CN111791512B - 复合材料连接器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种制造用于流体输送导管的复合材料连接器2、124的方法，该方法包括：将至少部分地周向定向并且预浸渍有热塑性聚合物的连续的纤维增强材料103施加到基本上平行于中心轴线C延伸的管状模具部分104；施加至少一个另外的模具部分106以形成完整的模具108，连续的纤维增强材料103封闭在完整的模具108中；以及将热塑性聚合物122注入模具108中以形成具有管状毂部分6、128和凸缘部分8、126的连接器2、124，凸缘部分8、126相对于中心轴线C成角度从毂部分6、128延伸。管状毂部分6、128包括具有内层11、130和外层9、132的管状密封区段7，其中内层11、130包括连续的纤维增强材料15、103，并且外层9、132包括注入的热塑性聚合物122。

Description

复合材料连接器及其制造方法

技术领域

本公开涉及复合材料(例如，纤维增强聚合物)连接器，例如用于将流体输送导管连接到其他结构，并且涉及制造用于流体输送导管的复合材料(例如，纤维增强聚合物)连接器的方法。

背景技术

流体输送导管(例如，燃料管)通常使用一个或多个连接器连接到其他固定结构(例如，飞机机翼内部)。为了允许固定结构的移动而不在流体输送导管本身上引起很大的应力(例如，在飞行期间机翼挠曲)，此类连接器被设计成在流体输送导管与结构之间允许少量的相对移动，同时仍然有效地支撑导管并对连接进行密封。这通常使用弹性体O形图来实现，流体输送导管在所述O形圈上“漂浮”，以在对连接进行密封，同时允许少量的相对运动。

在许多应用中，要求此类连接器承受较大的周向载荷(例如，由于流体输送导管中的高内部压力)以及其他应力。为了提供所需的强度，同时最小化零件数量，连接器通常由单块金属(通常是铝)加工而成。然而，该过程导致浪费大量的材料(即，非常高的所谓的投入量与净质量(buy-to-fly)比)。

此外，流体输送导管越来越多地由复合材料(例如，纤维增强聚合物)构造而成，以便减轻重量并降低材料成本。然而，当与金属连接器一起使用时，复合材料流体输送导管会遇到各种问题，诸如电偶腐蚀和由于不均衡的热膨胀而导致的温度工作窗口减小。

因此，最近已经开发了一种替代的制造技术，凭此通过对用无规定向的短切纤维(例如，碳/玻璃/芳族聚酰胺纤维)增强的热塑性基质进行注塑成型来生产复合材料连接器。US 2016/0273696描述了由通过短切纤维增强的热塑性基质注塑成型的复合材料部件的示例。因为注塑成型是增材过程，所以与常规的金属加工技术相比，它在制造期间减少了材料浪费。另外，短切纤维增强复合材料部件通常比其金属等效物轻。然而，用短切纤维增强的注塑成型连接器通常不能提供高品质的密封，因为此类连接器通常必须具有锥形内表面，以允许在制造后将它们从注塑成型工具中取出。这种锥度可能会导致密封问题。锥度可以被加工成笔直的，但是这需要额外的制造步骤，并且得到的表面光洁度不如模制表面那么光滑，这大大降低了密封的完整性并且因此降低了成品连接器的性能。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种制造用于流体输送导管的复合材料连接器的方法，所述方法包括：

将连续的纤维增强材料施加到基本上平行于中心轴线延伸的管状模具部分，所述连续的纤维增强材料至少部分地周向定向并且预浸渍有热塑性聚合物；

施加至少一个另外的模具部分以形成完整的模具，所述连续的纤维增强材料封闭在所述完整的模具中；

将热塑性聚合物注入所述模具中以形成连接器，所述连接器具有管状毂部分和凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸；

其中所述管状毂部分包括具有内层和外层的管状密封区段，其中所述内层包括所述连续的纤维增强材料，并且所述外层包括所述注入的热塑性聚合物。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于流体输送导管的复合材料连接器，所述复合材料连接器包括：

管状毂部分，所述管状毂部分基本上平行于中心轴线延伸并且包括管状密封区段；

凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸；

其中所述毂部分的所述密封区段包括内层和外层，所述内层包括用至少部分地周向定向的连续纤维增强的热塑性聚合物，并且所述外层包括注塑成型的热塑性聚合物。

在密封区段中使用至少部分地周向定向且预浸渍有热塑性聚合物的连续纤维(通常称为“预浸料”)有助于制造，并且提高了与流体输送导管的密封可靠性。对连接器的其余部分利用注塑成型降低了制造成本，并且有助于创建复杂的连接器形状。注塑成型过程还可以使添加诸如肋或标签等表面特征变得更加容易，如下面进一步讨论。

