CN110475661B - 纤维罩纱用于减少蜂窝体夹层结构中的芯部压碎的用途 - Google Patents
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Abstract
将轻质纤维罩纱结合到蜂窝体夹层结构的未固化复合面板中，以减少在高压釜或真空袋系统中固化未固化结构期间发生的蜂窝体的横向压碎(芯部压碎)。轻质纤维罩纱充当摩擦促进层，以减少未固化面板的相对运动，所述相对运动导致在固化过程中的芯部压碎。
Description
技术领域
本发明总体上涉及蜂窝体夹层结构，其中蜂窝体芯部夹在两个复合表层或面板之间。更具体地，本发明涉及减少在制造这种蜂窝体夹层结构期间可能发生的芯部压碎(corecrush)。
背景技术
夹层结构用于需要高强度和轻重量的多种应用中。例如，利用复合面板或表层的蜂窝体夹层板广泛用于商用和军用飞机的二级结构中。在大多数夹层结构中使用的芯部是轻质蜂窝体或硬质泡沫。蜂窝体是一种受欢迎的芯部结构，因为它具有高的强度/重量比和抗疲劳失效性。蜂窝体芯部由包括金属和复合材料的各种产品制成。
粘合到夹层芯部的每一侧的面板也由多种材料制成，这些材料也包括金属和复合材料。将复合面板施加到蜂窝体的一种方法包括使用预浸料面板，所述预浸料面板包括至少一个纤维层和未固化树脂基质的。预浸料是复合材料工业中使用的术语，用于鉴别已经用树脂预浸渍并且可准备用于最终固化的垫、织物、非机织材料或粗纱。使用未固化的预浸料树脂作为粘合剂或通过使用单独的粘合剂将预浸料粘合到蜂窝体的边缘。
面板通常使用升高的温度和压力的组合在高压釜或真空袋中固化并粘合到蜂窝体边缘。位于蜂窝体周边周围的蜂窝体单元的横向压碎是与夹层板在升高的温度和压力固化相关的常见问题。蜂窝体单元的这种横向压碎被称为“芯部压碎”。
典型的未固化的蜂窝夹层板在图1和3中以10示出。未固化的蜂窝夹层板10包括蜂窝体12，蜂窝体12夹在第一未固化的预浸料面板14和第二未固化的预浸料面板16之间。如在18处所示，蜂窝体15的顶部边缘围绕蜂窝体的周边倒角。蜂窝体17的第二边缘通常不倒角，因为它位于高压釜或真空袋中的平坦模具表面上。蜂窝体周边的倒角提供对芯部压碎的一定抵抗，是由于芯部厚度的减小，从而减小用于将压力转化为横向芯部压碎力的面积。
蜂窝体12可以被视为具有厚度为“t”的主要部段11和倒角部段13，倒角部段13具有对应于具有斜边“y”和倒角角度“α”的直角三角形的横截面，其中直角三角形的直角边由倒角的横向宽度“x”和蜂窝体的厚度“t”形成。
图2和4显示了在未固化的蜂窝夹层板10在升高的温度和压力固化期间发生的芯部压碎。所得到的固化蜂窝夹层板20经历了如图4所示的广泛的横向芯部压碎。倒角部段23中的蜂窝体单元横向坍塌，导致倒角的横向宽度x显著减小。芯部压碎甚至可能延伸经过倒角部段23并进入蜂窝体22的主要部段21。如在24和26处所示，芯部压碎还会损坏面板和使面板变形。从图1和图2中所示的面板的比较可以看出，芯部压碎导致夹层板周边向内变形。
芯部压碎已是被广泛研究的制造缺陷。这是一种复杂的现象，其中蜂窝体和面板材料的选择、以及结构设计和加工条件都对失效机理有贡献。一种简单的解决方案是使蜂窝体壁更坚固，以便它们更能抵抗横向压碎。然而，这种解决方案通常会增加面板重量，这在航空航天应用中是特别不希望的。因此，减少芯部压碎的努力集中在改变材料和工艺条件以减少芯部压碎而不增加最终面板结构的重量。
芯部压碎问题的一种解决方案涉及改变面板中纤维的构造，以增加摩擦并减少在压碎芯部期间发生的滑动。这种类型的解决方案在美国专利号6475596和6845791中例证。另一种解决方案是在高压釜处理期间中将面板的周边锚定到模具上。该方法旨在减少通常在压碎芯部期间发生的面板周边的向内移动。这种类型的解决方案在美国专利号5685940中例证。
尽管上述方法和芯部压碎问题的其他解决方案可以非常适合于其预期目的，但是仍然需要提供简单且有效的、而不会增加面板的重量或以其他方式不利地影响面板性能的替代解决方案。
发明内容
