CN117359977A - 三维机织预制体、防雷击复材机匣及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明在于提供一种三维机织预制体、防雷击复材机匣及其制造方法，三维机织预制体，包括多个经向纤维层、多个经向纤维层以及多根法向纤维束。经向纤维层包括多根经向纤维束，纬向纤维层包括多根纬向纤维束，法向纤维束沿法向穿设多个经向纤维层以及多个纬向纤维层，将所穿设的多个经向纤维层与多个纬向纤维层编织成整体。其中，法向纤维束与经向纤维束的相接处，以及法向纤维束与纬向纤维束的相接处分别具有隔绝层，隔绝层包裹于导电金属丝和/或复合材料增强纤维的外周。采用本三维机织预制体的复材机匣能够提升防雷击性能。

Description

三维机织预制体、防雷击复材机匣及其制造方法

技术领域

本发明涉及航空发动机设计及制造领域，尤其涉及一种三维机织预制体、防雷击复材机匣及其制造方法。

背景技术

由于飞机的高空飞行特性，雷电是飞机飞行过程中经常会碰到的一个安全问题。根据统计，飞机每飞行1000到10000个小时就会遭遇到一次雷击，而对于商用飞机，每年几乎都会遭遇到一个雷击事故。其中发动机更是雷击的多发区域。在过去，发动机的机匣多是由铝合金等金属制成，由于金属机匣良好的自身导电性能，在发生雷击事故后依然能够保证其安全运转，因此这些发动机可以保证数十年的安全运转。

但考虑到发动机减重，像风扇包容机匣等大型机匣目前都更趋向于使用树脂基复合材料，这些复合材料本身的导电能力较差，当遭遇到雷击时，复合材料结构会脆化、分层甚至断裂，这会对整个发动机的安全运转造成巨大威胁。因此航空发动机尤其是位于航空发动机外部的复合包容机匣十分有必要进行防雷击设计。

国内外目前现有的飞机大型复材机匣的防雷击主要包括如下两种：

1)在复合材料机匣表面铺设防雷金属网；

2)在复合材料机匣表面喷涂导电金属漆。

上述两种方法都是通过改变机匣表面的电导率，避免雷电流入点和雷电流出点能量密度的累积，从而减少或消除雷击电流损害。

但发明人发现，这两种防雷击的方法都存在着一定缺陷。对于铺设防雷金属网，编织的金属网丝线容易松开，也不易喷涂电镀，在层压到复材机匣的过程中，两者的粘结强度和稳定性也存在问题。而对于喷涂导电金属漆的方法，漆面与复材机匣的粘结问题及使用过程中金属漆的磨损也使得其防雷性能大打折扣。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种三维机织预制体，用于复材机匣中，以提升复材机匣的防雷击性能。

为实现前述目的的三维机织预制体，用于复材机匣，包括多个经向纤维层、多个经向纤维层以及多根法向纤维束。经向纤维层包括多根沿经向延伸的经向纤维束，纬向纤维层包括多根沿纬向延伸的纬向纤维束，法向纤维束沿法向穿设多个所述经向纤维层以及多个所述纬向纤维层，将所穿设的多个所述经向纤维层与多个所述纬向纤维层编织成整体；所述经向纤维层与所述纬向纤维层沿所述法向交替布设，所述经向纤维束以及所述纬向纤维束由复合材料增强纤维制成，所述法向纤维束为导电金属丝；其中，所述法向纤维束与所述经向纤维束的相接处，以及所述法向纤维束与所述纬向纤维束的相接处分别具有隔绝层，所述隔绝层包裹于所述导电金属丝和/或所述复合材料增强纤维的外周。

在一个或多个实施方式中，穿设于多个所述经向纤维层以及多个所述纬向纤维层中的多根所述法向纤维束呈笼状结构。

在一个或多个实施方式中，所述导电金属丝为铜丝，所述隔绝层为包裹于所述铜丝外周的胶膜。

本发明的另一个目的在于提供一种防雷击复材机匣，其采用如前所述的三维机织预制体制成。

本发明的又一个目的在于提供一种防雷击复材机匣的制造方法，用于制造如前所述的防雷击复材机匣。

为实现前述又一目的的防雷击复材机匣的制造方法，其包括如下步骤：

利用三维机织工艺，采用复合材料增强纤维作为纤维束的材料逐层依次编织多个经向纤维层以及多个纬向纤维层，所述经向纤维层包括多根沿经向延伸的经向纤维束，所述纬向纤维层包括多根沿纬向延伸的纬向纤维束；