因为仅将连续纤维增强材料施加到管状模具部分(例如，呈圆柱形简单形状)，所以不需要复杂且昂贵的纤维铺设技术(例如，自动纤维铺放或AFP)。在一些示例中，预浸料纤维增强材料可以以宽度等于期望的密封区段长度的条带形式提供，并且将纤维增强材料施加到模具可以包括简单地将条带绕管状模具部分缠绕一次或多次(即一种简单的卷动铺设技术)。这特别方便，因为预浸料纤维通常以具有大宽度(例如，600mm)的片材的形式提供。此类片材可以容易地切成所需的宽度以便施加到模具，使得施加预浸料纤维以形成连续纤维层是非常简单的过程。

在一些示例中，管状模具部分包括至少第一管状部分和第二管状部分。在这种示例中，第一管状部分对应于得到的连接器的管状密封区段。在一些这种示例中，连续纤维增强材料可以仅施加到第一管状部分(即，可能未向管状模具部分的第二和任何附加管状部分施加任何连续纤维)。第一管状部分和第二管状部分优选地均基本上平行于中心轴线延伸。所述第一管状部分可以沿着所述中心轴线从所述第二管状部分的端部延伸(即，所述管状部分可以在所述中心轴线上彼此相邻而不重叠)。第一管状部分可以例如位于管状模具部分的端部(对应于得到的连接器的端部)，或者紧邻管状模具部分的端部。

在密封区段中至少部分地周向定向的连续纤维增强材料可以提供高环向(周向)强度，从而使连接器对高环向载荷具有高抵抗力(例如，由于连接至所述连接器的流体输送导管内的高压流体)。

本文公开的方法是增材的，这意味着可以使用比常规金属连接器(通常通过从大得多的原材料毛坯中移除材料来生产)更少的原材料来生产连接器。此外，使用纤维增强的聚合物意味着与常规金属连接器相比，连接器的重量也可以减小。在诸如航空航天工业等许多应用中，任何重量减轻都是非常有利的，因为它可以在部件的使用寿命期间节省大量的燃料(并且因此节省成本)。

使用至少部分地周向定向的连续纤维增强材料也使密封区段加强。当高压下的流体传递通过与其连接的流体输送导管时，这种刚度减轻复合材料连接器的环向膨胀，从而确保始终维持良好的连接和密封。

本文中，“连续”纤维增强材料是指其中至少一些单独组成细丝具有相当长的长度(即它们不是短的“短切纤维”)的纤维增强材料。在至少一些示例中，当纤维或细丝的长度与它们所增强的部分具有相同尺度的长度时，纤维增强材料可以被认为是“连续的”。这意味着，当纤维增强材料在部件的给定尺寸(诸如长度、半径或圆周)上不间断地延伸时，它基本上是“连续的”。

密封区段中的连续纤维增强材料至少部分地周向定向，因为它包括至少部分地周向(即非轴向)延伸的至少一些单独组成细丝。在示例的一些集合中，至少一些单独组成细丝可以仅周向延伸，只有很少或几乎没有轴向延伸(即，它们可以以相对于中心轴线成接近或等于90°的角度延伸)。在一些示例中，至少一些单独组成细丝可以部分地周向和部分地轴向延伸(即，螺旋地延伸，或者以相对于中心轴线成0°与90°之间的角度延伸)。连续的纤维增强材料可以包括多个单独组成细丝，所述多个单独组成细丝围绕密封区段相对于中心轴线成不同的角度延伸。

连续纤维增强材料通常与中心轴线成大于60°的角度。在一些示例中，连续纤维增强材料相对于中心轴线成65°的角度或更大的角度(例如，至少70°、80°、85°)或甚至90°或接近90°延伸。大角度使由连续纤维增强材料提供的环向强度最大化。

密封区段中的连续纤维增强材料优选地包括至少一些单独组成细丝，所述单独组成细丝完全围绕密封区段的圆周延伸，例如围绕中心轴线延伸至多360°，且甚至更优选地，围绕密封区段的中心轴线形成几个完整的环。

