CN112277341B - 用于湿复合材料铺设的半径填料 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种用于湿复合材料铺设的半径填料。一种制造已固化复合结构的方法包括将半径填料元件放置到半径腔中，该半径腔沿着由包括增强纤维的干纤维材料形成的复合基部构件的长度延伸。半径填料元件由半径填料材料形成。该方法还包括将树脂注入到干纤维材料中，并使树脂与半径填料材料发生化学反应，以沿着半径填料元件和复合基部构件之间的侧表面界面产生树脂和半径填料材料的混合物。该方法附加地包括使树脂固化或凝固，以及允许树脂中的溶剂蒸发，从而导致混合物硬化并将半径填料元件结合到复合基部构件，并且产生已固化复合结构。

Description

用于湿复合材料铺设的半径填料
技术领域
本公开总体上涉及复合材料制造，并且更具体地，涉及一种具有热塑性或热固性半径填料的复合结构以及制造该复合结构的方法。
背景技术
复合结构由于其高强度重量比、耐腐蚀性和其他有利特性而被广泛用于各种应用中。在飞机构造中，越来越多地使用复合材料以形成机身、机翼和其他部件。例如，飞机的机翼可包括由复合桁条增强的复合蒙皮面板。
复合桁条可设置为各种横截面形状。例如，机翼面板的复合桁条可具有通过以背对背布置组装一对复合通道(例如，L形通道)而形成的T形横截面。每个复合通道包括结合在倒圆的腹板-凸缘过渡部处的凸缘部分和腹板部分。复合通道的腹板部分以背对背布置组装以形成复合基部构件，并且这样产生由背对背复合通道的腹板-凸缘过渡部限定的复合基部构件中的纵向凹口。纵向凹口可被称为复合桁条的半径腔。为了改善具有复合桁条的复合结构的强度、刚度和耐用性，需要用半径填料填充每个半径腔。
制造和安装半径填料的常规方法提出了若干挑战。例如，一种方法涉及将预浸料复合材料(例如，预浸渍有树脂的单向增强纤维)的单独条带铺设到复合基部构件的半径腔中。在作为单独的复合板层安装到半径腔中之前，预浸料复合材料的每个条带可被切割成精确的宽度。预浸料复合材料的单独条带的逐层安装是费力且费时的。
制造半径填料的另一种方法包括将每个半径填料预制为匹配待填充的半径腔的形状。在将半径填料安装在半径腔中之前，将预浸料复合材料的单独条带以堆叠形式铺设，以便在铺设工具上形成半径填料。对于具有单向增强纤维的半径填料，半径填料和复合基部构件的轴向刚度可能不匹配。例如，半径填料中的单向增强纤维的纵向取向导致半径填料的轴向刚度相对于复合基部构件的轴向刚度是高的。半径填料和复合基部构件之间的轴向刚度的不匹配可能导致已固化复合结构中的不期望的强度特性。半径填料的相对高的轴向刚度的影响可能在其中期望具有减小的轴向刚度的复合桁条的终端处是显著的。
用于减小半径填料相对于复合基部构件的轴向刚度的不匹配的一种方法是使用层压机来制造半径填料，该层压机被配置为除了层压具有零度纤维取向的复合板层之外，还层压具有非零度纤维取向(例如，+/-30度)的预浸料复合板层。铺设具有非零度纤维取向的单独复合板层的能力提供了一种用于使半径填料的轴向刚度与复合基部构件的轴向刚度更紧密地匹配的手段。此外，复合板层可铺设为使得半径填料的轴向刚度在复合桁条的终端处减小。尽管上述制造方法在结构上是有利的，但层压机代表了在构造、操作和维护方面的大量资本支出。
可以看出，在本领域中需要一种避免上述挑战的制造具有半径填料的复合结构的系统和方法。
发明内容
通过本公开具体地解决和减轻了与半径填料相关联的上述需求，本公开提供了一种制造已固化复合结构的方法。该方法包括，将半径填料元件放置到半径腔中，该半径腔沿着由包括增强纤维的干纤维材料形成的复合基部构件的长度延伸。半径填料元件由半径填料材料形成。该方法还包括，将树脂注入到干纤维材料中，以及使树脂与半径填料材料发生化学反应，以沿着侧表面界面在半径填料元件和复合基部构件之间产生树脂和半径填料材料的混合物。该方法附加地包括，使树脂固化或凝固，以及允许树脂中的溶剂蒸发，从而导致混合物硬化并将半径填料元件结合到复合基部构件，并且得到已固化复合结构。
还公开了已固化复合结构，该已固化复合结构具有复合基部构件，该复合基部构件包括嵌入树脂中的增强纤维并具有沿着复合基部构件的长度延伸的半径腔。已固化复合结构还包括沿半径腔的长度连续地延伸并具有半径填料侧表面的半径填料元件。半径填料元件由半径填料材料形成。已固化复合结构附加地包括将半径填料侧表面结合到复合基部构件的混合区。混合区包括树脂和半径填料材料的已硬化混合物。在一个示例中，已固化复合结构可为飞机的复合桁条或复合翼梁。
已经讨论的特征、功能和优点可在本公开的各个实施例中独立地实现或可在其他实施例中组合，其进一步的细节可参考下面的描述和下面的附图看到。
附图说明
参考附图，本公开的这些和其他特征将变得更加显而易见，其中贯穿全文，相同的数字指代相同的部分，并且其中：
图1是飞机的透视图；
图2是构造为飞机的机翼面板的已固化复合结构的示例的自上而下视图，机翼面板具有复合蒙皮面板和多个复合桁条；
图3是沿图2的线3-3截取的机翼面板的横截面图，并且示出了联接到复合蒙皮面板的复合桁条；
图4是沿图2的线4-4截取的机翼面板的横截面图，并且示出了联接到复合蒙皮面板的多个复合桁条；
图5是由图4中的附图标号5标识的机翼面板的部分的放大图，并且示出了由热塑性材料形成并填充每个复合桁条的半径腔的连续半径填料元件；
图6是复合桁条中的一个的放大图，示出了包含在半径腔内的半径填料元件；
图7是图6的复合桁条的分解图；
图8是制造已固化复合结构的方法中包括的操作的流程图；
图9是具有由干纤维材料形成的复合基部构件并具有半径腔的结构组件的示例的分解透视图，并且进一步示出了用于安装在半径腔中的由半径填料材料形成的半径填料元件；
图10是图9的结构组件的透视图，示出了安装在复合基部构件的半径腔内的半径填料元件；
图11是复合基部构件和多个半径填料段的示例的局部分解透视图，每个半径填料段由半径填料材料形成并构造为以首尾相连布置插入到半径腔中；
图12是图11的结构组件的透视图，示出了处于首尾相连布置以在复合基部构件的半径腔内形成段序列的半径填料段；
图13是沿着图3的线13-13截取的复合桁条的示例的横截面图，并且示出了各自具有垂直于凸缘部分取向的腹板部分的背对背复合通道；
图14是图13的半径填料元件的放大图；
图15是沿着图3的线15-15截取的复合桁条的示例的横截面图，并且示出了以不垂直于凸缘部分的腹板角取向的腹板部分；
图16是图15的半径填料元件的放大图；
图17是结构组件的局部分解透视图，该结构组件包括干纤维材料的复合条带，该复合条带可定位在复合基部构件的底侧上以用于将半径填料元件捕获在半径腔内；
图18是真空袋装到固化工具的图17的结构组件的横截面图；
图19是图18的结构组件中由附图标号19标识的部分的放大图，并且示出了捕获在复合基部构件和复合条带之间的半径填料元件；
图20是在将树脂注入到复合基部构件的干纤维材料中期间的图18的结构组件的横截面图，并且示出了为了固化结构组件而施加热量和压力；
图21是图20中由附图标号21标识的部分的放大图，并且示出了注入到复合基部构件和复合条带的干纤维材料中的树脂；
图22是图21中由附图标号22标识的部分的放大图，并且示出了围绕半径填料元件的混合区，混合区包含树脂和半径填料材料的混合物，以用于将半径填料元件结合到复合基部构件和复合条带；
图23是图18的结构组件的侧面截面图，并且示出了捕获在复合基部构件和复合条带之间的以首尾相连布置的多个半径填料段；
图24是图23中由附图标号24标识的部分的放大图，并且示出了限定首尾相连界面的一对首尾相连半径填料段的段端部；