根据本发明，发现通过使用最多仅略微增加夹层结构的重量的简单过程可以有效地减少芯部压碎现象。本发明基于以下发现：轻质纤维罩纱在策略性地插入未固化面板的层之间时能够充当使芯部压碎显著减少的摩擦促进层。
本发明涉及一种未固化的夹层结构，其中芯部夹在两个未固化的复合面板之间。未固化的夹层结构包括具有第一边缘、第二边缘和周边的蜂窝体芯部，其中第一边缘和第二边缘之间的距离是蜂窝体的厚度。蜂窝体由多个单元构成，这些单元由在蜂窝体的第一边缘和第二边缘之间延伸的壁形成。蜂窝体包括主要部段和倒角部段，倒角部段位于主要部段的周边周围。蜂窝体的厚度从倒角部段的内部边界到倒角部段的外部边界减小。
未固化的夹层结构还包括定位成邻近蜂窝体的第一边缘的未固化的第一面板。未固化的第一面板具有第一外层和定位成最靠近所述蜂窝体的第一边缘的第一内层。第一内层和第一外层各自由纤维层和未固化树脂组成。未固化的第一面板覆盖整个蜂窝体，包括主要部段面积和倒角部段面积两者。
未固化的第二面板定位成邻近蜂窝体的第二边缘。未固化的第二面板包括第二外层和定位成最靠近蜂窝体的第二边缘的第二内层。第二内层和第二外层各自也由纤维层和未固化树脂组成。未固化的第二面板也覆盖整个蜂窝体，包括主要部段面积和倒角部段面积两者。未固化的第一和第二面板延伸出超过倒角部段的外部边界，以形成围绕未固化的夹层结构延伸的凸缘部段，从而形成该结构的外边缘。
作为本发明的一个特征，第一摩擦促进层位于第一面板中的第一内层和第一外层之间。第一摩擦促进层由第一纤维罩纱和第一树脂粘合剂组成。第一摩擦促进层非常轻质，单位面积重量为2至20克/平方米(gsm)。第一摩擦促进层即使给未固化的结构板增加了非常小的重量，也减少了芯部压碎。另外，第一摩擦促进层简单且容易地结合到第一面板中。
作为本发明的另一个特征，第二摩擦促进层位于第二面板中的第二内层和第二外层之间。第二摩擦促进层由第一纤维罩纱和第一树脂粘合剂组成。第二摩擦促进层也非常轻质，单位面积重量为2至20克/平方米(gsm)。第二摩擦促进层简单且容易地结合到第二面板中。发现，将摩擦促进层结合到第一和第二面板两者中显著减少芯部压碎。
作为本发明的另外的特征，摩擦促进层的尺寸可以受到限制，使得它们不覆盖面板的整个面积。相反，摩擦促进层位于倒角部段上方并延伸到主要部段中，以便仅部分地覆盖主要部段。本发明的这个特征在最易受芯部压碎影响的蜂窝体面积中提供了摩擦促进，同时限制了所用的罩纱材料的量。罩纱材料往往是昂贵的。因此，希望限制所使用的罩纱材料的量，同时仍然提供所需的抗压碎性。
本发明还涉及通过固化未固化的夹层结构制成的板和制造这种板的方法。本发明还涉及制造未固化夹层结构的方法。
根据本发明，使用轻质纤维罩纱作为摩擦促进层以减少倒角夹层结构中的芯部压碎，为这一持续存在的制造问题提供了一种简单且有效的替代方案。
通过结合附图参照以下详述，可更好理解本发明的上述和很多其它特征以及随之而来的益处。
附图说明
图1是在蜂窝体夹层结构经受模塑以形成最终蜂窝体夹层结构之前的典型现有技术未固化的蜂窝体夹层结构的透视图。
图2是最终蜂窝体夹层结构的透视图，该结构是当图1所示的典型现有技术未固化的蜂窝体夹层结构在固化过程中经历芯部压碎时而形成的。
图3是图1中由圆圈3标识的图1部段的侧视图。
图4是图2中由圆圈4标识的图2部段的侧视图。
图5是根据本发明的未固化的蜂窝体夹层结构的透视图。
图6是未固化的蜂窝体夹层结构中对应于图5的圆圈6中所示部段的部段的侧视图。在本发明的该实施例中，轻质罩纱覆盖蜂窝体的整个面积。
图7是替代的未固化的蜂窝体夹层结构的部段的侧视图。在本发明的该实施例中，轻质罩纱不覆盖蜂窝体的整个面积。
具体实施方式
本发明可用于减少任何常规夹层结构中的芯部压碎，其中芯部夹在两个未固化的复合面板或表层之间，在芯部和表层之间具有或不具有粘合剂层片，然后通过加热和施加压力进一步处理。芯部可以是夹层板中使用的任何已知的常规芯部材料。然而，本发明特别适用于航空航天工业中使用的类型的蜂窝体芯部。此种蜂窝体芯部可以由金属(例如铝、塑料或复合材料)制成。
由复合材料制成的蜂窝体是优选的。优选的蜂窝体复合材料是已涂覆有树脂的芳纶纤维纸。树脂涂覆的芳纶纤维纸广泛用于制造飞机结构板的蜂窝体芯部。例如，