管状密封区段的第一层优选地完全围绕管状毂部分的内侧表面延伸。

诸如在本文公开的方法中使用的注塑成型过程通常涉及将熔融(即加热)的热塑性聚合物(例如，至多或超过400℃)注入高压模具中(例如，至多或超过2000巴或200MPa，这可以例如通过螺杆式注塑机构实现)。模具本身通常由金属制成，并且也可以例如在施加预浸料纤维之前被加热。发明人已经认识到，在热塑性聚合物的注射期间中，将预浸料连续纤维增强材料暴露于这些高温和高压也可以用于固结预浸料纤维(即，注入热塑性聚合物还可以固结预浸渍的连续纤维增强材料)。固结预浸料纤维有助于移除纤维内截留的任何空气，消除层间空隙，提高结构可重复性，并且控制模制部件的尺寸并确保平滑的表面光洁度。这意味着在将预浸料连续纤维施加到模具之前，不需要单独的预固结步骤(所述步骤可能复杂、耗时且昂贵)。

如上面所提及，根据本公开的连接器适于与流体输送导管一起使用(例如，以将流体输送导管连接到其他结构)。因此，本公开内容扩展到一种连接系统，所述连接系统包括如本文所公开的连接器和连接至毂部分的纤维增强聚合物流体输送导管。

本公开的复合材料连接器适于与包括导管中连接器布置(即，其中密封区段的至少一些被布置成延伸到流体输送导管中)和连接器中导管布置(其中流体输送导管的至少一些延伸到密封区段中)两者的连接系统一起使用。内层可以提供用于密封连接器与流体输送导管之间的连接的密封表面(即，用于连接器中导管布置)。在这种示例中，所述密封表面优选地具有低摩擦系数，以确保实现与流体输送导管的可靠密封。

如上面所提及，可以使用弹性体O形圈来密封连接器与流体输送导管之间的连接。在这种情况下，O形圈可以定位在流体输送导管的内表面或外表面与毂部分的内表面或外表面之间，以对连接进行密封。任选地，弹性体O形图安置在连接器或流体输送导管中的一个上的一对保持脊之间，并且所述O形圈在另一个O形圈的光滑表面上滑动。例如，在导管中连接器布置中，保持脊可以形成在连接器的外表面上(即，形成为注塑成型的外层的一部分)。相反地，在连接器中导管布置中，保持脊可以形成在导管的外表面上，其中毂部分的内层提供低摩擦密封表面，O形圈可以沿着所述低摩擦密封表面以很小的阻力移动，如上面所解释。坚固且加固的密封区段使O形圈在连接器与导管之间保持径向压紧，从而确保密封的完整性。

在内层提供密封表面的示例中，密封表面优选地具有轴向密封长度(平行于中心轴线)，以允许流体输送导管与连接器之间的轴向移动(即，使得在多个轴向位置可以用O形圈维持密封)。优选地，密封表面具有低摩擦系数(例如，密封表面具有通过与模具的光滑表面接触而形成的“模制”光滑表面)，以允许O形图沿着所述密封表面滑动，从而确保这种轴向移动而不扭曲(可能会在O形圈上产生剪切应力，以至于引起螺旋形O形圈失效)。密封表面优选地在轴向密封长度上平行于中心轴线，使得对于导管和连接器的任何相对位置，流体输送导管的外表面与密封表面之间的距离是相同的，从而在连接器的整个轴向范围上实现一致的密封完整性。除了适应轴向移动外，这还支持连接器处理一定的导管铰接(即，导管旋转，使得其不再平行于连接器的中心轴延伸)，而不破坏密封。

通常而言，更精确地平行的密封表面(相对于中心轴线)和/或较低摩擦的密封表面对用于维持令人满意的密封的O形圈的品质(且因此成本)提出了不太严格的要求。

毂部分被优选地布置成配合在例如与其同心的流体输送导管上或其中，其中导管配合在毂部分的外直径上或毂部分的内直径内侧。凸缘部分被优选地布置成附接至另一结构，并且可以包括用于附接的一个或多个附接点。

因为在密封区段中至少部分地周向定向的连续纤维的比例很高，所以当密封区段经受温度变化时(例如，由于将加热的热塑性聚合物注入模具中以及其后续冷却)，环向膨胀/收缩由纤维增强材料的膨胀/收缩决定。与聚合物基质相比，在此类材料中用作增强材料的纤维通常具有非常低的CTE。例如，玻璃纤维的CTE约为1.6-2.9×10^-6k^-1，并且碳纤维的CTE非常接近零(并且甚至可能为负，例如大约-0.5×10^-6k^-1)，而典型聚合物树脂的CTE为50×10^-6k^-1(作为比较，铝的CTE为/>23×10^-6k^-1)。因此，密封区段的内层的环向热膨胀/收缩通常是最小的。