图25是图24中通过参考25标识的部分的放大图，并且示出了混合区，该混合区围绕一对首尾相连半径填料段的段端部并包含树脂和半径填料材料的混合物以用于在首尾相连界面处将半径填料段结合在一起；
图26是结构组件的示例的透视图，该结构组件包括由干纤维材料形成的复合基部构件并包含由半径填料材料形成的半径填料元件；
图27是通过将安装在复合蒙皮面板上的图26的多个结构组件共固化或共结合而产生的已固化复合结构的示例的透视图；
图28是包含半径填料元件并以J形横截面构造的已固化复合结构的示例的截面图；
图29是包含半径填料元件并以I形横截面构造的已固化复合结构的示例的截面图；
图30是包含半径填料元件并以帽形横截面构造的已固化复合结构的示例的截面图。
具体实施方式
现在参考示出本公开的优选示例和各种示例的附图，在图1中示出了飞机100的透视图，该飞机可包括具有半径填料元件200(例如，图5)的一个或多个已固化复合结构110，该半径填料元件由半径填料材料202(例如，图5)形成并如下所述地制造。飞机100可包括机身102、水平尾翼104、垂直尾翼106和一对机翼108，其中的任何一者或多者可以是根据本公开的一个或多个方面制造的已固化复合结构110。例如，图1中的飞机100可包括各自构造为已固化复合结构110的一个或多个复合机翼梁116。图2示出了构造为机翼面板112的已固化复合结构110，其具有复合蒙皮面板150和用于使机翼面板112变硬的多个复合桁条114。图3是机翼面板112的展向截面图，示出了联接到复合蒙皮面板150的复合桁条114。图4是机翼面板112的弦向截面图，示出了联接到复合蒙皮面板150的多个复合桁条114。
图5是机翼面板112的一部分的放大图，示出了联接到复合蒙皮面板150的复合桁条114。复合蒙皮面板150可包括可单独地铺设在机翼蒙皮铺设工具(未示出)上的复合板层124。如下面更详细地描述的，复合桁条114中的每个包括复合基部构件122和半径填料元件200。每个复合桁条114的复合基部构件122具有沿着复合基部构件122的长度延伸的大体V形凹口。V形凹口可描述为用于接收半径填料元件200的半径腔140。
在图5中，复合基部构件122可包括背对背复合部件128。在所示的示例中，背对背复合部件128中的每个构造为具有L形构造的复合通道130。然而，在下面描述的其他示例中，复合基部构件122(例如，图28至图30)可具有复合部件128，该复合部件具有的横截面构造不同于图5所示的L形构造。不管横截面形状如何，复合基部构件122的复合部件128中的每个可包括铺设在基部构件铺设工具(未示出)上的干纤维材料126的复合板层124。
仍然参考图5，每个复合桁条114的复合基部构件122包括复合条带152，其组装在复合部件128上方以将半径填料元件200封装在半径腔140内。如上所述，在已固化复合桁条114的制造期间，复合基部构件122和复合条带152包括复合板层124，该复合板层各自包含干纤维材料126(例如，干纤维预成型件)。复合板层124可由增强纤维制成，这些增强纤维可布置为单向纤维、纺织布或呈其他纤维布置。复合基部构件122和呈固体形式的半径填料元件200的组合限定了未固化结构组件120。如以下更详细描述的，将树脂190(诸如热固性树脂或热塑性树脂)注入到结构组件120的干纤维材料126(例如，图9至图10)中，在此之后使树脂190固化(例如，针对热固性树脂)或凝固(例如，针对热塑性树脂)，以产生已固化复合桁条114。
图5的已固化复合结构110可通过进行树脂注入和固化或凝固过程来生产，其中多个结构组件120安装到复合蒙皮面板150，该复合蒙皮面板铺设有由干纤维材料126形成的复合板层124。替代地，图5的已固化复合结构110可通过作为与复合桁条114的铺设、固化或凝固分开的操作铺设和固化或凝固复合蒙皮面板150来生产。例如，复合蒙皮面板150可通过铺设和固化或凝固预浸料复合板层(即预浸渍有树脂190的增强纤维)或由干纤维材料126形成的复合板层124(其稍后用树脂190注入)来生产。复合桁条114可通过铺设、注入以及固化或凝固多个未固化结构组件120(例如，图9至图10)以形成对应的多个已固化复合桁条114来单独生产。已固化复合桁条114可随后结合到复合蒙皮面板150。在本公开中，术语“已固化复合结构”涵盖包含已固化热固性树脂的已固化复合结构110，并且还涵盖包含已凝固热塑性树脂的已固化复合结构110。已固化复合结构110包括嵌入树脂190中并包含至少一个半径填料元件200的增强纤维。
参考图6至图7，在图6中示出了已固化复合桁条114的示例的放大图。图7是图6的复合桁条114的分解图，示出了包含半径填料元件200的半径腔140。如上所述，复合基部构件122可由两个复合部件128形成，该两个复合部件构造为相对彼此以背对背关系布置的复合通道130。在图6至图7中，复合部件128(例如，复合通道130)各自具有L形横截面，其在组装时限定已固化复合结构110(例如，复合桁条114)的T形横截面170(例如，叶片部分)。然而，如上所述，在其他示例中(例如，图28至图30)，复合基部构件122的一个或多个复合部件128可具有C形横截面、Z形横截面或多种替代横截面形状中的任何一种。复合基部构件122的复合通道130可组装以形成多种不同横截面形状中的任何一种，诸如J形横截面172(图28)、I形横截面174(图29)或帽形横截面(图30)。
仍参考图6至图7，每个复合部件128具有腹板部分132和至少一个凸缘部分136。每个腹板部分132和凸缘部分136通过倒圆的腹板-凸缘过渡部138互连。当复合部件128以背对背关系组装时，背对背复合部件128的腹板-凸缘过渡部138限定上述半径腔140。为了改善已固化复合结构110的强度特性，用呈固体形式的半径填料元件200填充半径腔140。半径填料元件200由半径填料热塑性材料或半径填料热固性材料形成，如下所述。半径腔140具有相对的半径腔表面142。半径填料元件200具有半径填料侧表面204，其包括通过平坦表面208互连的相对凹形表面206。半径填料元件200的凹形表面206构造为与半径腔140的半径腔表面142互补。半径腔表面142和半径填料侧表面204限定介于半径填料元件200和复合基部构件122之间的侧表面界面210。
如上所述，半径填料元件200由半径填料材料202形成，该半径填料材料在整个半径填料元件200中可为均质的。在一些示例中，半径填料元件200可包括可在整个半径填料元件200中随机取向的短切纤维。替代地或附加地，半径填料元件200可包括填料材料或用于改善已固化复合结构110的机械性能的其他成分。半径填料元件200可没有沿半径填料元件200的纵向方向延伸的单向增强纤维。半径填料元件200中不存在单向增强纤维可降低半径填料元件200的负载承载能力(包括沿纵向方向的负载承载能力)。就这一点而言，半径填料元件200可描述为非结构性的，因为半径填料元件200对已固化复合结构110的轴向强度、轴向刚度和/或弯曲刚度可具有相对较低或可忽略的贡献。
如以下更详细描述的，在树脂注入和固化或凝固过程期间，半径填料元件200由于在复合基部构件122的树脂190和半径填料元件200的半径填料材料202之间发生的化学反应而结合到复合基部构件122。更具体地，树脂190包含与呈固体形式的半径填料材料202发生化学反应的溶剂192(例如，图22)。在一个示例中，溶剂192可使半径填料元件200的半径填料材料202的一部分化学地熔化或部分地溶解。溶剂192和半径填料材料202之间的化学反应产生树脂190和半径填料材料202的混合物194(例如，图22)。混合物194出现在混合区196(图22)内，该混合区沿着或靠近限定半径填料元件200的周边的半径填料侧表面204延伸。
