的切断。
5.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，包括在移除两个所述可移除层片之后移除所述牺牲纤维。
6.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中移除所述牺牲纤维包括使所述牺牲纤维蒸发。
7.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中所述牺牲纤维包括热塑性脂肪族聚酯。
8.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中所述牺牲纤维包括聚丙交酯(PLA)。
9.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中移除所述牺牲纤维包括致使所述牺牲纤维的溶解。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述牺牲纤维包括下列中的一种：聚丙烯酰胺、聚丙烯酸酯、丙烯酰胺-丙烯酸二甲基氨基乙酯共聚物、聚胺、聚乙烯亚胺、聚酰氨基胺以及聚环氧乙烷。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述牺牲纤维包括下列中的一种：水溶性聚环氧乙烷、水解乙酸纤维素和聚乙烯醇。
12.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中所述牺牲纤维涂覆有阻碍所述牺牲纤维和所述基质材料之间的化学反应的试剂。
13.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中所述结构纤维是无折皱织物的一部分。
14.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，其中所述可移除层片包括涂覆有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物。
15.如权利要求1至3中的任一权利要求所述的方法，包括从所述前体中剥离所述可移除层片以致使所述牺牲纤维的切断。
16.一种用于制造穿孔复合材料部件的前体，所述前体包括：
具有第一表面和相对的第二表面的叠层，所述叠层包括嵌入固化基质材料中且插设到所述第一表面和所述第二表面之间的结构纤维；以及
延伸通过所述叠层并通过所述叠层的所述第一表面和所述第二表面的牺牲纤维，所述牺牲纤维可从所述叠层中移除，以在所述牺牲纤维的位置处的所述叠层中形成通孔；以及
纤维切断构件，所述纤维切断构件可移除地附接至所述叠层并且配置成在将所述纤维切断构件从所述叠层中移除时切断所述牺牲纤维。
17.如权利要求16所述的前体，其中所述纤维切断构件包括抵靠所述叠层的所述第一表面设置的第一可移除外层片。
18.如权利要求17所述的前体，包括抵靠所述叠层的所述第二表面设置的第二可移除外层片。
19.如权利要求16至18中的任一权利要求所述的前体，其中所述纤维切断构件配置成不与所述基质材料化学结合。
20.如权利要求16至18中的任一权利要求所述的前体，其中所述纤维切断构件包括涂覆有聚四氟乙烯的玻璃纤维织物。
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