CN113423564B - 由具有增强基质的复合材料制成的部件的制造方法及其实施装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种复合材料部件的制造方法，该复合材料部件包括基于通过基质致密的碳纤维的纤维增强，该方法依次地包括通过多层三维编织生产纤维结构，将纤维结构置于封闭模具中，以及将树脂注射到模具中，并且其中，在纤维结构的编织期间，该方法还包括将碳纳米颗粒喷涂到碳纤维上。本发明还涉及一种用于实施这种方法的装置。

Description

由具有增强基质的复合材料制成的部件的制造方法及其实施装置
技术领域
本发明涉及由复合材料制成的部件的制造，该复合材料包括基于通过基质致密的碳纤维的纤维增强。
更准确地说，本发明涉及从纤维结构制造用于涡轮机械的复合材料部件，通过碳纤维的三维编织获得该纤维结构，并通过增强基质致密化该纤维结构。
背景技术
已经提出生产用于涡轮机械的复合材料部件，例如用于燃气涡轮发动机的叶片。例如，可以参考文献EP 1 526 285，其描述了通过三维(3D)编织生产纤维预制件，并且用有机基质致密化预制件来制造风机叶片。
如本文所用，“3D编织”被理解为表示使用几层纬线和几层经线的多层编织，其中经线互连不同层的纬线。
通常，这些有机基质复合材料(OMC)部件从通过3D编织获得的纤维结构制造，该纤维结构被放置在封闭的模具中，然后将树脂注射到其中，至少直到预制件硬化(或固结)。
已经表明，当由此获得的复合材料部件损坏时，初始损坏水平存在于树脂中。这种初始损坏水平是部件的基本设计参数，因为它与材料在整个使用寿命期间承受负载的能力直接相关。
增加部件的初始损坏水平，因此，增加部件的使用寿命，或者通过允许将其设计为具有更高的负载水平来使部件变轻。
为此，为了增加部件的初始损坏水平，可以修改用于增强它的树脂的化学配方。然而，这种可能性受到以下事实的限制：它需要对所制造的复合材料进行完整的表征，这证明既耗时又昂贵。此外，通常完成复合材料的这种表征会损害树脂的其他性能(耐热性等)。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种制造复合材料部件的方法，该方法在不改变树脂的化学配方的情况下增加部件的初始损坏水平。
该目的通过一种用于制造复合材料部件的方法来实现，该复合材料部件包括基于由基质致密的碳纤维的纤维增强，该方法依次地包括通过多层三维编织生产纤维结构，将纤维结构放置在封闭的模具中，并将树脂注射到模具中，其中，根据本发明，在纤维结构的编织期间，该方法还包括将碳纳米颗粒喷涂到碳纤维上。
本发明的显着之处在于它通过在纤维结构的编织期间添加碳纳米颗粒(碳纳米管或石墨烯)提供增强所使用的树脂。这种添加是在不改变树脂的化学配方的情况下进行的。它还避免在材料内形成纯树脂袋。相反，本发明允许将碳纳米颗粒放置在每个碳纤维周围以增强它们。
这样，在纤维结构的编织期间添加的纳米颗粒增强了树脂，而不会干扰编织结构，也不会改变树脂的化学配方。结果，可以在不损害树脂的其他性能的情况下，增加部件的初始损坏水平。
纤维结构的编织可以使用织机进行。在这种情况下，将碳纳米颗粒喷涂到碳纤维上优选地在通过将一些碳线从其他碳线提升而形成的梭口处进行。
类似地，该方法还可以包括在将碳纳米颗粒置于模具中之前，将碳纳米颗粒喷涂到纤维结构上。这种喷涂通过在注射步骤之前直接定位纳米颗粒来避免过滤现象。进一步增加部件的初始损坏水平。
本发明还具有作为其主题的用于实施上述方法的装置，包括用于通过多层三维编织生产纤维结构的织机，织机包括：由填料板和经线插入其中的多个综丝组成的通丝用具，每个综丝通过垂直振荡运动被致动来提升一些经线，从而形产生梭口，该梭口允许引入纬线；带有齿的精梳机，允许经线分布和纬线在经线之间通过后纬线的包装；以及安装在精梳机上用于喷涂碳纳米颗粒的装置。
喷涂装置可以包括安装在精梳机的框架上并且通过管连接到碳纳米颗粒的储存器的喷嘴。
可替代地，喷涂装置可由中空的精梳机的齿形成并连接到碳纳米颗粒的储存器。
进一步，可替代地，喷涂装置包括安装在将纤维结构保持在编织点处的杆上的喷嘴，该喷嘴通过管连接到碳纳米颗粒的储存器。
附图说明
图1是显示用于实施本发明方法的织机的示意图。
具体实施方式
本发明涉及一种用于制造复合材料部件，特别是涡轮发动机部件，例如风机叶片的方法，该复合材料部件包括基于通过有机基质致密的碳纤维的纤维增强。
以已知的方式，这样的方法依次地包括通过多层三维编织生产纤维结构，将纤维结构放置在封闭的模具中，并且将树脂注射到模具中，其特征在于，在纤维结构的编织期间。
如本文所用，“三维(3D)编织”应理解为表示使用几层纬线和几层经线的多层编织，其中经线将不同层的纬线互连。可以使用不同类型的3D编织图案，例如互锁、多缎纹、多编织、多斜纹的编织。可以特别参考文献WO 2006/136755，其内容通过引用并入本文。
在由此形成的纤维结构中基质的沉积通过将结构保持在模具中至少直到结构硬化(或固结)来实施。
根据预期应用选择基质的类型，例如，特别是从聚合物基质前体树脂，如环氧树脂、双马来酰亚胺或聚酰亚胺树脂或碳基质或陶瓷基质获得的有机基质。
在有机基质的情况下，在工具中成型之前或成型之后，用含有基质前体树脂的组合物浸渍纤维结构，在后一种情况下实施浸渍，例如，通过灌注或通过树脂传递模塑(RTM)工艺。
在碳或陶瓷基质的情况下，可以通过化学气相渗透(CVI)或通过用含有碳或陶瓷前体树脂的液体组合物浸渍，并对前体进行热解或陶瓷化热处理来进行致密化，这些工艺本身已是熟知的。
通过织机实施纤维结构的3D编织，如图1所示的织机。
以已知方式(例如参见公开文本EP 1 526 285 A1)，这种织机10配备有提花机11，由图1中未示出的上部结构支撑该提花机11。
织机10还包括由填料板21和控制线或综丝22组成的通丝用具20，每个综丝22的一端连接到提花机11的控制钩12，另一端连接到复位弹簧13，该复位弹簧13附接到织机10的框架14。
每个综丝22包括经纱30穿过的孔眼23。在控制钩12和复位弹簧13分别地施加的牵引力下，综丝22及其相关联的孔眼23由双箭头F表示的基本垂直的振荡运动致动。综丝22可以提升一些经线，由此产生梭口15，由于梭子(图1中未示出)，该梭口15允许引入纬线31。
综丝22根据填料板21中孔210的位置，即多个列211和行212中孔的位置在空间上分布。
填料板中的孔210的密度对应于待制造的织物的密度，即，填料板上的每列孔之间的间距等于待制造的织物中每个经列之间存在的间距。
织机还包括位于梭口15处的精梳机40，以允许在每次梭子通过之后纬线31的包装和经线30的分布。以已知的方式，它由框架401组成，框架401承载形成精梳机齿的一系列细拉紧线缆402。
根据本发明，提供了在不改变所用树脂的化学配方的情况下，增加由这种方法制造的复合材料部件的初始损坏水平。
为此，本发明提供在纤维结构的编织期间将碳纳米颗粒(例如碳纳米管或石墨烯)喷涂到碳纤维上。
在实践中，利用由综丝22提升一些经线30而产生的梭口15是特别有利的。实际上，梭口15是有角度的通道空间，它特别有助于将碳纳米颗粒喷涂到纤维结构的碳纤维上。
例如，如图1所示，喷嘴50可以位于织机的精梳机40的框架401上，该喷嘴朝向梭口以到达最多的碳纤维30、31。
在该配置中，喷嘴有利地经由沿着精梳机的框架401延伸的管52连接到包含碳纳米颗粒的储存器51。
在未示出的替代实施例中，可以使用精梳机的空心齿402以循环来自于储存器51的碳纳米颗粒。在该替代方案中，存在的喷嘴和管因此被这些空心齿代替。
在另一个未示出的替代实施例中，可以使用碳纳米颗粒喷嘴，其安装在纤维结构的保持杆的水平处，这通常允许将织物保持在编织点处。因此，该替代方案允许完美地定位纳米颗粒的喷涂。
此外，通过向先前描述的碳纳米颗粒注射过程添加以下描述的附加操作而可以进一步增加复合材料部件的初始损坏水平。
仍然为了进一步增加初始损坏的水平的目的，还可以设想作为前述操作的替代或补充，在将纤维结构置于模具中之前，将碳纳米颗粒直接喷涂到纤维结构上。这种操作避免了前面提到的过滤现象。

