CN1413815A - 最小扭曲的三维织造预成形件 - Google Patents

Abstract

一种增强复合材料用的织造预成形件，其可平直织造，并在所要织造的弯折处用纤维弯折成形以进行弯折补偿。

Description

最小扭曲的三维织造预成形件

技术领域

本发明涉及用于增强复合材料的织造预成形件，其能够平直地织造并弯折成其最终形状，而在纤维中不会产生不希望有的扭曲。

背景技术

使用增强复合材料来生产结构组件目前已广泛应用，尤其是在这样的应用上，其所希望的特征是质量轻、强度高、不易磨损、有耐热性、有自承性和适合于构造和成形。例如，这样的组件用于航空、航天、人造卫星、电池、娱乐(如竞赛船和竞赛车)、和其它用途。

通常这样的组件是由嵌入基体材料中的增强材料构成。增强组件可以是这样的材料形成，玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺(例如“凯夫拉尔(KEVLAR)”即聚对苯二甲酰对苯二胺纤维)、聚乙烯、和/或其它材料，这些材料呈现有所希望的物理、热、化学和/或其它特性，其中主要是较大的抗应力断裂强度。通过使用这样的最终成为一种完整组件的组成元件的增强材料，增强材料的所希望的特征----例如非常高的强度----被赋予完整复合组件。组分增强材料通常可以被织造，针织或其它方式取向成为增强预成形件用的所希望的外形和形状。通常尤其注意的是，确保这些特性的最佳利用，为此已选择了组分增强材料。一般这些增强的预成形件是与基体材料相结合以形成所希望的组件或生产所述具有制成组件的最终产品用的加工原料。

在所希望的增强预成形件已构成之后，基体材料可被掺入并进入到预成形件中，以致增强预成形件一般会被包围在基体材料中，并且基体材料填充在增强预成形件的组成元件之间的空隙区域。基体材料可以是这些材料的任一种，例如环氧树脂、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳、和/或其它材料，该材料也表现出所希望的物理、热、化学和/或其它特性。所选择的用于基体的材料可以是或者可以不是与增强预成形件的材料相同，并且可以具有或者可以不具有相容的物理、化学、热或其它特性。然而，一般它们将不是相同的材料或不具有相容的物理、化学、热或其它特性，使用复合材料首先追寻的目标是获得一种在单独使用一种组分材料所不能达到的在最终产品中的特性组合。如此被结合，增强预成形件和基体材料就可在相同的操作中通过热定形或其它已知方法来固化和稳定化，并随后经过其它操作来生产出所希望的组件。这里尤其注意的是，在被固化之后，基体材料的固化块状物通常就会非常牢固地结合到增强材料(例如增强预成形件)上。其结果是，在最终组件上的应力，特别是通过其作为纤维间粘合剂的基体材料，可被有效地传递到所增强的增强预成形件的组成材料上而并由其承担。

常常希望生产这样的组件，其形状不是象嵌条、片材、长方形或方形固体材料等这样简单的几何形状。一种实施方式是把这样的基本几何形状相结合成为所希望的更加复杂的形状。一种这样典型的结合是将如上述制成的增强预成形件彼此之间按一角度(一般为直角)连接而构成。对于这种连接增强预成形件的成角度布置来说，通常目的是，构造一种所希望的形状来形成一种包括有一个或多个端壁或例如“T”形交叉的增强预成形件，或要加强所述增强预成形件和复合结构的组合效果，当这种角度布置受到外力，例如压力或张力时，其产生抗偏差或抗断裂的效果。在任何情况下，相关考虑的问题是，使在组成组件之间的各连接应尽可能地牢固。如果增强预成形件组分本身具有非常高的强度，连接的低强度实际上成为结构“链”上的“薄弱环节”。

一种交叉配置的实例在US6,103,337中提出，其所公开的内容在此可结合参考。该参考文献陈述了把两个增强板连接在一起成为T形的有效装置。

对于构成这样连接，已在过去提出了各种其它建议方案。已建议形成和固化彼此相分离开的一板元件和一成角度的加强元件，其中成角度的加强件具有单个(panel)接触表面或是在一端被分叉成两个渐开的、共面的、嵌条接触表面。而两个组件是通过使用热固性粘合剂或其它粘合剂材料把加强元件的嵌条接触表面粘接地粘合到另一组件的接触表面上来连接起来的。然而，当张力施加到固化嵌条或复合结构的表层时，由于连接的有效强度是其基体材料的强度并不是粘合剂的强度，非常小值的负载就产生“剥离”力，该剥离力使加强元件与嵌条在它们交界面处分离。