相反，非增强或短切纤维增强的热塑性聚合物的热膨胀系数(CTE)由树脂基质的CTE决定，并且因此比至少部分地周向定向的连续纤维增强聚合物(FRP)高得多。它也比许多金属(诸如，注塑模具中使用的那些金属)的CTE高，并且因此，注塑成型的热塑性聚合物在取出前冷却并凝固时，其可能比用于形成它们的模具收缩得更大。

因此，在常规完全注塑成型连接器中，连接器的封闭金属模具部分(例如，围绕管状模具部分形成的管状毂部分)的任何元件都必须是锥形的，使得在冷却期间即使连接器比模具收缩得更多时，也可以从模具中取出连接器。因此，此类连接器的密封表面必须是锥形的，这会引起连接器与导管之间的密封完整性随着导管相对于连接器轴向移动而变化(随着连接器的密封表面与导管外表面之间的距离变化)。

然而，在本公开的示例中，毂部分的内层包括至少部分地周向定向的连续纤维增强材料。为此，当模具和连接器冷却时，内层经历很少收缩或没有收缩，从而允许简单的取出而无需锥度。如下面更详细地解释的，因此无论导管相对于连接器的轴向位置如何，连接器与导管之间的最终密封的完整性都是恒定的。

虽然可能在随后的方法步骤中移除注塑成型的连接器的锥度(例如，通过机械加工移除材料)，但是这增加了制造时间和费用。此外，机械加工表面通常具有比模制表面高得多的摩擦系数，如上面所提及的，所述模制表面可能致使螺旋形O形圈失效。

本公开的连接器特别合适的流体输送导管是由纤维增强的聚合物制造而成的复合材料部件，所述纤维增强的聚合物包括高比例的周向定向的纤维。这使环向强度最大化，并且因此使导管的内部压力容限(这在诸如燃料管等高压系统中尤为重要)最大化，同时使重量最小化。

除了强度和刚度优点外，在密封区段中利用至少部分地周向定向的连续纤维增强材料，还可以使密封区段的热膨胀系数(即，“环向”CTE)与可以和其连接的流体输送导管的热膨胀系数紧密匹配。

因此，常规连接器，当与纤维增强的聚合物导管一起使用时，只能在较小的温度工作范围内使用。当连接器和导管经受该范围外的温度影响时，其差异膨胀可能会危害密封和/或整个连接的完整性。或者，适应此类温度变化和不同CTE的要求对其他元件(诸如O形图)提出了设计约束。当连接器的刚度与导管的刚度不同时，也会出现类似的问题。

然而，如上面所提及，因为本公开的示例中的毂部分包括连续的周向定向的纤维增强材料，所以其环向CTE(以及其刚度)可以与给定的流体输送导管的环向CTE更紧密地匹配。使CTE相匹配允许使使用期间的相对膨胀(连接器相对于导管的相对膨胀)在更宽的温度范围内降至最低，从而提高部件的适用性和可靠性。因此，在一些示例中，对纤维增强材料在毂部分内的成分和取向进行选择，使得毂部分的环向CTE与由纤维增强聚合物(FRP)形成的流体输送导管的CTE匹配，所述流体输送导管在使用中连接至所述毂部分。另外地或替代地，对纤维增强材料在毂部分内的成分和取向进行选择，使得毂部分的刚度与流体输送导管的刚度基本匹配。

更一般地，可以对连续纤维增强材料在毂部分中的取向进行选择，以匹配连续纤维在流体输送导管内的取向。例如，如果导管包括主要相对于中心轴线成65°延伸的连续纤维，则在毂部分的内层中的连续纤维增强材料优选地还主要相对于中心轴线成65°延伸。

毂部分优选地包括具有基本上圆形横截面的管(即，毂部分包括圆柱体)。圆形横截面使毂部分的环向强度最大化，并且可能更易于制造。然而，在一些示例中，除了其他可能的形状之外，所述管还可以具有矩形、其他多边形或椭圆形的横截面。优选地，毂部分的横截面与适于与其连接的流体输送导管的横截面匹配。

凸缘部分可以包括至少一个通孔，所述通孔可以与合适的紧固装置(例如，螺母和螺栓)一起使用以将连接器紧固到结构。可以通过钻穿完整的连接器来形成通孔。替代地，至少一个通孔可以与其余的凸缘部分同时形成(即，通过使用合适地成形的模具)。

凸缘部分延伸的相对于中心轴线的角度优选地大于45°，并且凸缘部分还优选地基本上垂直于毂部分的中心轴线，即成90°，以实现牢固地附接到垂直于中心轴线的表面。在一些示例中，整个凸缘部分可以不相对于中心轴线成相同的角度延伸，而是可以被成形以适应特定结构的形状。如上面所提及的，使用注塑成型实现了相对廉价地实现复杂的连接器形状。