如下所述，在树脂190的固化或凝固期间，树脂190中的溶剂192蒸发，从而导致混合区196(例如，图22)内的混合物194(例如，图22)硬化，并且这导致半径填料元件200沿着侧表面界面210结合到复合基部构件122。就这一点而言，已硬化混合物194在结构上将半径填料元件200与复合基部构件122整合在一起。围绕半径填料元件200的混合区196可限定为位于半径填料元件200与复合基部构件122之间的侧表面界面210处的结合层。在图22中，混合区196以放大的厚度示出。就这一点而言，每个混合区196可相对于半径填料元件200的整体横截面宽度和横截面高度是薄的。例如，对于宽度(即，平坦表面208的宽度—图7)约为0.5英寸且从平坦表面208(图7)到凹形表面206(图7)的相交点测量的高度约为0.5英寸的半径填料元件200，混合区196沿三个半径填料侧表面204(图7)可各自具有小于0.10英寸的厚度。然而，在其他示例中，每个混合区196可具有大于0.10英寸的厚度。半径填料元件200和复合基部构件122可在由每个混合区196限定的结合层处熔合在一起。当在横截面中观察时(例如，图22)，由每个混合区196限定的熔合结合层可描述为混合且模糊的。半径填料元件200和复合基部构件122之间的结合层的混合性质显著减小或消除了在结合层处产生裂纹的可能性，这显著改善了已固化复合结构110的强度和耐久性特性。
如上所述，注入到复合基部构件122中的树脂190可为热塑性树脂或热固性树脂。注入到复合基部构件122中的热塑性树脂可包括多种材料中的任何一种，包括但不限于，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、共聚材料、丙烯酸树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜和聚苯砜。注入到复合基部构件122中的热固性树脂可包括多种材料中的任何一种，包括但不限于，聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷。复合基部构件122的增强纤维可由聚合物材料(例如，塑料)、玻璃、陶瓷材料、碳(例如，石墨)、金属材料或其任意组合形成。铺设有由预浸料复合材料形成的复合板层124的复合基部构件122可由任何纤维/树脂材料的组合制成，包括但不限于玻璃纤维/环氧树脂、碳/环氧树脂、碳/双马来酰亚胺以及玻璃纤维/酚醛树脂。
如上所述，注入到复合基部构件122中的树脂190包含构造为与半径填料材料202发生化学反应的溶剂192。在一个示例中，树脂190可为极性非质子溶剂，诸如丙酮。如上所述，半径填料材料202是半径填料热塑性材料或半径填料热固性材料。半径填料热塑性材料可设置为各种组合物中的任何一种，包括但不限于，丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、共聚材料。半径填料热固性材料也可设置为各种组合物中的任何一种，包括但不限于，聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、乙烯基酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷。在半径填料热塑性材料的示例中，注入到复合基部构件122中的树脂190中的丙酮可与半径填料元件200的ABS热塑性材料和/或PLA热塑性材料发生化学反应(例如，化学熔融)，以有助于将半径填料元件200结合到复合基部构件122。在半径填料热固性材料的示例中，注入到复合基部构件122中的树脂190中的丙酮可与半径填料元件200的聚氨酯热固性材料发生化学反应(例如，化学熔融)，以有助于将半径填料元件200结合到复合基部构件122。
有利地，沿着半径填料元件200的轴向或纵向方向，半径填料元件200的半径填料材料202的杨氏模量(即，弹性模量)小于复合基部构件122(例如，已固化复合结构)的杨氏模量。替代地或附加地，半径填料材料202具有的失效时伸长率(例如，沿着轴向或纵向方向)高于已固化复合结构110的复合基部构件122的失效时伸长率。在本公开中，横向方向垂直于半径填料元件200的轴向或纵向方向。半径填料材料202比已固化复合结构110的复合基部构件122更软和/或更具延展性，并且如下所述，这可导致半径填料元件200更不容易破裂。
通过由具有的杨氏模量低于复合基部构件122的杨氏模量的半径填料材料202形成半径填料元件200，已固化复合结构110(例如，图5)可在负载的方向上(例如，沿纵向方向)显著变形(例如，拉伸)，而不会使半径填料元件200失效。半径填料元件200的失效可包括微裂，在加载时其可能损坏复合结构的结构完整性。此外，半径填料元件200的这种微裂可传播到半径填料元件200与复合基部构件122之间的侧表面界面210(例如，图7)。已固化复合结构110的加载可包括在投入使用时施加到已固化复合结构110的负载。在飞机100(图1)的复合机翼面板112(图1至图2)的示例中，此类负载可包括施加在复合机翼面板112上的飞行负载。替代地或附加地，在已固化复合结构110从升高的固化温度(例如，针对热固性树脂)或凝固温度(例如，针对热塑性树脂)冷却至室温时，由于在固化(例如，化学收缩)期间和/或在冷却(例如，热收缩)期间半径填料材料202相对于复合基部构件122的异收缩，因此可发生已固化复合结构110的加载。在使用时，已固化复合结构110的加载也可由于半径填料材料202相对于已固化复合结构110的复合基部构件122的异热膨胀或收缩而发生。在飞机100的示例中，由于环境空气温度的变化，可发生热膨胀或收缩，诸如当地面上的飞机100(例如，高达100°F)爬升至具有较低环境空气温度(例如，低至-70°F)的巡航高度时，可发生环境空气温度的变化。
在复合结构中，沿着侧表面界面210的破裂可损坏复合结构的负载承载能力。例如，在侧表面界面210处的破裂可损坏复合结构承受由复合桁条114施加在复合蒙皮面板150上的拉脱负载400(图5)的能力。如图5所示，拉脱负载400可垂直于复合蒙皮面板150的平面取向，并且能以使复合基部构件122与复合蒙皮面板150分离或脱离的倾向促使复合基部构件122远离复合蒙皮面板150。有利地，在本公开中，由具有的杨氏模量低于复合基部构件122的杨氏模量的半径填料材料202形成半径填料元件200允许已固化复合结构110(例如，图5)显著地拉紧，而半径填料元件200不承载一些负载。就这一点而言，当前公开的半径填料元件200具有减小的破裂风险，这由此改善了已固化复合结构110的强度和耐久性。尽管在一些示例中，半径填料元件200可不具有单向增强纤维(未示出)，但在其他示例中，如果此类增强纤维导致半径填料元件200的杨氏模量与已固化复合结构110的复合基部构件122的杨氏模量相对紧密地匹配(例如，在10％以内)，半径填料元件200可包括单向增强纤维。例如，半径填料元件200可以包括由具有的杨氏模量低于复合基部构件122中的碳纤维的杨氏模量的玻璃形成的单向增强纤维。