将导电金属丝浸入装有胶液的容器中；

对浸入后的所述导电金属丝进行烘干以及压实，得到外周包裹有隔绝层的金属丝预浸料；

利用三维机织工艺，采用金属丝预浸料沿法向穿设多个所述经向纤维层以及多个所述纬向纤维层，将多个所述经向纤维层与多个所述纬向纤维层共同编织成整体，形成三维机织预制体；

提供机匣模具；

将所述三维机织预制体放置于所述模具的模腔中；

利用复合材料树脂传递模塑成形工艺，将复合材料树脂注入所述模腔内，使得所述三维机织预制体完全被浸润；

所述三维机织预制体在复合材料树脂中固化后脱模，得到所述复材机匣。

在一个或多个实施方式中，所述导电金属丝为铜丝，所述隔绝层为包裹于所述铜丝外周的胶膜，在将所述导电金属丝浸入装有胶液的容器中之前，所述方法还包括：

对所述导电金属丝进行阳极化处理，以使所述导电金属丝表面形成疏松空隙。

在一个或多个实施方式中，利用抽真空或注射装置，以使得所述树脂注入所述模腔内。

本发明的再一个目的在于提供一种防雷击复材机匣，采用如前所述的防雷击复材机匣的制造方法制造。

本发明的进步效果包括以下之一或组合：

1)采用本的复材机匣的制造方法，不需要改变原有成熟的工艺路线，仅需在编织纤维预制体的纤维混编入具有良好导电性能的金属丝即可使得复材零件具有近似于金属零件的防雷击性能，易于实施以及实现。同时金属丝与复合材料树脂成形的基底在成形后紧密结合，从而避免了金属漆磨损或金属网脱落等问题导致防雷击性能的下降问题。

2)采用隔离层使得法向纤维束与经向纤维束11以及纬向纤维束之间被间隔开，以防止导电金属丝与复合材料增强纤维之间存在的电偶腐蚀现象，增加了本三维机织预制体及具有其的复材机匣的使用寿命。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1示出了一实施方式下三维机织预制体的立体示意图；

图2示出了一实施方式下三维机织预制体的侧面示意图；

图3示出了一实施方式下法向纤维束的剖面示意图；

图4示出了一实施方式下，防雷击复材机匣的立体示意图；

图5示出了对法向纤维束进行预处理的过程示意图；

图6至图8示出了利用复合材料树脂传递模塑成形工艺(RTM)成形复材机匣的成形过程示意图。

具体实施方式

下述公开了多种不同的实施所述的主题技术方案的实施方式或者实施例。为简化公开内容，下面描述了各元件和排列的具体实例，当然，这些仅仅为例子而已，并非是对本申请的保护范围进行限制。另外，这些公开内容中可能会在不同的例子中重复附图标记和/或字母。该重复是为了简要和清楚，其本身不表示要讨论的各实施方式和/或结构间的关系。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。另外，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此也不能理解为对本申请保护范围的限制。

需要注意的是，在使用到的情况下，如下描述中的上、下、顶、底仅仅是出于方便的目的所使用的，而并不暗示任何具体的固定方向。事实上，它们被用于反映对象的各个部分之间的相对位置和/或方向。

需要注意的是，这些以及后续其他的附图均仅作为示例，其并非是按照等比例的条件绘制的，并且不应该以此作为对本发明实际要求的保护范围构成限制。此外，不同实施方式下的变换方式可以进行适当组合。

如后文所述的一个或多个术语的解释如下：

复合材料(composite material)：利用先进材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。

风扇包容机匣(fan stator case)：航空发动机在风扇部分，对风扇转子起到保护和包容风扇叶片飞脱的机匣。

RTM：复合材料树脂传递模塑成形技术，是一种低压闭模成形技术。

防雷击(anti-lightning)：飞机高空飞行过程中，发动机经常会遭到雷击，因此有必要进行防雷击设计。

为保证复合材料机匣等大型复材件加工工艺的同时保证其具有可靠的防雷击性能，提供了一种三维机织预制体，如图1示出了一实施方式下三维机织预制体的立体示意图，图2示出了一实施方式下三维机织预制体的侧面示意图。

三维机织预制体100包括多个经向纤维层1、多个纬向纤维层2以及多根法向纤维束3。多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2之间是如图所示地、彼此交替布设，多根法向纤维束3沿法向a穿设多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2，并对其进行编织，使得多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2由多根法向纤维束3编织成整体，该被编织形成的整体即为三维机织预制体。