连续纤维增强材料浸渍有的热塑性聚合物优选与注入模具中的热塑性聚合物相同(即，包括密封区段的外层的热塑性聚合物)。热塑性聚合物的合适的示例是聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、聚醚酮(PEK)或聚芳基醚酮(PAEK)族的另一聚合物部分。可以选择热塑性聚合物，从而为连接器提供期望的耐化学和/或耐温性能。

在模制过程期间，预浸渍的热塑性聚合物和注入的热塑性聚合物可以混合以形成从密封区段的内层延伸到外层中的连续聚合物基质。然而，即使发生聚合物的混合，仍然会存在两个不同的层(一层具有至少部分地周向定向的连续纤维，并且另一层没有所述连续纤维)。外层优选地具有0.5mm或更大(例如，1mm或更大)的径向厚度(即，在垂直于中心轴线的径向上)。内层优选地具有0.25mm或更大(例如，0.5mm或更大)的径向厚度。

在一些示例中，密封部分的外层可以包括很少或不包括纤维增强材料(即，由非增强的聚合物组成)。这样可以降低得到的部件的成本。然而，在一些示例中，可以将短切纤维(例如，碳或玻璃)与热塑性聚合物一起注入以形成成品连接器(例如，使得除了内层之外的整个连接器都包括短切纤维)。短切纤维优选地在被引入模具之前与聚合物结合(即，悬浮在聚合物内)。在这种示例中，外层将包括切碎的纤维增强材料。

在注入的热塑性聚合物不具有任何纤维增强材料(即，当外层由非增强的聚合物组成时)的示例中，外层中存在的纤维增强材料的量可以忽略不计。例如，在复合材料连接器的制造期间，少量的纤维增强材料可能会无意地从内层扩散开来。

复合材料连接器可以任选地包括一种或多种非纤维材料添加剂。注入的热塑性聚合物(即，包括连接器的外层和其他非连续纤维增强区域)和预浸渍的连续纤维增强材料中的一种或两种可以包括一种或多种非纤维材料添加剂。例如，可以添加少量的一种或多种非纤维材料添加剂以改变聚合物的一种或多种非结构性质，诸如粘度、导热性或导电性、辐射敏感性、颜色、耐火性或耐化学性等。

例如，在飞机燃料系统中，控制复合材料连接器的导电性很重要。理想地，燃料系统(即，包括一个或多个管道和一个或多个连接器)被充分地绝缘，以避免成为用于光导的优选路径，同时又足够导电以避免由于燃料流动而引起的静电累积。在连接器的制造期间向聚合物中添加特定量的导电添加剂(例如，炭黑、碳纳米管或石墨烯)允许实现期望的电导率水平。理想地，此类添加剂存在于整个部件中(即，在注入的聚合物和预浸渍的纤维增强材料中都存在)，尽管这不是必需的。例如，如果将碳纤维增强材料用作连续纤维增强材料，但是注入的聚合物不包含短切碳纤维增强材料，则可能仅需要在注入的聚合物中存在炭黑添加剂(因为毂部分中的碳纤维已经导电)。

要控制燃料系统的电导率，可能不必要控制管道和连接器两者的电导率。在至少一些情况下，仅控制管道的电导率(例如，通过添加一定浓度的炭黑)就足够了。然后，连接器仅需要包括最低的电导率水平即可实现期望的总电导率。替代地，可以控制连接器的电导率并与具有最小电导率的管道一起使用。

可以基于成品复合材料连接器的一个或多个期望的性质而选择所使用的纤维增强材料的类型(呈如上面公开的连续和/或短切形式)。例如，需要非常高强度的复合材料连接器可以利用碳纤维，而需要高强度但低电导率的那些复合材料连接器可以利用玻璃纤维。在注入的热塑性聚合物中具有短切纤维的示例中，这些纤维可以与密封区段的内层中的连续纤维具有不同的类型，尽管优选地它们是相同的。

模具可以包括一个或多个特征，所述一个或多个特征被布置成在成品连接器上形成对应的特征。例如，模具可以包括至少一个凸台，所述至少一个凸台被布置成在得到的连接器的凸缘部分中形成至少一个对应的通孔。模具可以包括被布置成在得到的连接器上形成一个或多个结构特征(例如，加固或加强结构)的特征。可以形成所述加固或加强结构(诸如，加固肋)以在凸缘部分与毂部分之间延伸。另外或替代地，模具可以包括被布置成在得到的连接器上形成一个或多个非结构特征(诸如粘接标签或接地标签)的特征。模具可以包括被布置成形成O形图保持脊作为外层的一部分的特征。