作为上述杨氏模量关系的替代或补充，半径填料元件200可描述为其失效时伸长率(例如，沿纵向方向)大于复合基部构件122的失效时伸长率。失效时伸长率可限定为部件(未示出)在破裂点的长度增加率(即，从其原始长度)，并且是部件在破裂之前的拉伸能力的量度。在本公开中，相对于复合基部构件122的失效时伸长率而言的半径填料元件200的高失效时伸长率表示半径填料元件200的相对于复合基部构件122的轴向刚度而言减小的轴向刚度。在联接到复合蒙皮面板150的复合桁条114(如图5所示)的背景下，半径填料元件200的相对较高的失效时伸长率意味着复合桁条114可大量地轴向拉紧，而没有半径填料元件200失效(例如，破裂)的风险。此外，本公开的半径填料元件200允许在复合桁条114的终端处减小轴向刚度，这减小或防止了在复合蒙皮面板150中在复合桁条114的终端位置处出现应力集中。此外，具有由半径填料材料202形成的半径填料元件200的已固化复合结构110(例如，复合桁条114)在重量上可比具有由层压碳-环氧树脂复合板层(未示出)形成的常规半径填料的可比较复合结构更轻。
图8是制造已固化复合结构110(例如，图5)的方法500中包括的操作的流程图。在制造复合桁条114(例如，图5)的背景下描述了方法500。然而，方法500也可实施为用于制造各种尺寸、形状和构造中的任一种的已固化复合结构110。在一个示例中，方法500可实施为用于制造具有多个复合桁条114的机翼面板112(例如，图5)。
参考图9至图12，方法500的步骤502包括，将半径填料元件200放置到半径腔140中，该半径腔沿着由包括增强纤维的干纤维材料126形成的复合基部构件122的长度延伸。如上所述，复合基部构件122由干纤维材料126的一层或多层或复合板层124形成。干纤维材料126的每个复合板层124(例如，图5至图7)由增强纤维制成，这些增强纤维可呈纺织形式(例如，90度纺织)、编织形式、非纺织垫或布，或者增强纤维能以其中增强纤维彼此平行的单向布置来设置。复合基部构件122的增强纤维和/或复合板层124可在注入树脂190之前和/或期间保持在一起。例如，复合基部构件122的增强纤维可缝合、装钉或粘合(例如，通过增粘剂)在一起，并且以彼此并排的关系层压和/或布置。尽管未示出，但在一些示例中，复合基部构件122可包括位于干纤维材料126的一层或多层或复合板层124的顶部上或其内部的粘合剂的薄网或薄纱(未示出)。粘合剂的这种薄网或薄纱可防止复合基部构件122的层或复合板层124在铺设和树脂注入期间移位。
参考图9至图10，在图9中示出了结构组件120的示例的分解透视图，该结构组件具有复合基部构件122，该复合基部构件包括背对背复合部件128，这些背对背复合部件构造为各自由干纤维材料126形成并具有半径腔140的L形通道，如上所述。还示出了半径填料元件200，该半径填料元件由呈固体形式的半径填料材料202制成以用于安装在半径腔140中。如上所述，半径填料材料202呈固体形式，并且包括已凝固半径填料热塑性材料或已固化半径填料热固性材料。在所示的示例中，半径填料元件200是沿着复合基部构件122的长度连续地延伸的连续半径填料元件200。图10是图9的结构组件120的组装图，示出了安装在复合基部构件122的半径腔140内的半径填料元件200。
参考图11至图12，在一些示例中，将半径填料元件200插入到半径腔140中的步骤502可包括，将多个半径填料段220插入到半径腔140中。图11示出了复合基部构件122和多个半径填料段220的示例，每个半径填料段由半径填料材料202形成并构造为以首尾相连布置插入到半径腔140中。图12是图11的结构组件120的组装图，示出了处于首尾相连布置以在复合基部构件122的半径腔140内形成段序列226的半径填料段220。尽管图11至图12示出了用于安装到半径腔140中的三(3)个半径填料段220，但任何数量的半径填料段220能以首尾相连关系安装在半径腔140内。各个半径填料段220的长度可基于与半径填料段220的制造、处理和/或安装相关联的实用性。在一个示例中，半径填料段220各自能以3-15英尺的长度设置，以允许手动处理各个半径填料段220并将各个半径填料段安装到半径腔140中。然而，一个或多个半径填料段220能以短于3英尺或长于15英尺的长度设置。各个半径填料段220的长度可部分地基于复合基部构件122的总长度，在一些示例中(例如，复合机翼面板112)，该复合基部构件的总长度可超过100英尺。
在图11至图12中，半径填料段220可插入到半径腔140中，使得端表面224彼此紧密地靠近。例如，半径填料段220可布置在半径腔140中，以在首尾相连对的半径填料段220的段端部222之间产生相对较小的间隙(例如，小于0.010英寸)。替代地，半径填料段220可插入到半径腔140中，使得段端部222彼此邻接接触。无论是存在间隙还是段端部222邻接接触，相对段端部222都限定介于相邻对的半径填料段220之间的首尾相连界面228(例如，图11)。如以下更详细描述的，注入到复合基部构件122中的树脂190(例如，图5)中的溶剂192在端表面224处与半径填料材料202发生化学反应，从而在每相邻对的半径填料段220之间的首尾相连界面228处形成树脂190和半径填料材料202的混合物194(例如，图25)。混合物194中的溶剂192的蒸发和树脂190的随后硬化可使相邻对的半径填料段220的段端部222熔合在一起并导致首尾相连的半径填料段220限定连续的半径填料元件200。
在未示出的示例中，半径填料段220的段端部222可包括用于使首尾相连对的半径填料段220的段端部222互连的互锁特征部。例如，将半径填料段220插入到半径腔140中可包括，使一个半径填料段220的段端部222上的互锁特征部与先前安装在半径腔140中的另一个半径填料段220的段端部222上的互锁特征部接合。段端部222的互锁可确保相对的成对的首尾相连半径填料段220的端表面224彼此接触，以改善由树脂190与半径填料材料202在段端部222处的化学反应所提供的熔合在一起。有利地，在树脂注入期间，互锁特征部还可防止半径填料段220的位置在半径腔140内相对于彼此纵向移位。在一个示例中，互锁特征部能以鸠尾榫构造来设置。例如，一个半径填料段220的段端部222可包括具有鸠尾榫构造的突出突片(未示出)，该突片构造为嵌套在相邻半径填料段220的段端部222中的以鸠尾榫构造形成的凹口或凹陷(未示出)内。然而，互锁特征部可不受限制地以各种替代形状和构造中的任何一种来设置。
方法500可包括，经由机加工、三维印刷、模具挤出、注塑成型和/或各种其他制造技术中的任何一种来制造半径填料元件200或半径填料段220。三维印刷可包括对半径填料元件200或多个半径填料段220进行增材制造，诸如通过立体光刻、选择性激光烧结、熔融长丝制造或其他增材制造技术。有利地，三维印刷和/或注塑成型允许将半径填料元件200或多个半径填料段220制造为紧密地匹配半径腔140的工程模型(例如，计算机辅助设计模型)中限定的横截面形状和尺寸。
参考图13至图16，示出了复合基部构件122和半径填料元件200的示例，其中横截面形状在沿着复合基部构件122的纵向方向的不同位置处是不同的。图13是复合桁条114的示例的横截面图，该复合桁条具有背对背的复合部件128，每个复合部件包括垂直于凸缘部分136取向的腹板部分132。图14是图13的半径填料元件200的放大图。图15是相同复合桁条114在不同纵向位置处的横截面图，示出了以不垂直于凸缘部分136的局部腹板角134取向的复合基部构件122的腹板部分132。图16是示出了半径填料元件200的横截面形状的放大图，该半径填料元件的横截面形状不同于图14中的半径填料元件200的横截面形状。在本示例中，半径腔140的横截面形状在沿着复合基部构件122的长度的两个或更多个位置处是不同的，如图13至图15所示，制造半径填料元件200的方法500可包括，制造具有与半径腔140的横截面形状互补的横截面形状的半径填料元件200。例如，半径填料元件200可制造为匹配复合基部构件122的腹板部分132的变化腹板角度。在一些示例中，沿半径腔140的长度的横截面形状的变化(例如，局部腹板角134的变化)可足够小，以允许使用具有基本上恒定的横截面形状的半径填料元件200。在这种情况下，半径填料元件200可诸如通过使用模具挤出工艺制造为具有恒定横截面形状。