其中，文中所述的纤维束是指一根或大量根数的连续长丝集合而成的丝束结构，纤维层是指多根纤维束沿一定方向铺设形成的车呢工装结构。

每个经向纤维层1包括多根沿经向b延伸的经向纤维束11，每个纬向纤维层2包括多根沿纬向c延伸的纬向纤维束21。其中，经向b以及纬向c是如图中所示，彼此相互垂直。而法向a则是如图中所示，垂直于经向b以及纬向c所在平面。

多根经向纤维束11沿经向b延伸的同时，相邻两经向纤维束11彼此之间大致平行，彼此沿纬向c隔开一段距离。同样的，多根纬向纤维束21沿纬向c延伸的同时，相邻两纬向纤维束21彼此之间大致平行，彼此沿经向b隔开一段距离。如此布设，能够使得相邻两经向纤维层1与纬向纤维层2叠放后，在经向纤维束11与纬向纤维束21之间形成允许法向纤维束3穿设的孔，法向纤维束3自孔中穿设并连接地编织多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2。

在如图中所示的一个或多个实施方式中，每个法向纤维束3均沿法向a贯穿穿设于整个三维机织预制体100。在另一与图中所示不同的实施方式中，某一个或一些法向纤维束3也可以沿法向a穿设两层或多层纤维层，并对被穿设的两层或多层纤维层进行连接编织，而剩余的一个或一些法向纤维束3则沿法向a穿设剩余的两层或多层纤维层，并对剩余的两层或多层纤维层进行连接编织。在另一实施方式中，沿法向a的不同位置分别设置有多个沿法向a延伸的法向纤维束3，位于不同法向a位置的法向纤维束3分别对该法向a位置的两层或多层纤维层进行连接编织。

法向纤维束3沿法向a穿设，是指法向a为法向纤维束3穿设经向纤维层1以及纬向纤维层2的方向，可以理解的是，在穿设完两层或多层经向纤维层1和/或纬向纤维层2，法向纤维束3具有弯折的一段，以改变穿设方向，从而形成在两层或多层经向纤维层1和/或纬向纤维层2之间来回穿设的结构。

其中，经向纤维层1以及纬向纤维层2分别由复合材料增强纤维制成，而法向纤维束3为导电金属丝。将导电金属丝与复合材料增强纤维编织成为的增强纤维结构借由导电金属丝而具有良好的导电性能，使得电流能够在三维机织预制体100中得到扩散，能量集中小，从而减少雷电损伤，为实现成形具有良好防雷性能的复材机匣提供基础。

经向纤维束11与法向纤维束3的相接处，以及法向纤维束3与纬向纤维束21的相接处分别具有隔绝层，该隔绝层分别包裹于法向纤维束3、经向纤维束11以及纬向纤维束21外周，从而使得法向纤维束3与经向纤维束11以及纬向纤维束21之间被间隔开，以防止导电金属丝与复合材料增强纤维之间存在的电偶腐蚀现象，增加了本三维机织预制体的使用寿命。同时，隔绝层能够增加导电金属丝与树脂基底结构的经向纤维层1和/或纬向纤维层2的粘接强度，以保证固化后复合材料结构完整性，避免出现分层等缺陷。当然，在其他一些合适的实施方式中，隔绝层也可以仅设置于每个法向纤维束3的外周，或仅设置于经向纤维束11以及纬向纤维束21的外周，同样能够起到防止法向纤维束3与经向纤维束11以及纬向纤维束21之间的直接接触。如图3所示为例，隔绝层31是设置于法向纤维束3(导电金属丝)的外周，

在一个或多个实施方式中，经向b以及纬向c之间是呈一锐角夹角，而并非如图中所示相互垂直，亦即相邻层的经向纤维束11与纬向纤维束21之间夹角呈锐角。通过不同方向的纤维束彼此相互作用，使得三维编织成形的结构不仅具有较高的冲击损伤抗力，而且提高了低速冲击损伤容限。

在三维机织预制体的一个或多个实施方式中，穿设于多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2中的多根法向纤维束3呈笼状结构。具体来说，如图中所示，每个法向纤维束3均沿法向a贯穿穿设于整个三维机织预制体100，彼此之间隔开一段形成笼状结构，从而使得三维机织预制体100被编织成笼状的增强纤维预制体，以使得多根法向纤维束3形成为能够防止电磁场浸入的法拉第笼，进一步增加防雷性能。