Claims (6)

1.一种复合材料部件的制造方法，该复合材料部件包括基于通过基质致密的碳纤维的纤维增强，该方法依此地包括：通过多层三维编织生产纤维结构，将纤维结构置于封闭模具中，以及将树脂注射到模具中，该方法的特征在于，在纤维结构的编织期间，该方法还包括将碳纳米颗粒喷涂到碳纤维上，使用织机进行纤维结构的编织，并且在通过将一些碳线从其他碳线提升而产生的梭口处进行将碳纳米颗粒喷涂到碳纤维上。
2.如权利要求1所述的方法，还包括在将纤维结构置于模具中之前将碳纳米颗粒喷涂到纤维结构上。
3.一种用于实施如权利要求1所述的方法的装置，包括用于通过多层三维编织生产纤维结构的织机，所述织机包括：由填料板和经线插入其中的多个综丝组成的通丝用具，每个综丝都通过垂直振荡运动被致动来提升一些经线，从而产生梭口，该梭口允许纬线插入；具有齿的精梳机，用于分布经线并在纬线通过经线之间后将其压紧；以及安装在精梳机上的碳纳米颗粒喷涂装置。
4.如权利要求3所述的装置，其中，所述喷涂装置包括喷嘴，该喷嘴安装在精梳机的框架上并且通过管连接到碳纳米颗粒的储存器。
5.如权利要求4所述的装置，其中所述喷涂装置由精梳机齿形成，所述精梳机齿是中空的并且连接到碳纳米颗粒的储存器。
6.如权利要求4所述的装置，其中，所述喷涂装置包括安装在将纤维结构保持在编织点处的杆上的喷嘴，并且该喷嘴通过管连接到碳纳米颗粒的储存器。
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