根据本公开的密封区段的内层和外层还增加了在连接器失效之前识别出对连接器的冲击损坏的能力。在一些示例中，注塑成型的热塑性聚合物的外层比连续纤维增强材料的内层抗冲击性差(即，外层能够抵抗比内层低的能量冲击)。在这种示例中，由于冲击(例如，在维护或制造期间)而造成的损坏将在内层被损坏到失效点之前在外层上可见。换句话说，在内层损坏超过设计容差之前，外层可能会达到几乎看不见的冲击损坏(BVID)阈值。

本公开全文通篇涉及包括毂部分和凸缘部分的复合材料连接器。应当了解，给定的连接器可以包括每个毂部分多于一个凸缘部分，或者每个凸缘部分多于一个毂部分。任何单端、双端或多端口连接器可以包括在本公开内。

发明人认为将连续的预浸料纤维施加到管状模具部分的仅一部分上是独立的新颖性和创造性，因此本发明还扩及一种制造用于流体输送导管的复合材料连接器的方法，所述方法包括：

提供管状模具部分，所述管状模具部分基本上平行于中心轴线延伸并且包括至少第一管状部分和第二管状部分；

将连续的纤维增强材料施加到所述管状模具部分的仅第一管状部分，所述连续的纤维增强材料至少部分地周向定向并且预浸渍有热塑性聚合物；

施加至少一个另外的模具部分以形成完整的模具，所述连续的纤维增强材料封闭在所述完整的模具中；

将热塑性聚合物注入所述模具中以形成连接器，所述连接器具有管状毂部分和凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸。

第一管状部分可以对应于得到的连接器的管状密封区段。第一管状部分和第二管状部分优选地都基本上平行于中心轴线延伸。所述第一管状部分可以沿着所述中心轴线从所述第二管状部分的端部延伸(即，所述管状部分可以在所述中心轴线上彼此相邻而不重叠)。第一管状部分可以例如位于管状模具部分的端部(对应于得到的连接器的端部)，或者紧邻管状模具部分的端部。

在适当情况下，本文描述的任何示例的特征可以施加到本文描述的任何其他示例。在参考不同的示例或示例集合的情况下，应当理解，这些示例不一定是不同的，而是可以重叠。

具体实施方式

现在将参考附图描述本公开的某些示例，在附图中：

图1是根据本公开的复合材料连接器与流体输送导管之间的连接的横截面视图；

图2是图1的复合材料连接器的局部剖开的透视图；

图3到图7示出了一种根据本公开的示例制造复合材料连接器的方法中的各种步骤；并且

图8是详细描述一种根据本公开的示例的制造复合材料连接器的方法中的各种步骤的流程图。

图1是连接器2与平行于中心轴线C延伸的圆柱形流体输送导管4之间的接口的横截面视图。连接器2包括：圆柱形毂部分6，所述圆柱形毂部分6也平行于中心轴线C延伸；以及凸缘部分8，所述凸缘部分8从毂部分6的端部沿垂直于中心轴线C的方向延伸。凸缘部分8还包括通孔10，连接器2可以通过所述通孔10紧固到另一结构，例如飞机翼肋。

毂部分6包括具有外层9和内层11的密封区段7，所述内层11在连接器2的内侧上提供密封表面13。内层11(并且因此密封表面13)围绕中心轴线C并且沿着平行于中心轴线C的毂部分6周向延伸。内层11包括用至少部分地周向定向的连续纤维增强的热塑性聚合物(例如，如图2中所示)。连接器2的其余部分由注塑成型的热塑性聚合物形成。在该示例中，用短切纤维增强热塑性聚合物(如图2中所示)，但这不是必需的。

毂部分6封闭流体输送导管4的连接部分12。弹性体O形图14位于密封区段7与连接部分12之间，保持在密封表面13与流体输送导管4的外壁之间。O形图14由两个保持脊16限制，所述两个保持脊16从流体输送导管4的连接部分10径向向外延伸。

O形图14在连接器2与导管4之间提供密封，使得流体可以沿导管4流动并进入连接器2中而不会逸出。另外，在连接部分12与密封表面13之间的O形图14的构造允许流体输送导管4相对于连接器2在中心轴线C的方向上移动一小段距离，而不损害密封。这使得连接器2紧固到的结构能够少量移动或挠曲，而不会在导管4上施加较大的应力(与连接器2牢固地附接到导管4的情况相同)。相反，导管4“漂浮”在O形圈14上，使得它可以纵向滑动一小段距离，而不破坏密封。密封表面13具有低摩擦系数，以使O形图14能够沿密封表面13滑动，而不扭曲或承受潜在破坏性的剪切力。因为密封表面13平行于中心轴线C延伸，所以无论导管4相对于连接器2的轴向位置如何，密封的完整性都是相同的(只要O形圈14位于密封表面13附近即可)。除了适应轴向移动之外，该布置还容许围绕中心轴线C的一些相对旋转和远离中心轴线C的相对旋转(即，接头的弯曲)。