在三维机织预制体的一个或多个实施方式中，法向纤维束3为铜丝，隔绝层31为包裹于所述铜丝外周的胶膜。其中，铜丝具有良好的导电性以及延展性，易于成形具有前述结构的三维机织预制体。在一些合适的实施方式中，法向纤维束3也可以是由其他合适的、具有导电性能的金属丝制成，如银丝、铂丝、铝丝等。在一个具体的实施例中，隔绝层31为温固化胶膜，以保证与金属及树脂都具有较好的粘接效果。

在三维机织预制体的一个或多个实施方式中，复合材料增强纤维是指是由增强纤维材料，如玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维等，与基体材料经过缠绕，模压或拉挤等成型工艺而形成的复合纤维材料。

如前所述一个或多个实施方式中的三维机织预制体应用于防雷击复材机匣中，如图4示出了一实施方式下，防雷击复材机匣的立体示意图。

在防雷击复材机匣的一个或多个实施方式中，复材机匣4包括风扇包容机匣41以及中介机匣42，如前所述一个或多个实施方式中的三维机织预制体100用于制成风扇包容机匣41。由于中介机匣42具有需要传力的特性，多使用铝合金等金属材料。而包容机匣41由于其本身不作为主传力零件，考虑到包容性以及发动机的减重需求，多使用树脂基复合材料。由于包容机匣41具有较大的体积，使得该部分结构成为雷击的多发区域，而树脂较差的导电性能又使得这部分结构一旦遭遇雷击极易发生破坏而产生严重的安全事故，对飞机的安全运转存在极大隐患，而采用前述一个或多个实施方式中记载的三维机织预制体100应用于该风扇包容机匣41的制成过程中，使得制成后的风扇包容机匣41具有良好的防雷性能，能够达到防雷击性能的需求。

另一方面，为提升复材机匣的防雷击性能，还提供了一种防雷击复材机匣的制造方法，其包括如下步骤：

首先，利用三维机织工艺成形如图1中所示的三维机织预制体100结构，其包括：

利用三维机织工艺，采用复合材料增强纤维作为纤维束的材料逐层依次编织多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2，所述经向纤维层1包括多根沿经向b延伸的经向纤维束11，所述纬向纤维层2包括多根沿纬向c延伸的纬向纤维束21；

随后，如图5所示，对导电金属丝(法向纤维束3)进行预处理，其包括：

将导电金属丝(法向纤维束3)在纱架71上分丝，随后浸入装有胶液的容器70中；

对浸入后的导电金属丝(法向纤维束3)进行烘干以及压实，得到外周包裹有隔绝层的金属丝预浸料3a，随后进行收卷；

该金属丝预浸料3a能够实现隔离导电金属丝(法向纤维束3)与复合材料增强纤维之间的直接基础，避免电偶腐蚀。

随后，利用三维机织工艺，采用金属丝预浸料沿法向a穿设多个经向纤维层1以及多个纬向纤维层2，将多个经向纤维层1与多个纬向纤维层2共同编织成整体，形成三维机织预制体100。

随后，利用复合材料树脂传递模塑成形工艺(RTM)成形复材机匣，如图6至图8示出了利用复合材料树脂传递模塑成形工艺(RTM)成形复材机匣的成形过程，其包括：

提供机匣模具5，该机匣模具包括上半膜51以及下半膜52，在上半膜51以及下半膜52之间设置有密封圈53，该密封圈53、上半膜51以及下半膜52之间限定出模腔，该模腔具有与所欲获得的复材机匣相同的构型；

将三维机织预制体100放置于机匣模具5的模腔50中；

利用复合材料树脂传递模塑成形工艺(RTM)，将复合材料树脂6注入到膜腔内，使得位于模腔50内的三维机织预制体100完全被浸润；

令三维机织预制体100在复合材料树脂6中固化后脱模，最后得到复材机匣7。

可以理解的是，如图6至图8仅示意性示出了所欲成形的机匣结构及其对应的模具结构，实际成形的机匣可以具有相较于图示更加完整的细节。

采用如前所述的复材机匣的制造方法，不需要改变原有成熟的工艺路线，仅需在编织纤维预制体的纤维混编入具有良好导电性能的金属丝即可使得复材零件具有近似于金属零件的防雷击性能，易于实施以及实现。