除了制造半径填料元件200以匹配半径腔140的横截面形状外，该方法还可包括，制造半径填料元件200以匹配半径腔140的横截面尺寸或横截面面积，使得半径填料元件200的总体积基本上等于在复合基部构件122固化后的半径腔140的体积。在一些示例中，半径填料元件200可考虑到复合基部构件122的树脂收缩(例如，固化收缩)的横截面尺寸和/或形状来制造。替代地，对于其中半径腔140的横截面形状和横截面尺寸沿着复合基部构件122的纵向方向基本上恒定的一些示例，半径填料元件200可制造为具有沿复合基部构件122的纵向方向变化(例如，渐缩或减小)的横截面面积，作为增加将半径填料元件200沿已固化复合结构110的纵向方向结合到复合基部构件122的混合区196(图20)的相对尺寸的方式。替代地或附加地，半径填料元件200的横截面面积可沿着已固化复合结构110的长度变化或可基本上恒定，并且混合区196的横截面面积能以一定方式变化，使得半径填料元件200的横截面面积与混合区196的横截面面积的百分比沿着已固化复合结构110的纵向方向变化。就这一点而言，将半径填料元件200结合到复合基部构件122的混合区196可沿纵向方向相对于半径填料元件200的横截面面积变化。
有利地，半径填料材料202由已凝固半径填料热塑性材料或已固化半径填料热固性材料形成，并且因此对外置时间(out-time)和温度相对不敏感，这与可需要在相对较低的温度下储存以防止预浸料热固性材料在铺设和最终固化之前过早固化的预浸料热固性材料(例如，未固化预浸料复合板层)不同。鉴于半径填料材料202对外置时间和温度的不敏感性，半径填料元件200或半径填料段220的制造可在场外以及需要在生产设施处与复合基部构件122组装之前执行。如本领域中已知的，热固性复合预浸料的外置时间可描述为可将复合预浸料材料从冷库中取出并暴露于环境温度的时间量，并且这通常会减小复合预浸料的保存期限。通过形成半径填料材料202的半径填料元件200提供的另一优点是将半径填料元件200制造为如上所述的具有相对较短长度的多个半径填料段220的能力。以短长度制造半径填料段220的能力可有利于在场外制造半径填料段220且然后将半径填料段220运输到生产设施，由此节省宝贵的地面空间并消除与用于制造半径填料段220的现场设备相关的设备成本。
简要地参考图17，示出了未固化结构组件120的示例，该结构组件包括呈背对背复合通道130形式的复合基部构件122。此外，未固化结构组件120包括填充复合基部构件122的半径腔140的半径填料元件200以及用于将半径填料元件200封闭在复合基部构件122的半径腔140内的复合条带152。如上所述，复合基部构件122和复合条带152由干纤维材料126形成。在未示出的示例中，作为复合条带材152的替代，未固化结构组件120可包括其中多个复合基部构件122和对应半径填料元件200可联接到的复合蒙皮面板150(例如，图27)。如上所述，复合蒙皮面板150可使用干纤维材料126来铺设。
参考图18至图20，方法500的步骤504包括，将树脂190注入到复合基部构件122的干纤维材料126中。图18示出了在使用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)来注入树脂之前真空袋装到固化工具300的图17的结构组件120。该装置可包括一个或多个垫板304，该垫板可任选地定位在复合基部构件122上，以用于在复合基部构件122上施加均匀的压紧压力312(例如，图20)。例如，图18示出了分别定位在复合基部构件122的复合通道130上的一对L形垫板304。真空袋306和一个或多个处理层(例如，通气层、释放层—未示出)可放置在垫板304和结构组件120上方，以促进复合基部构件122的树脂注入和固化(例如，对于热固性树脂)或凝固(例如，对于热塑性树脂)。可使用边缘密封件308(诸如胶带密封剂或粘性胶带)将真空袋306的周边密封到固化工具300。真空配件(未示出)可联接到真空袋306并可流体地连接到诸如真空泵(未示出)的真空源310。一个或多个注入端口316也可联接到真空袋306，以用于附接相应数量的注入导管318，该注入导管流体地连接到包含树脂190的树脂容器302，以用于真空辅助注入到复合基部构件122中。尽管未示出，但图18的装置可定位在高压釜中，以用于结构组件120的树脂注入以及固化或凝固。在其他示例中，结构组件120可在高压釜外过程中注入以及固化或凝固。
图19是由图18的复合基部构件122的周围结构封装的半径填料元件200的放大图。更具体地，半径填料元件200被捕获在复合通道130和复合条带152的干纤维材料126的一个或多个复合板层124之间。如上所述，每个复合通道130具有将复合通道130的腹板部分132和凸缘部分136互连的腹板-凸缘过渡部138。如图19所示，半径填料元件200的每一侧上的凹形表面206成形为与腹板-凸缘过渡部138的半径腔表面142互补。半径填料元件200可具有这样的横截面尺寸和形状，使得凹形表面206分别与复合通道130的腹板-凸缘过渡部138的半径腔表面142处于紧密接触关系。在未示出的其他示例中，在树脂注入之前，凹形表面206中的一者或两者与腹板-凸缘过渡部138中的对应一者之间可存在相对小的间隙(例如，小于0.010英寸)。半径填料元件200的平坦表面208也可与复合条带152或复合面板(未示出)的面板表面154处于紧密接触关系。替代地，在树脂注入之前，在半径填料元件200的平坦表面208与复合条带152或复合面板的面板表面154之间可存在小间隙(例如，小于0.010英寸—未示出)。
图20是结构组件120的横截面图，示出了经由真空源310在真空袋306上施加真空压力，以抵靠固化工具300将压紧压力312施加到结构组件120。还示出了将树脂190从树脂容器302真空辅助抽吸到结构组件120中，以将树脂190注入到复合基部构件122的干纤维材料126中。可注入树脂190，直到实现干纤维材料126的润湿，并且树脂190基本上均匀地分布在整个复合基部构件122上。在图20中还示出了施加用于固化结构组件120可能需要的热量314。如上所述，树脂190可为热固性树脂或热塑性树脂。热固性树脂可在室温下以液态提供。为了促进固化，树脂190可任选地从环境温度(例如，68°F的室温)加热至热固性树脂开始交联并聚合的凝固温度和/或固化温度。
在一些示例中，树脂190可在多阶段固化过程中固化，在多阶段固化过程中，将热固性树脂从环境温度加热至第一温度(例如，中间温度)并保持第一保持时间段，以允许复合基部构件122在多阶段固化的第一阶段期间凝固和除气。在第一保持时间段之后，方法可进一步包括，将复合基部构件122从第一温度加热到第二温度，该第二温度可为热固性树脂的固化温度。在多阶段固化过程的第二阶段期间，可将第二温度保持第二保持时间段。第二阶段可允许热固性树脂固化以形成已固化复合结构110，然后可将其主动和/或被动地冷却回到室温。在其中树脂190是热固性树脂的两阶段固化过程的具体示例中，在第一阶段期间，可将结构组件120加热到260-290°F的第一温度并持续170-190分钟的第一保持时间段。在第二阶段期间，可将结构组件120从第一温度加热到340-370°F的第二温度并持续80-100分钟的第二保持时间段。在一个优选示例中，在第一阶段期间，第一温度可在270-280°F的范围内并持续175-185分钟的第一保持时间段。在第二阶段期间，第二温度可在350-360°F的范围内并保持85-95分钟的第二保持时间段。