例如，连接器2附接到的结构可以是飞机翼肋，所述飞机翼肋被设计成在飞行期间随着机翼由于空气动力载荷和/或温度波动而挠曲而少量移动。流体输送导管4可以包括位于机翼内的燃料管，因此所述燃料管必须能够在飞行期间应对机翼挠曲。内层11(并且因此密封表面13)具有沿着中心轴线C的长度，所述长度可以例如被选择以容纳对应于最大预期机翼挠曲量的轴向移动量。连接器2还能够应对导管4的一些铰接(即旋转，使得导管4不再平行于中心轴线C)，而不破坏密封。

图2是图1中示出的复合材料连接器2的示意性透视图，以及毂部分6的密封区段7的局部剖开视图。从该视图中可以看到密封区段7的内层11中的连续纤维15。在该示例中，内层11具有与外层9大致相同的厚度，尽管这不是必需的。

图2中还示出了存在于密封区段7的外层9中并且贯穿连接器2的其余部分的短切纤维增强材料17。如下面所解释，连接器2的大部分是通过对注入了短切纤维增强材料的热塑性聚合物进行注塑成型而形成的，因此短切纤维增强材料17均匀地分布在整个连接器2中(除了内层11之外)。

图3和图4示出了一种根据本公开的示例的制造复合材料连接器的方法中的第一步骤。预浸渍有热塑性聚合物的连续纤维增强材料片材102围绕管状模具部分104的第一管状部分105周向缠绕，所述第一管状部分105平行于中心轴线C延伸。片材102围绕管状模具部分104的第一管状部分105缠绕一次或多次以产生一层连续的周向定向的预浸料纤维增强材料103。管状模具部分104的第二管状部分107没有施加于其上的纤维增强材料。

如图5和图6中所示，然后将另外的模具部分106放置在管状模具部分104上方，以形成具有空腔110的完整模具108，预浸料纤维增强材料103封闭在所述空腔110中。空腔110包括：毂形成部分112，纤维增强材料103位于所述毂形成部分112中；以及凸缘形成部分114，所述凸缘形成部分114相对于中心轴线C成角度(在这种情况下为90°)从毂形成部分112延伸。虽然在该示例中未示出，但是凸缘形成部分和/或毂形成部分可以包括额外的形状和/或特征以在成品连接器上形成对应的特征(凸缘形成部分114中的凸台可以用于在得到的连接器的凸缘中形成对应的通孔)。

包括腔室118和螺杆120的注射工具116用于将用短切纤维增强的熔融热塑性聚合物122(未示出)注射到模具108中。加热注射工具116以熔化热塑性聚合物122(例如，以固体颗粒的形式提供)，并且旋转螺杆120以迫使熔融热塑性聚合物122以及其短切纤维增强材料进入模具108中，使得其填充空腔110。

当注入聚合物122时，熔融聚合物122的热量和注入所述聚合物所用的压力固结所述一层连续的周向定向的预浸料纤维增强材料103，从而移除可能存在的任何层间空隙。

一旦空腔110被短切纤维增强的热塑性聚合物122填充，并且预浸料纤维增强材料103被充分固结，就允许模具108以及其内容物被冷却并且注入的热塑性聚合物122固化。(通常是金属，例如铝)模具的热膨胀系数(CTE)(例如，对于铝为50×10^-6K^-1)比预浸料纤维增强材料103的CTE(例如，对于碳纤维增强材料大约为零)大。因此，当模具108以及其内容物冷却时，内部预浸料层经历很小的收缩或不收缩，而管状部分104向内收缩，并且因此远离预浸料纤维增强材料103。这允许容易地从模具108中取出得到的连接器124(即，不需要锥形毂部分)。如图7中所示，移除了另外的模具部分106(例如，通过将所述另一模具部分106拆分成两部分)，并且通过在中心轴线C的方向上滑动成品连接器124来从管状的第一模具部分104中取出所述成品连接器124。

如参考图1中示出的连接器更详细地描述的，成品连接器124包括凸缘部分126(由凸缘形成部分114形成)和毂部分128(由毂形成部分112形成)，其中后者包括连续的周向定向的纤维增强材料的内层130(由预浸料连续纤维增强材料103形成)和短切纤维增强的热塑性聚合物的外层132(由注入的聚合物122形成)。