10是由Hexcel Corporation(Dublin，CA)制造的蜂窝体，其由已涂覆有酚醛树脂的
芳纶纸组成。
36是由Hexcel Corporation(Dublin，CA)制造的蜂窝体，其由已涂覆有酚醛树脂的
芳纶纸组成。
芳纶纸还由E.I.DuPontde Nemours&Company(Wilmington,Delaware)生产。众所周知，
芳纶纸由间位芳纶纤维组成，而
芳纶纸由对位芳纶纤维制成。
10蜂窝体和
36蜂窝体两者已广泛用作飞机结构板的芯部。也可以使用其它树脂涂覆的芳纶纸材料，例如美国专利申请号885896中描述的基于芳纶纤维的蜂窝体材料，该美国专利申请的内容结合在此以作参考。
蜂窝体的尺寸可以广泛地变化。对于飞机用途，蜂窝体芯部将通常具有1/8至1/2英寸(3.2-12.7mm)宽的单元，芯部的厚度为1/8英寸(3.2mm)至2英寸(50.8mm)(蜂窝体边缘之间的距离)。蜂窝体壁的厚度也可以变化，典型的蜂窝体壁的厚度为大约0.001英寸(0.25毫米)至0.005英寸(0.13毫米)。所用材料的单元尺寸、壁厚度和密度的组合决定了芯部的重量，该重量以磅/立方英尺(pcf)表示。具有大约2pcf至12pcf的重量的蜂窝体是优选的。
通常，夹层结构的面板或表层可以由多种材料制成，包括金属、塑料和复合材料。然而，本发明涉及由未固化的复合材料制成的面板，其在施加到蜂窝体上之后固化。使用这种未固化的复合材料作为面板制成的夹层板由于低摩擦而特别易受芯部压碎影响，这导致在固化期间层片之间的滑动。
未固化的面板通常包括至少一个纤维层和未固化树脂。根据本发明，所述面板必须包括至少两个纤维层或层片和未固化的树脂基质。可用于形成纤维层或层片的示例性纤维材料包括玻璃、芳纶、碳、陶瓷及其混杂物。纤维可以是机织的、单向的或呈随机纤维垫的形式。机织碳纤维是优选的，例如平纹、缎纹(harness satin)、斜纹和方平组织样式，其单位面积重量为80-600gsm，但更优选190-300gsm。
在纤维层中使用的碳纤维可具有3,000-40,000根长丝/丝束，但更优选3,000-12,000根长丝/丝束。所有这些都是可商购的。也可以使用类似样式的玻璃织物，最常见的是单位面积重量为303gsm的7781玻璃织物和单位面积重量为107gsm的120玻璃织物。
浸渍面板的纤维层的树脂基质可以是环氧树脂、酚醛树脂或其它适宜的树脂，例如聚酯树脂、双马来酰亚胺树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂和聚醚酰亚胺树脂。优选的面板是由碳纤维与环氧树脂基质组合而成的那些。优选的示例性纤维层或层片优选由预浸料层片形成，所述预浸料层片是已经用树脂预浸渍的纤维层。预浸料可从许多来源商购。发现，使用根据本发明的罩纱使得即使当使用浸渍有具有广泛变化的流变性的树脂的预浸料时也可避免芯部压碎。
用于形成面板层的优选预浸料包括通常用于航空航天和汽车工业中的夹层板的任何商购预浸料。例如，由Hexcel Corporation以商品名
(Dublin，California)销售的预浸料是适宜的。含有碳纤维和环氧树脂的预浸料是优选的。
根据本发明，摩擦促进层放置在一个或两个面板的纤维层之间，以增加层之间的摩擦锁定并减少芯部压碎。发现摩擦促进层可以是轻质的(20gsm或更小)，以便将最终夹层板增加的重量的量保持为最少，同时提供芯部压碎的减少。还发现摩擦促进层必须足够重(2gsm或更大)以对芯部压碎产生影响。因此，摩擦促进层的重量应为3至20gsm。单位面积重量为4-10gsm的罩纱是优选的，因为它们提供了芯部压碎减少和最少重量增加的理想组合。
摩擦促进层优选由纤维罩纱和树脂粘合剂组成。作为碳纤维与环氧粘合剂或交联的苯乙烯丙烯酸类树脂粘合剂的组合的罩纱是优选的。其它适宜的粘合剂树脂包括聚乙烯醇、苯乙烯、交联的聚酯、共聚酯、聚氨酯、含氟聚合物和聚酰亚胺。由其它纤维和树脂粘合剂组合制成的罩纱是适宜的，只要它们具有类似的促进摩擦性能。适宜的罩纱可从许多商业来源(包括