对于向结构组件120注入热塑性树脂的示例，可需要施加热量314以将热塑性树脂的粘度降低至液态，以允许将热塑性树脂从树脂容器302真空辅助抽吸到复合基部构件122中。热量314也可施加到结构组件120，以促进树脂注入和复合基部构件122的干纤维材料126的润湿。不管树脂190是热塑性树脂还是热固性树脂，都可通过各种不同机制中的任何一种施加热量314，这些机制包括但不限于强制空气加热、对流加热、感应加热或其他类型的加热。
参考图21，示出了由图20的复合基部构件122的周围结构封装的半径填料元件200的放大图，并且示出了注入到复合基部构件122和复合条带152的干纤维材料126中的树脂190。如下所述，在树脂190(例如，热固性树脂或热塑性树脂)的注入和固化期间，树脂190中的溶剂192沿着半径填料元件200的凹形表面206与复合通道130的腹板-凸缘过渡部138的半径腔表面142之间的侧表面界面210与半径填料材料202发生化学反应。此外，树脂190中的溶剂192在半径填料元件200的平坦表面208与复合条带152或复合面板(未示出)的面板表面154之间与半径填料材料202化学反应。
尽管在真空辅助树脂传递模塑(VARTM)的背景下描述了将树脂190注入到复合基部构件122中的步骤504，但可使用各种替代机制中的任何一种将树脂190注入到复合基部构件122的干纤维材料126中。例如，可使用常规树脂传递模塑(RTM)工艺来注入树脂190，其中将树脂190以液体形式(例如，从树脂容器302中)注入或泵入到干纤维材料126中，直到基本上均匀地分布在整个复合基部构件122中。在本文公开的任何示例中，树脂190可注入到支撑在单侧模具(诸如图18和图20所示的固化工具300)上的复合基部构件122中。在未示出的替代示例中，树脂190可注入到封装在闭合模具内的复合基部构件122中，该闭合模具可包括组装在一起的两(2)个固化工具(未示出)。在另一个示例中，可使用树脂膜注入(RFI)将树脂190注入到复合基部构件122的干纤维材料126中，该树脂膜注入可包括施加一层或多层树脂膜(未示出)，这些树脂膜直接铺设在复合基部构件122的干纤维材料126的复合层下面、其顶部上和/或在其内部交错。热量314的施加可减小树脂膜的粘度，同时施加真空压力来作为将树脂基本上均匀地注入到整个干纤维材料126中的方式。在又一个示例中，可使用批量树脂注入(BRI)工艺将树脂190注入到复合基部构件122的干纤维材料126中，该批量树脂注入工艺可涉及加热呈凝胶或固体形式并相对于复合基部构件122的一侧以非接触相邻关系定位的批量树脂(未示出)。施加热量314(例如，图20)可将批量树脂190的粘度降低至液态。施加真空压力可将液态树脂190抽吸到干纤维材料126中，直到基本上均匀地分布在整个复合基部构件122中。
参考图22，方法500的步骤506包括，使树脂190(例如，溶剂192)与半径填料材料202发生化学反应，以便在混合区196内产生树脂190和半径填料材料202的混合物194，该混合区在图22中以放大的宽度或厚度示出。如上所述，混合区196可沿着侧表面界面210定位在半径填料元件200和复合基部构件122之间。溶剂192可描述为构造成使与溶剂192进行接触的半径填料材料202至少部分地化学溶解和/或至少部分地化学熔化的化学反应物。树脂190中的溶剂192可沿着半径填料元件200与复合基部构件122之间的半径填料元件侧表面204使半径填料元件200的至少一部分化学地熔化。
方法500的步骤508包括使树脂190固化。对于热固性树脂，固化可通过施加热量314(例如，图20)和/或通过将硬化剂或催化剂添加至树脂190以引发热固性树脂的聚合(例如，交联)来引发。替代地或附加地，可通过施加辐射(例如，电子束、x射线、微波、紫外线等)来引发或促进热固性树脂的固化。对于热塑性树脂，可施加热量314以将树脂190的粘度从凝胶或固体状态降低到液态，以允许如上所述的树脂注入。在热固性树脂或热塑性树脂基本上均匀地分布在复合基部构件122的整个干纤维材料126(例如，图19)中之后，并且在树脂190中的溶剂192与半径填料材料202发生化学反应之后，可允许结构组件120冷却以产生已固化复合结构110(例如，图5)。在树脂注入和固化或凝固期间，可向真空袋306(例如，图20)施加真空压力以施加压紧压力312(例如，经由垫板304—图20)，从而用于固结结构组件120。如上所述，固化或凝固过程可在高压釜中执行，或者固化或凝固可在高压釜外过程中(诸如在烤箱中)执行。
参考图22，方法500的步骤510包括，允许树脂190中的溶剂192蒸发或闪蒸，从而导致混合物194硬化并且半径填料元件200结合到复合基部构件122，并且产生已固化复合结构110(例如，图5)。溶剂192的蒸发可以与树脂190的固化或凝固同时发生。在其他示例中，溶剂192的蒸发的时间段可至少部分地与树脂190的固化或凝固的时间段重叠。如上所述，溶剂192的蒸发导致围绕半径填料元件200的混合区196内的混合物194的硬化。混合物194的硬化导致半径填料元件200与复合基部构件122沿着侧表面界面210的结构整合。混合物194可产生沿着侧表面界面210的混合结合层，其中半径填料元件200熔合到复合基部构件122。有利地，半径填料元件200和复合基部构件122之间的混合结合层显著减小了在结合层中产生裂纹的可能性，这导致已固化复合结构110的强度和耐久性的显著改善。
参考图22，在一些已固化复合结构110的示例中，混合物194在硬化时可具有比半径填料元件200的半径填料材料202和固化时的复合基部构件122(例如，没有半径填料材料202)中的较弱者更高的强度。在其他已固化复合结构110的示例中，混合物194在硬化时可具有比半径填料材料202或固化时的复合基部构件122(例如，没有半径填料材料202)中的任一者更高的强度。如图22的横截面图所示，沿着每个侧表面界面210的树脂190和半径填料材料202的混合物194可作为树脂浓度的梯度出现。例如，混合区196可具有靠近复合基部构件122的树脂190的较高浓度以及靠近半径填料元件200的树脂190的较低浓度的梯度。
参考图23至图25，在图23中示出了具有半径填料元件200的结构组件120的示例的侧视截面图，该半径填料元件包括类似于图11至图12所示的上述示例的以首尾相连布置的多个半径填料段220。在图23中，半径填料段220被捕获在复合基部构件122和复合条带152之间，该复合条带支撑在如图20所示的固化工具300上。图24是结构组件120的一部分的放大图，示出了一对首尾相连半径填料段220的段端部222。真空袋306将结构组件120密封到固化工具300，并且在将树脂190(例如，图25)注入到复合基部构件122的干纤维材料126中期间施加压紧压力312和热量314。
对于图23至图25所示的首尾相连半径填料段220的布置，使树脂190(例如，图25)与半径填料元件200发生化学反应的步骤506可包括，使树脂190与首尾相连对的多个半径填料段220的段端部222发生化学反应，以将段端部222结合在一起，并且由此形成连续的半径填料元件200。更具体地，树脂190在段端部222处与半径填料材料202发生化学反应，从而在相邻对的端表面224之间形成上述混合物194。图25是一对首尾相连半径填料段220的相邻端表面224的一部分的放大图。在将树脂注入复合基部构件122期间，毛细作用可在相邻对的首尾相连半径填料段220的端表面224之间抽吸一些树脂190并可形成围绕每个段端部222的混合区196。