同时，采用前述复材机匣制造方向所得到的复材机匣，在形成复材机匣骨架的同时就编织出了具有良好导电性能的三维立体金属笼。当雷电击中机匣时，雷电流扩散越快，能量击中越小，损伤越小。相比于传统在机匣表面铺设金属网或者喷涂金属漆的防雷击方案，本制造方案不改变传统制造工艺以及结构，更易于实施，且防雷击效果好。同时，金属丝与复合材料树脂6成形的基底在成形后紧密结合，从而避免了金属漆磨损或金属网脱落等问题导致防雷击性能的下降问题。

在本制造方法的一个或多个实施方式中，导电金属丝(法向纤维束3)为铜丝，隔绝层为包裹于铜丝外周的胶膜。在将导电金属丝浸入装有胶液的容器中之前，本制造方法还包括：

对导电金属丝进行阳极化处理，以使所述导电金属丝表面形成疏松空隙，从而便于胶膜包裹于导电金属丝外周。

在本制造方法的一个或多个实施方式中，如图5至图8所示，机匣模具包括上半膜51中具有注胶口510以及排气口511，通过注射装置提供压力，将复合材料树脂6书社进模腔50内，以实现对三维机织预制体100的完全浸润。当然，在其他一些合适的实施方式中，也可以采用抽真空的方式，驱使树脂注入模腔50内。

为提升复材机匣的防雷击性能，还提供了一种防雷击复材机匣，其采用如前所述一个或多个实施方式中记载的防雷击复材机匣的制造方法制造。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三维机织预制体，用于复材机匣，其特征在于，包括：

多个经向纤维层，包括多根沿经向延伸的经向纤维束；

多个纬向纤维层，包括多根沿纬向延伸的纬向纤维束；以及

多根法向纤维束，沿法向穿设多个所述经向纤维层以及多个所述纬向纤维层，将所穿设的多个所述经向纤维层与多个所述纬向纤维层编织成整体；

所述经向纤维层与所述纬向纤维层沿所述法向交替布设，所述经向纤维束以及所述纬向纤维束由复合材料增强纤维制成，所述法向纤维束为导电金属丝；

其中，所述法向纤维束与所述经向纤维束的相接处，以及所述法向纤维束与所述纬向纤维束的相接处分别具有隔绝层，所述隔绝层包裹于所述导电金属丝和/或所述复合材料增强纤维的外周。

2.如权利要求1所述的三维机织预制体，其特征在于，穿设于多个所述经向纤维层以及多个所述纬向纤维层中的多根所述法向纤维束呈笼状结构。

3.如权利要求1所述的三维机织预制体，其特征在于，所述导电金属丝为铜丝，所述隔绝层为包裹于所述铜丝外周的胶膜。

4.一种防雷击复材机匣，其特征在于，其包括如权利要求1至3中任一项所述的三维机织预制体。

5.一种防雷击复材机匣的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

利用三维机织工艺，采用复合材料增强纤维作为纤维束的材料逐层依次编织多个经向纤维层以及多个纬向纤维层，所述经向纤维层包括多根沿经向延伸的经向纤维束，所述纬向纤维层包括多根沿纬向延伸的纬向纤维束；

将导电金属丝浸入装有胶液的容器中；

对浸入后的所述导电金属丝进行烘干以及压实，得到外周包裹有隔绝层的金属丝预浸料；

利用三维机织工艺，采用金属丝预浸料沿法向穿设多个所述经向纤维层以及多个所述纬向纤维层，将多个所述经向纤维层与多个所述纬向纤维层共同编织成整体，形成三维机织预制体；

提供机匣模具；

将所述三维机织预制体放置于所述模具的模腔中；

利用复合材料树脂传递模塑成形工艺，将复合材料树脂注入所述模腔内，使得所述三维机织预制体完全被浸润；

所述三维机织预制体在复合材料树脂中固化后脱模，得到所述复材机匣。

6.如权利要求5所述的防雷击复材机匣的制造方法，其特征在于，所述导电金属丝为铜丝，所述隔绝层为包裹于所述铜丝外周的胶膜，在将所述导电金属丝浸入装有胶液的容器中之前，所述方法还包括：

对所述导电金属丝进行阳极化处理，以使所述导电金属丝表面形成疏松空隙。

7.如权利要求5所述的防雷击复材机匣的制造方法，其特征在于，利用抽真空或注射装置，以使得所述树脂注入所述模腔内。

8.一种防雷击复材机匣，其特征在于，采用如权利要求5至7中任一项所述的防雷击复材机匣的制造方法制造。