20352A和T2548-32)商购，它们可从Technical Fibre ProductsInc.(Kendal,England)获得。罩纱优选是湿法成网的非机织碳纤维罩纱，当罩纱结合到夹层板中时，非机织碳纤维罩纱包括罩纱和树脂粘合剂两者。或者，罩纱可以作为没有树脂粘合剂的干燥层施加。
罩纱的纤维部分通常占罩纱的5-15重量百分比，其余为粘合剂树脂。构成罩纱的纤维不是复丝束的形式。相反，罩纱由随机取向的长丝组成，长丝的单独直径为3至25微米。长丝直径为3至10微米是优选的。长丝通常为5至25mm长，优选长度为5至20mm的长丝。
图5是示例性未固化的蜂窝体夹层结构50的透视图。图6是未固化的蜂窝体夹层结构50中对应于图5的圆圈6中所示部段的部段的详细侧视图。在图6中，蜂窝体夹层结构50示出为与用于固化的高压釜或真空袋系统中的模具表面51相邻。图6中所示的未固化的蜂窝体夹层结构50的部段与图3中所示的未固化的蜂窝体夹层结构10的部段基本相同，除了图6中示出了根据本发明的纤维罩纱52a和52b的示例性放置之外。
未固化的蜂窝体夹层结构50包括蜂窝体53，蜂窝体53具有第一边缘53a、第二边缘53b和周边53c，其中第一边缘和第二边缘之间的距离限定蜂窝体的厚度(t)。蜂窝体53由多个单元构成，这些单元由在厚度方向上在第一边缘和第二边缘之间延伸的壁54限定。蜂窝体53围绕其周边倒角，使得蜂窝体的中心部段形成主要部段53P，主要部段53P具有围绕并限定蜂窝体53的主要部段面积的主要部段周边53Pp。
倒角部段53C定位成邻近主要部段53P。倒角部段53C具有外部边界53Ce和内部边界53Ci，所述内部边界跨坐于并限定倒角部段面积。倒角部段的外部边界53Ce与蜂窝体的周边53c重合，并且内部边界53Ci与主要部段的周边53Pp重合。倒角部段53C具有倒角部段宽度(x)，如图3所示，其是倒角部段的外部边界和内部边界之间的距离。在倒角部段53C中切割蜂窝体，使得蜂窝体的第一边缘53a朝向第二边缘53b逐渐变窄，并且其中所述倒角部段中的所述蜂窝体的厚度从内部边界到所述外部边界减小。倒角部段53C具有对应于直角三角形的横截面，该直角三角形具有沿着蜂窝体的第一边缘53a的斜边“y”和倒角角度“α”，其中直角三角形的直角边由沿着第二边缘53b的倒角“x”的横向宽度和沿着倒角部段的内部边界53Ci的蜂窝体的厚度“t”形成。
未固化的第一面板55定位成邻近蜂窝体的第一边缘。未固化的面板55包括定位成最靠近蜂窝体的第一边缘的第一内层55a和第一外层55b。第一内层和第一外层各自由纤维层和未固化树脂组成。优选地，每层由预浸料层片形成。
未固化的第二面板56定位成邻近蜂窝体的第二边缘。未固化的面板56包括第二外层56b和定位成最靠近蜂窝体的第二边缘的第二内层56a。第二内层和第二外层各自也由纤维层和未固化树脂组成。优选地，每层也由预浸料层片形成。
面板55和56通常使用单独的粘合剂层57a和57b分别粘合到蜂窝体边缘53a和53b。用于形成粘合剂层的粘合剂类型包括环氧树脂、丙烯酸树脂、酚醛树脂、氰基丙烯酸酯、双马来酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺和聚酰亚胺。对于高温操作，酚醛树脂和双马来酰亚胺粘合剂是优选的。众所周知，存在于面板中的未固化树脂可用作粘合用粘合剂，以消除对单独粘合剂层的需要。这种类型的面板通常被称为“自粘”面板。例如，参见美国专利号6508910，其内容结合在此以作参考。
由轻质罩纱52a构成的第一摩擦促进层示出为定位在第一面板的第一内层55a和第一外层55b之间。轻质罩纱52a可以任选地定位在第一内层55a和粘合剂层57a之间第一内层55a的内侧。在某些情况下，可能需要在第一内层55a的两侧定位罩纱。图6是用于说明目的的未固化的夹层结构的部分示意图。各层的相对尺寸和大小未按比例绘制。例如，轻质罩纱实际上比纤维预浸料层薄。由轻质罩纱52b构成的第二摩擦促进层示出为定位在第二面板的第二内层56a和第二外层56b之间。轻质罩纱52b也可以定位在第二内层56a和粘合剂层57b之间第二内层56a的内侧。在某些情况下，可能需要在第二内层56a的两侧定位罩纱。罩纱和面板结合在一起并延伸出超过蜂窝体的周边53c以形成周边凸缘58。周边凸缘58的宽度可以根据夹层结构的预期用途和设计而变化。周边凸缘58的宽度通常将从零点几英寸(cm)到2英寸(5cm)或更大变化。