允许溶剂192蒸发的上述步骤510可包括，允许溶剂192使端表面224之间的树脂190蒸发，从而导致半径填料段220的每个首尾相连对之间的树脂190和半径填料材料202的混合物194硬化，并且由此将半径填料段220结合在一起。使树脂190与半径填料材料202发生化学反应并使所得混合物194在相邻半径填料段220的段端部222之间硬化的过程类似于上述方式，其中已硬化混合物194将半径填料侧表面204结合到复合基部构件122。将半径填料段220结合在一起可产生可沿着复合基部构件122的长度延伸的连续半径填料元件200。就这一点而言，在每个首尾相连界面228处，可形成混合结合层，这可减小裂纹的可能性，否则裂纹可能在复合基部构件122中在相邻对的半径填料段220之间的段端部222的位置处产生。
参考图26，示出了未固化结构组件120(例如，复合桁条114)的示例，该未固化结构组件包括由干纤维材料126形成的复合基部构件122并且包含由半径填料材料202形成的半径填料元件200。图27示出了通过将图26的多个结构组件120与复合蒙皮面板150共固化或共结合而产生的已固化复合结构110的示例。为了生产图26的已固化复合结构110，可将复合蒙皮面板150和结构组件120放置在固化工具300(未示出)上，并且用真空袋306覆盖，类似于图18和图20所示的上述示例。树脂190能以如上文针对图18和图20所示的复合桁条114描述的相同方式注入结构组件120的干纤维材料126和复合蒙皮面板150的干纤维材料126中。树脂190中的溶剂192与每个半径填料元件200的半径填料材料202发生化学反应，从而沿侧表面界面210在复合基部构件122和复合蒙皮面板150与每个结构组件120的半径填料元件200之间产生树脂190和半径填料材料202的混合物194。在溶剂192蒸发以及混合物194硬化之后，每个半径填料元件200化学地结合到复合基部构件122和复合蒙皮面板150。
所得的已固化复合结构110包括复合蒙皮面板150和多个复合基部构件122，该复合基部构件包括嵌入树脂190中的增强纤维。半径填料元件200封装在复合蒙皮面板150和每个复合基部构件122之间。如上所述，每个半径填料元件200是均质的并由半径填料材料202形成。已固化复合结构110包括混合区196(例如，图22)，该混合区将每个半径填料元件200的半径填料侧表面204(例如，图20)结合到对应的复合基部构件122和复合蒙皮面板150。如上所述，每个混合区196(例如，图22)是树脂190和半径填料材料202的已硬化混合物194。如上所述，图27示出了可使用上述方法来制造的已固化复合结构110的一个示例。然而，已固化复合结构110可以是各种不同类型的结构、系统和/或交通工具中的任何一种的一部分。在图1至图2所示的飞机100的背景下，已固化复合结构110可以是复合桁条114或复合翼梁116或各种其他飞机部件中的任一者。
如上所述，图28至图30示出了通过对于复合基部构件122使用不同横截面的复合通道130而产生的已固化复合结构110的不同横截面构造的非限制性示例。例如，图28示出了通过将Z形复合通道130与L形复合通道130组装而形成的具有J形横截面172的已固化复合结构110的示例。图29示出了通过相互以背对背关系组装一对C形复合通道130而形成的具有I形横截面174的已固化复合结构110的示例。图30示出了通过组装初级层压件178、包裹层压件180和复合条带152以共同封装一对半径填料元件200而形成的具有帽形横截面176的已固化复合结构110的示例。
另外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种已固化复合结构(110)，包括：
飞机(100)的复合桁条(114)或复合翼梁(116)中的一者，包括：
复合基部构件(122)，所述复合基部构件包括嵌入到树脂(190)中的增强纤维并具有沿所述复合基部构件(122)的长度延伸的半径腔(140)；
半径填料元件(200)，所述半径填料元件沿着所述半径腔(140)的长度连续地延伸并具有半径填料侧表面(204)，所述半径填料元件(200)是均质的并由半径填料材料(202)形成；以及
混合区(196)，所述混合区将所述半径填料侧表面(204)结合到所述复合基部构件(122)并包括所述树脂(190)和所述半径填料材料(202)的已硬化混合物(194)。
条款2.一种制造复合结构的方法，包括：
将半径填料元件(200)放置到半径腔(140)中，所述半径腔沿着由包括增强纤维的干纤维材料(126)形成的复合基部构件(122)的长度延伸，所述半径填料元件(200)由半径填料材料(202)形成；
将树脂(190)注入到所述干纤维材料(126)中；
使所述树脂(190)与所述半径填料材料(202)发生化学反应，以沿着所述半径填料元件(200)和所述复合基部构件(122)之间的侧表面界面(210)产生所述树脂(190)和所述半径填料材料(202)的混合物(194)；
使所述树脂(190)固化或凝固；以及
允许所述树脂(190)中的溶剂(192)蒸发，从而导致所述混合物(194)硬化并将所述半径填料元件(200)结合到所述复合基部构件(122)，并且产生已固化复合结构(110)。
条款3.根据条款2所述的方法，其中所述半径填料材料(202)是以下中的一者：
半径填料热塑性材料，所述半径填料热塑性材料包括以下中的至少一者：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、共聚材料；
半径填料热固性材料，所述半径填料热固性材料包括以下中的至少一者：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、乙烯基酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷。
条款4.根据条款2所述的方法，其中：
注入到所述复合基部构件(122)中的所述树脂(190)包括热固性树脂和热塑性树脂中的一者；
所述热塑性树脂包括以下中的一者：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、共聚材料、丙烯酸树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜、聚苯乙烯和聚苯砜；
所述热固性树脂包括以下中的一者：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、乙烯基酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷；
所述树脂(190)中的所述溶剂(192)是极性非质子溶剂，所述极性非质子溶剂包括丙酮；并且
所述增强纤维由以下材料中的至少一者形成：塑料、玻璃、陶瓷、碳、金属或其任意组合。
条款5.一种已固化复合结构(110)，包括：
复合基部构件(122)，所述复合基部构件包括嵌入到树脂(190)中的增强纤维并具有沿所述复合基部构件(122)的长度延伸的半径腔(140)；
半径填料元件(200)，所述半径填料元件沿着所述半径腔(140)的长度连续地延伸并具有半径填料侧表面(204)，所述半径填料元件(200)是均质的并由半径填料材料(202)形成；以及
混合区(196)，所述混合区将所述半径填料侧表面(204)结合到所述复合基部构件(122)并包括树脂(190)和所述半径填料材料(202)的已硬化混合物(194)。