现在将参考图8描述一种根据本公开的示例制造用于流体输送导管的复合材料连接器的方法。首先，在步骤202中，将预浸渍有热塑性聚合物的连续纤维施加到平行于中心轴线延伸的管状模具部分，以形成一层连续的周向定向的预浸料纤维增强材料。

然后，在步骤204中，施加至少一个另外的模具部分以形成完整的模具。所述连续的周向定向的预浸料纤维增强材料封闭在模具内。

随后，在步骤206中，对热塑性聚合物进行加热并注入所述模具中，使得其填充所述模具以形成连接器，所述连接器具有管状毂部分和凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸。

注入的聚合物的热量和压力还用于固结连续的预浸料纤维层(例如，移除层间空隙)。在步骤208中，允许热塑性聚合物冷却(通常可能仅花费几秒钟)，并且可以取出连接器。

Claims (15)

1.一种制造用于流体输送导管的复合材料连接器的方法，所述方法包括：

将连续的纤维增强材料施加到基本上平行于中心轴线延伸的管状模具部分，所述连续的纤维增强材料至少部分地周向定向并且预浸渍有热塑性聚合物；

施加至少一个另外的模具部分以形成完整的模具，所述连续的纤维增强材料封闭在所述完整的模具中；以及

将热塑性聚合物注入所述模具中以形成连接器，所述连接器具有管状毂部分和凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸；

其中所述管状毂部分包括具有内层和外层的管状密封区段，其中所述内层包括所述连续的纤维增强材料，并且所述外层包括所述注入的热塑性聚合物。

2.根据权利要求1所述的制造复合材料连接器的方法，其中所述管状模具部分包括至少第一管状部分和第二管状部分，并且所述连续的纤维增强材料仅施加到所述第一管状部分。

3.根据权利要求1或2所述的制造复合材料连接器的方法，其中将所述热塑性聚合物注入所述模具中固结所述预浸渍的连续纤维增强材料。

4.根据权利要求1或2所述的制造复合材料连接器的方法，其中短切纤维增强材料与所述热塑性聚合物一起注入所述模具中。

5.一种用于流体输送导管的复合材料连接器，所述复合材料连接器包括：

管状毂部分，所述管状毂部分基本上平行于中心轴线延伸并且包括管状密封区段；和

凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸；

其中所述毂部分的所述密封区段包括内层和外层，所述内层包括用至少部分地周向定向的连续纤维增强的热塑性聚合物，并且所述外层包括注塑成型的热塑性聚合物。

6.根据权利要求5所述的复合材料连接器，其中所述内层提供在轴向密封长度上平行于所述中心轴线的密封表面。

7.根据权利要求6所述的复合材料连接器，其中所述密封表面具有低摩擦系数。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的复合材料连接器，其中所述外层具有至少0.5mm的径向厚度。

9.根据权利要求5-7中任一项所述的复合材料连接器，其中所述外层还包括短切纤维增强材料。

10.根据权利要求5-7中任一项所述的复合材料连接器，其中所述复合材料连接器包括一种或多种非纤维材料添加剂。

11.根据权利要求5-7中任一项所述的复合材料连接器，其中所述连续纤维包括玻璃和/或碳纤维。

12.根据权利要求5-7中任一项所述的复合材料连接器，其中所述密封区段的所述外层比所述密封区段的所述内层抗冲击性差。

13.一种连接系统，所述连接系统包括如权利要求5-7中任一项所述的连接器和连接至毂部分的纤维增强聚合物流体输送导管。

14.根据权利要求13所述的连接系统，所述连接系统还包括弹性体O形圈，所述弹性体O形圈定位在所述流体输送导管与所述毂部分之间，以密封所述连接器与流体输送导管之间的连接。

15.一种制造用于流体输送导管的复合材料连接器的方法，所述方法包括：

提供管状模具部分，所述管状模具部分基本上平行于中心轴线延伸并且包括至少第一管状部分和第二管状部分；

将连续的纤维增强材料施加到所述管状模具部分的仅所述第一管状部分，所述连续的纤维增强材料至少部分地周向定向并且预浸渍有热塑性聚合物；以及

施加至少一个另外的模具部分以形成完整的模具，所述连续的纤维增强材料封闭在所述完整的模具中；

将热塑性聚合物注入所述模具中以形成连接器，所述连接器具有管状毂部分和凸缘部分，所述凸缘部分相对于所述中心轴线成角度从所述毂部分延伸。