轻质罩纱52a和52b覆盖蜂窝体的主要部段53P和倒角部段53C两者的整个表面面积。优选覆盖这两个部段的至少95％的表面积，更优选覆盖至少99％的表面积。优选使用两个轻质罩纱52a和52b，以便提供对芯部压碎的最大抵抗。在芯部压碎不是特别严重时，可以消除定位成最靠近模具的轻质罩纱52b。这可能有时是在倒角角度(α)相对较小(小于45度)和/或倒角部段中蜂窝体的横向强度高时的情况。然而，在大多数情况下，必须并且希望保持至少某一轻质罩纱52b定位成最靠近模具。
示出表面处理(surface finish)层59被包括为未固化的夹层结构50的一部分。表面处理层是任选的，并且对于许多类型的夹层结构可能不是必需的。当存在时，表面处理层59可包括任何已知的用于为面板提供所需的表面光洁度的表面处理材料。示例性表面处理层包括凝胶涂层、塑料层、树脂浸渍织物或罩纱。
图7中示出了替代的未固化的蜂窝体夹层结构70。图7也是用于说明目的的未固化的夹层结构的部分示意图。各层的相对尺寸和大小未按比例绘制。例如，轻质罩纱实际上比纤维预浸料层薄。未固化的蜂窝体夹层结构70示出为在用于固化的高压釜或真空袋系统中的模具的表面71上的适当位置。未固化的蜂窝体夹层结构70与未固化的蜂窝体夹层结构50相同，除了轻质纤维罩纱72a和72b不覆盖主要部段73P的整个表面面积。
未固化的蜂窝体夹层结构70包括蜂窝体73，蜂窝体73具有第一边缘73a、第二边缘73b和周边73c，其中第一边缘和第二边缘之间的距离限定蜂窝体的厚度(t)。蜂窝体73由多个单元构成，这些单元由在厚度方向上在所述第一边缘和第二边缘之间延伸的壁74限定。蜂窝体73围绕其周边倒角，使得蜂窝体的中心部段形成主要部段73P，主要部段73P具有围绕并限定蜂窝体73的主要部段面积的主要部段周边73Pp。
倒角部段73C定位成邻近主要部段73P。倒角部段73C具有外部边界73Ce和内部边界53Ci，所述内部边界跨坐于并限定倒角部段面积。倒角部段的外部边界73Ce与蜂窝体的周边73c重合，并且内部边界73Ci与主要部段的周边73Pp重合。
未固化的第一面板75定位成邻近蜂窝体的第一边缘。未固化的面板75包括定位成最靠近蜂窝体的第一边缘的第一内层75a和第一外层75b。第一内层和第一外层各自由纤维层和未固化树脂组成。优选地，每层由预浸料层片形成。
未固化的第二面板76定位成邻近蜂窝体的第二边缘。未固化的面板76包括第二外层76b和定位成最靠近蜂窝体的第二边缘的第二内层76a。第二内层和第二外层各自也由纤维层和未固化树脂组成。优选地，每层也由预浸料层片形成。
面板75和76使用单独的粘合剂层77a和77b分别粘合到蜂窝体边缘73a和73b。表面处理层79被包括为未固化的夹层结构70的一部分。罩纱和面板结合在一起并延伸出超过蜂窝体的周边73c以形成周边凸缘78。
在该实施方式中，第一摩擦促进层是轻质罩纱72a，其不覆盖主要蜂窝体部段的整个表面面积。相反，轻质罩纱72a具有内部边界72ab，其也以虚线示出在未固化的夹层板50的透视图上(图5)。轻质罩纱72a与主要部段73P重叠形成框架形状的摩擦区，所述摩擦区具有由主要部段的周边73Pp与罩纱72a的内部边界72ab之间的距离限定的宽度“wf”。第二摩擦促进层是轻质罩纱72b，其也不覆盖主要蜂窝体部段的整个表面面积。轻质罩纱具有内部边界72bb。轻质罩纱72b与主要部段73P重叠也形成框架形状的摩擦区，所述摩擦区具有由主要部段的周边73Pp与罩纱72b的内部边界72bb之间的距离限定的宽度“wf”。