条款6.根据条款5所述的已固化复合结构(110)，其中，所述半径填料材料(202)是以下中的一者：
半径填料热塑性材料，所述半径填料热塑性材料包括以下中的至少一者：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、共聚材料；
半径填料热固性材料，所述半径填料热固性材料包括以下中的至少一者：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、乙烯基酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷。
条款7.根据条款5所述的已固化复合结构(110)，其中：
所述复合基部构件(122)中的所述树脂(190)包括热固性树脂和热塑性树脂中的一者；
所述热塑性树脂包括以下中的一者：丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)、丙烯酸-苯乙烯-丙烯腈(ASA)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚苯硫醚(PPS)、聚乳酸(PLA)、聚碳酸酯材料、聚醚醚酮(PEEK)、聚醚酮酮(PEKK)、共聚材料、丙烯酸树脂、碳氟化合物、聚酰胺、聚烯烃、聚酯、聚碳酸酯、聚氨酯、聚醚酰亚胺、聚醚砜、聚砜、聚苯乙烯和聚苯砜；
所述热固性树脂包括以下中的一者：聚氨酯、酚醛树脂、聚酰亚胺、磺化聚合物、导电聚合物、苯并恶嗪、双马来酰亚胺、氰酸酯、乙烯基酯、聚酯、环氧树脂和倍半硅氧烷；并且
所述增强纤维由以下材料中的至少一者形成：塑料、玻璃、陶瓷、碳、金属或其任意组合。
本公开的其他修改和改善对于本领域普通技术人员而言可能是显而易见的。因此，在本文中描述和示出的部分的特定组合旨在仅表示本公开的某些示例，而并非旨在用作对落入本公开的精神和范围内的替代示例或设备的限制。

Claims (15)

1.一种制造复合结构的方法，其中，所述方法包括：
将半径填料元件(200)放置到半径腔(140)中，所述半径腔沿着由包括增强纤维的干纤维材料(126)形成的复合基部构件(122)的长度延伸，所述半径填料元件(200)由半径填料材料(202)形成；
将树脂(190)注入到所述干纤维材料(126)中；
使所述树脂(190)与所述半径填料材料(202)发生化学反应，以沿着所述半径填料元件(200)和所述复合基部构件(122)之间的侧表面界面(210)产生所述树脂(190)和所述半径填料材料(202)的混合物(194)；
使所述树脂(190)固化或凝固；以及
允许所述树脂(190)中的溶剂(192)蒸发，从而导致所述混合物(194)硬化并将所述半径填料元件(200)结合到所述复合基部构件(122)，并且产生已固化复合结构(110)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述半径填料元件(200)放置到所述半径腔(140)中，使所述树脂(190)与所述半径填料元件(200)发生化学反应，以及允许所述溶剂(192)蒸发的步骤分别包括：
将多个半径填料段(220)插入到所述半径腔(140)中，所述多个半径填料段(220)在所述半径腔(140)内处于首尾相连布置并各自具有相对的段端部(222)；
使所述树脂(190)与多对首尾相连的所述多个半径填料段(220)的所述段端部(222)发生化学反应以结合在一起并形成沿所述复合基部构件(122)的长度连续地延伸的所述半径填料元件(200)；以及
允许所述溶剂(192)蒸发，从而导致每对首尾相连的所述半径填料段(220)之间的所述混合物(194)硬化并将所述半径填料段(220)结合在一起以限定所述半径填料元件(200)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，注入所述树脂(190)的步骤包括以下中的一者：
树脂传递模塑；
真空辅助树脂传递模塑；
树脂膜注入；以及
批量树脂注入。
4.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
通过以下中的一者来制造所述半径填料元件(200)：三维印刷、选择性激光烧结、熔融长丝制造、模具挤出、注塑成型。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
所述半径填料材料(202)具有的杨氏模量小于所述复合基部构件(122)的杨氏模量。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中：
所述半径填料材料(202)具有的失效时伸长率大于所述复合基部构件(122)的失效时伸长率。
7.根据权利要求1或2所述的方法，进一步包括：
通过以彼此背对背的关系布置两个复合部件(128)而形成所述半径腔(140)来制造所述复合基部构件(122)。
8.一种已固化复合结构(110)，其中，所述已固化复合结构包括：
复合基部构件(122)，所述复合基部构件包括嵌入到树脂(190)中的增强纤维并具有沿所述复合基部构件(122)的长度延伸的半径腔(140)；
半径填料元件(200)，所述半径填料元件沿着所述半径腔(140)的长度连续地延伸并具有半径填料侧表面(204)，所述半径填料元件(200)是均质的并由半径填料材料(202)形成；以及
混合区(196)，所述混合区将所述半径填料侧表面(204)结合到所述复合基部构件(122)并包括所述树脂(190)和所述半径填料材料(202)的已硬化混合物(194)。
9.根据权利要求8所述的已固化复合结构(110)，其中：
所述半径填料元件(200)包括至少两个半径填料段(220)，所述至少两个半径填料段在所述半径腔(140)内处于首尾相连布置并由位于所述半径填料段(220)的段端部(222)之间的已硬化混合物(194)的混合区(196)结合。
10.根据权利要求8或9所述的已固化复合结构(110)，其中：
将所述半径填料侧表面(204)结合到所述复合基部构件(122)的所述混合区(196)具有靠近所述复合基部构件(122)的树脂(190)的较高浓度以及靠近所述半径填料元件(200)的树脂(190)的较低浓度的梯度。
11.根据权利要求8或9所述的已固化复合结构(110)，其中所述已硬化混合物(194)具有以下中的一者：
比所述半径填料材料(202)和不具有所述半径填料材料(202)的已固化树脂(190)中的较弱者更高的强度；
比所述半径填料材料(202)或不具有所述半径填料材料(202)的已固化树脂(190)更高的强度。
12.根据权利要求8或9所述的已固化复合结构(110)，其中：
所述半径填料材料(202)具有的杨氏模量小于所述复合基部构件(122)的杨氏模量。
13.根据权利要求8或9所述的已固化复合结构(110)，其中：
所述半径填料材料(202)具有的失效时伸长率大于所述复合基部构件(122)的失效时伸长率。
14.根据权利要求8或9所述的已固化复合结构(110)，其中：
所述复合基部构件(122)由以彼此背对背的关系布置并形成所述半径腔(140)的两个复合部件(128)形成。
15.根据权利要求8或9所述的已固化复合结构(110)，其中，具有以下构造中的至少一者：
所述半径填料元件(200)具有的横截面面积沿着所述复合基部构件(122)的纵向方向变化；并且
所述混合区(196)具有的横截面面积沿着所述已固化复合结构(110)的纵向方向相对于所述半径填料元件(200)的横截面面积变化。
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