可以改变摩擦区的宽度(wf)以提供在主要部段面积上的所需覆盖率。摩擦区宽度的大小或形状不必一致。然而，优选的是，摩擦区围绕蜂窝体主要部段的周边形成均匀的框架结构。每个轻质罩纱覆盖的主要部段面积应至少为10％且不超过90％。优选的覆盖率小于主要部段总面积的50％，以便将增加的重量和成本保持最少。针对特定夹层结构选择的罩纱覆盖程度将取决于许多因素，包括罩纱和面板的单位面积重量、蜂窝体强度、所需的芯部压碎减少和可承受的增加重量的量。优选使用两个轻质罩纱72a和72b，以便提供对芯部压碎的最大抵抗。然而，在芯部压碎不是特别严重的情况下，可以消除定位成最靠近模具的轻质罩纱72b。
使用已知的高压釜或真空袋模塑方法完成未固化的夹层结构的固化或模塑。此类方法通常使未固化的夹层结构经受高达45psi的压力和150-200℃的温度持续高达2小时或更长时间。
作为实践的实施例，制备图5-6中所示类型的两种未固化的夹层板并测试芯部压碎。蜂窝体是3磅pcf
10蜂窝体，具有1/8英寸(0.3cm)的单元。蜂窝体的宽度为20英寸(50.8cm)，长度为24英寸(61cm)，厚度为0.5英寸(1.3cm)。倒角角度为20°。面板的内层和外层各自是由机织AS4C碳纤维和橡胶增韧的环氧树脂组成的单一预浸料层片，其可作为
M70预浸料从Hexcel Corporation(Dublin,CA)获得。预浸料层的宽度为24英寸(61cm)，长度为28英寸(71cm)。粘合剂层的厚度为0.035英寸(0.089厘米)。用于形成粘合剂层的粘合剂是
PL7000环氧粘合剂，其可从Henkel(Herborn，Germany)获得。
在第一未固化的夹层结构实施例中，轻质罩纱52a和52b是4gsm
T2548-32碳纤维罩纱，其由直径为5微米的湿法成网的无规取向非机织碳纤维长丝和交联的苯乙烯丙烯酸类粘合剂组成。长丝各自为12mm长。在第二未固化的夹层结构实施例中，轻质罩纱是4gsm
20352A碳纤维罩纱，其由直径为7.5微米的湿法成网的无规取向非机织碳纤维长丝和交联的苯乙烯丙烯酸类粘合剂组成。两种罩纱中粘合剂的重量百分比是相同的。
将示例性未固化的夹层板在高压釜中在177℃的温度和45psi的压力固化2小时。第一固化夹层结构实施例的芯部压碎仅为1％。通过测量未固化结构中蜂窝体的面积并将初始蜂窝体面积与固化结构中蜂窝体面积进行比较来确定芯部压碎。芯部压碎表示为在固化/模塑期间发生的蜂窝体总面积的减少百分比。大约10％或更多的芯部压碎是不可接受的，特别是对于航空航天应用。芯部压碎优选限制为5％或更低。只有1％的芯部压碎完全在常规夹层板制造的可接受极限内。从第一未固化的蜂窝结构实施例中去除轻质罩纱导致芯部压碎上升至远高于10％。第一实施例表明，本发明提供了一种有效的方式来将芯部压碎减少到可接受的极限以下，同时仅略微(2×4gsm)增加夹层板结构的重量(如果有的话)。
第二固化夹层结构实施例的芯部压碎略高于第一实施例。虽然这远低于优选的可接受的芯部压碎极限5％，但它也略高于在第一实施例中获得的芯部压碎。在第一实施例中，使用相同的单位面积重量的碳纤维罩纱，然而，长丝具有较小的直径。因此，优选的是，轻质罩纱层中的长丝直径为4至6微米，以便对于给定的单位面积重量并且尤其是对于单位面积重量为3至10gsm的罩纱提供最大的芯部压碎减少。
制备第三示例性未固化的夹层结构，其与前两个实施例相同，除了轻质罩纱是2gsm
T2548-32碳纤维罩纱。
以与前两个实施例相同的方式固化第三示例性未固化的夹层结构。所产生的芯部压碎率为7％。该实施例表明，对于这种类型的夹层结构，为了将芯部压碎限制为小于5％，必须使用重量至少为3gsm，优选为4gsm的罩纱。
上述实施例证明4gsm的罩纱能够将芯部压碎降低至大约1％的水平。罩纱的单位面积重量的增加不会进一步显著减少芯部压碎，而甚至可能降低罩纱的摩擦促进效果。因此，优选的是，罩纱的重量保持在低于20gsm并且优选低于10gsm的水平，以便限制添加到面板结构的重量的量。此外，发现在罩纱中使用的长丝的直径影响罩纱的摩擦促进能力和所产生的芯部压碎减少。因此，罩纱长丝直径应小于25微米，优选3至10微米。
根据本发明的轻质罩纱的使用适于减少未固化的蜂窝体夹层结构中的芯部压碎，所述未固化的蜂窝体夹层结构可具有或可不具有倒角周边。本发明在倒角角度相对较高(45至89°)，倒角宽度相对较宽(1至5cm)和/或蜂窝体横向强度不高(2-5pcf蜂窝体)的情况下更有用。
鉴于本发明由此描述的示例性实施方式，本领域技术人员应注意到本申请范围内的公开内容仅是示例性的，可以在本发明的范围内进行各种其它替换、改编和修改。因此，本发明不限于上述实施方式，而仅由所附权利要求限定。
Claims (16)
1.一种未固化的夹层结构，其中芯部夹在第一面板和第二面板之间，所述芯部包括具有蜂窝体周边的蜂窝体，所述蜂窝体包括主要部段和定位成邻近所述主要部段的倒角部段，所述倒角部段具有内部边界和与所述蜂窝体周边重合的外部边界，所述倒角部段具有从所述内部边界到所述外部边界减小的厚度，使得所述倒角部段在所述未固化的夹层结构的固化期间经受压碎，所述未固化的夹层结构包括：
A)包括蜂窝体的芯部，所述蜂窝体具有第一边缘、第二边缘和周边，其中所述第一边缘和第二边缘之间的距离限定所述蜂窝体的厚度，所述蜂窝体包括多个单元，所述多个单元由在厚度方向上在所述第一边缘和第二边缘之间延伸的壁限定，所述蜂窝体包括：
a)具有主要部段周边的主要部段，所述主要部段周边限定所述蜂窝体的主要部段面积；
b)定位成邻近所述主要部段的倒角部段，所述倒角部段具有外部边界和限定倒角部段面积的内部边界，其中所述外部边界与所述蜂窝体周边重合，并且所述内部边界与所述主要部段周边重合，所述倒角部段具有由所述外部边界和所述内部边界之间的距离限定的倒角部段宽度，并且其中所述倒角部段中的所述蜂窝体的厚度从所述内部边界到所述外部边界减小；
B)定位成邻近所述蜂窝体的第一边缘的未固化的第一面板，所述未固化的第一面板包括第一外层和定位成最靠近所述蜂窝体的第一边缘的第一内层，所述第一内层和所述第一外层各自包括单位面积重量为80-600克/平方米的纤维层和未固化树脂，所述未固化的第一面板覆盖所述主要部段面积和所述倒角部段面积两者；
C)定位成邻近所述蜂窝体的第二边缘的未固化的第二面板，所述未固化的第二面板包括第二外层和定位成最靠近所述蜂窝体的第二边缘的第二内层，所述第二内层和所述第二外层各自包括单位面积重量为80-600克/平方米的纤维层和未固化树脂，所述未固化的第二面板覆盖所述主要部段面积和所述倒角部段面积两者；和
D)定位在所述第一内层和所述第一外层之间的第一摩擦促进层，所述第一摩擦促进层包括第一纤维罩纱和第一粘合剂树脂，其中所述第一摩擦促进层在所述未固化的夹层结构的固化期间使所述芯部的压碎减少，其中所述第一摩擦促进层覆盖基本上全部的所述倒角部段面积和至多50％的所述主要部段面积，并且其中所述第一摩擦促进层的单位面积重量为2至20克/平方米。
2.根据权利要求1所述的未固化的夹层结构，其中所述第一内层和所述第一外层各自包括包含碳纤维的纤维层，所述纤维罩纱包含碳纤维。
3.根据权利要求2所述的未固化的夹层结构，其中所述第一纤维罩纱和所述第一粘合剂树脂的总单位面积重量为3至10克/平方米。
4.根据权利要求1所述的未固化的夹层结构，其包括定位在所述第二内层和所述第二外层之间的第二摩擦促进层，所述第二摩擦促进层包括第二纤维罩纱和第二粘合剂树脂，其中所述第二摩擦促进层在所述未固化的夹层结构的固化期间使所述芯部的压碎减少，其中所述第二摩擦促进层覆盖基本上全部的所述倒角部段面积和至多50％的所述主要部段面积，并且其中所述第二摩擦促进层的单位面积重量为2至20克/平方米。
5.根据权利要求4所述的未固化的夹层结构，其中所述第二内层和所述第二外层各自包括包含碳纤维的纤维层，所述第二纤维罩纱包含碳纤维。
6.根据权利要求5所述的未固化的夹层结构，其中所述第二纤维罩纱和所述第二粘合剂树脂的总单位面积重量为3至10克/平方米。
7.根据权利要求1所述的未固化的夹层结构，其中所述主要部段中的所述第二边缘和所述倒角部段中的所述第二边缘限定共面表面，所述主要部段中的所述第一边缘平行于所述共面表面，并且其中所述倒角部段中的所述第一边缘以相对于所述共面表面的倒角角度延伸。
8.根据权利要求1所述的未固化的夹层结构，其中所述第一面板和所述第二面板中的所述未固化树脂包括未固化的热固性树脂，所述粘合剂树脂选自交联的苯乙烯丙烯酸类树脂、环氧树脂、交联的聚酯树脂、聚乙烯醇、苯乙烯、共聚酯、聚氨酯、含氟聚合物和聚酰亚胺。
9.一种夹层结构，其包括已经固化的根据权利要求1所述的未固化的夹层结构。
10.一种夹层板结构，其包括已经固化的根据权利要求4所述的未固化的夹层结构。
11.一种制造未固化的夹层结构的方法，其中芯部夹在第一面板和第二面板之间，所述芯部包括具有蜂窝体周边的蜂窝体，所述蜂窝体包括主要部段和定位成邻近所述主要部段的倒角部段，所述倒角部段具有内部边界和与所述蜂窝体周边重合的外部边界，所述倒角部段具有从所述内部边界到所述外部边界减小的厚度，使得所述倒角部段在所述未固化的夹层结构的固化期间经受压碎，所述方法包括以下步骤：
A)提供包括蜂窝体的芯部，所述蜂窝体具有第一边缘、第二边缘和周边，其中所述第一边缘和第二边缘之间的距离限定所述蜂窝体的厚度，所述蜂窝体包括多个单元，所述多个单元由在厚度方向上在所述第一边缘和第二边缘之间延伸的壁限定，所述蜂窝体包括：
a)具有主要部段周边的主要部段，所述主要部段周边限定所述蜂窝体的主要部段面积；
b)定位成邻近所述主要部段的倒角部段，所述倒角部段具有外部边界和限定倒角部段面积的内部边界，其中所述外部边界与所述蜂窝体周边重合，并且所述内部边界与所述主要部段周边重合，所述倒角部段具有由所述外部边界和所述内部边界之间的距离限定的倒角部段宽度，并且其中所述倒角部段中的所述蜂窝体的厚度从所述内部边界到所述外部边界减小；
B)将未固化的第一面板定位成邻近所述蜂窝体的第一边缘，所述未固化的第一面板包括第一外层和定位成最靠近所述蜂窝体的第一边缘的第一内层，所述第一内层和所述第一外层各自包括单位面积重量为80-600克/平方米的纤维层和未固化树脂，所述未固化的第一面板覆盖所述主要部段面积和所述倒角部段面积两者；
C)将未固化的第二面板定位成邻近所述蜂窝体的第二边缘，所述未固化的第二面板包括第二外层和定位成最靠近所述蜂窝体的第二边缘的第二内层，所述第二内层和所述第二外层各自包括单位面积重量为80-600克/平方米的纤维层和未固化树脂，所述未固化的第二面板覆盖所述主要部段面积和所述倒角部段面积两者；和
D)在将所述未固化的第一面板定位成邻近所述蜂窝体的第一边缘之前，将第一摩擦促进层定位在所述第一内层和所述第一外层之间，所述第一摩擦促进层包括第一纤维罩纱和第一粘合剂树脂，其中所述第一摩擦促进层在所述未固化的夹层结构的固化期间使所述芯部的压碎减少，其中所述第一摩擦促进层覆盖基本上全部的所述倒角部段面积和至多50％的所述主要部段面积，并且其中所述第一摩擦促进层的单位面积重量为2至20克/平方米。
12.根据权利要求11所述的制造未固化的夹层结构的方法，其包括如下附加步骤：在将所述未固化的第二面板定位成邻近所述蜂窝体的第二边缘之前，将第二摩擦促进层定位在所述第二内层和所述第二外层之间，所述第二摩擦促进层包括第二纤维罩纱和第二粘合剂树脂，其中所述第二摩擦促进层在所述未固化的夹层结构的固化期间使所述芯部的压碎减少，其中所述第二摩擦促进层覆盖基本上全部的所述倒角部段面积和至多50％的所述主要部段面积，并且其中所述第二摩擦促进层的单位面积重量为2至20克/平方米。
13.根据权利要求11所述的制造未固化的夹层结构的方法，其中所述第一内层和所述第一外层各自包括包含碳纤维的纤维层，所述纤维罩纱包含碳纤维。
14.根据权利要求13所述的制造未固化的夹层板结构的方法，其中所述第一面板和所述第二面板中的所述未固化树脂包括未固化的热固性树脂，所述粘合剂树脂选自交联的苯乙烯丙烯酸类树脂、环氧树脂、交联的聚酯树脂、聚乙烯醇、苯乙烯、共聚酯、聚氨酯、含氟聚合物和聚酰亚胺。
15.一种制造夹层板的方法，其包括：根据权利要求11的方法和固化所述未固化的夹层板的附加步骤。
16.一种制造夹层板的方法，其包括如下步骤：提供根据权利要求1所述的未固化的夹层板，和固化所述未固化的夹层板以形成所述夹层板。
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