在这样的组件的交界面上使用金属螺栓或铆钉是不能接受的，因为这种附加件至少部分地损害和降低了复合结构本身的完整性，增加了重量，并在这些元件与周围材料之间导致热膨胀系数不同。

解决这个问题的其它办法是基于引入高强度纤维穿越连接区域的设计思路，通过使用这样的方法，使其中之一的组件缝合到其它组件上并且依靠缝合线来将这样的增强纤维引入到并且穿越连接部位。这样一种方法已在US4,331,495中公开，并且在其方法分案申请US4,256,790中公开。这些专利公开了在由粘合纤维层制成的第一与第二复合嵌条之间制成的连接结构。第一嵌条按现有技术方式在一端分叉成两个分开的、共面的嵌条接触表面，其通过未固化的韧性复合线缝合穿越两嵌条而结合到第二嵌条上。所述嵌条和线然后被“共同固化”，即同时固化。

对连接强度加以改进的另一方法在US5,429,853中提出。

而现有技术已试图改进增强复合的结构完整性并且已获得成功，尤其是在US6,103,337中，其中存在通过一种不同于使用粘合剂或者机械接合的方法来对其改进或提出问题的意愿。在这方面，一种方法是通过特殊的机器来制出一种织造结构，其可以是三维(“3D”)结构。然而，所投入的费用是值得考虑的，并且几乎不可能有一种直接产生简单结构的织机。

另外一种方法是织造一种二维(“2D”)结构并把其折叠成形。然而，当预成形件被折叠时，这一般形成部分扭曲。扭曲的出现是由于纤维织造状态的长度不同于其在预成形件被折叠时的长度。这会在织造状态的纤维长度太短的区域中引起凹陷和波纹，而在织造状态的纤维太长的区域中会引起皱褶。这些扭曲产生不希望的表面异常并降低了组件的强度和刚性。显然这可通过切割和褶缝而被消除，但这样的措施是不希望的，原因是其劳动量大或是另外有可能影响预成形件的完整性。

如上所述，3D预成形件是所希望的，其能够加工成为纤维增强复合组件，因为它们相对于2D层状复合材料提供了增强的强度。这些预成形件尤其用于要求复合材料承受平面外负载的一些领域。

因此，需要一种3D预成形件，并提供一种可采用的方法和/或产生3D预成形件和/或增强复合结构的改进方法。

发明内容

因此，本发明的主要目的是提供一种3D预成形件，其具有对现存的预成形件和/或迄今可获得的增强复合材料的替换设计和/或改进设计。

本发明的另一目的是提供这样一种3D预成形件，其可折叠成形而没有使构成预成形件的纤维扭曲。

本发明的再一目的是提供一种3D预成形件，该预成形件尤其用于形成T形增强复合制品。

上述目的和其它目的以及优点是通过所提供的一种3D织造预成形件来实现的，其能够被平直织造并且随后在树脂浸渍之前能被折叠成为最终的形状，而在纤维中不会产生不希望的扭曲。这是在织造期间通过这样调整纤维的长度而完成的：在某些区域中纤维非常短而在其它区域中纤维非常长。在预成形件被折叠成形时，纤维就得以补偿，从而在折叠处提供一平滑的过渡。该技术虽然适合于形成T形状织造预成形件，但可应用于各种形状。另外，虽然参照是对织造预成形件作出的，但对非织造一例如编织或缝连结合的适应性对本技术领域的普通人员来说是显然的。

附图说明

通过结合附图的描述，将会了解到本发明的目的和优点，其中：

图1A和1B是一种在织造状态和折叠状态的织造织物相应的侧截面图，其织造织物用于一种用于增强复合件的预成形件；

图2A和2B结合本发明的教导，是一种在织造和折叠状态织造织物的相应的侧截面图，其织造织物用于一种增强复合件的预成形件；

图3A和3B结合本发明所教导，是一种在弯折状态织造织物的相应的侧截面图，其示出多根长度变化的纬向纤维；

图4A和4B结合本发明的教导，是一种织造织物的侧截面图，且在弯折状态具有不同形状。

具体实施方式

现在对附图更详细地描述，其中，相类似的部分相似地标记，在图1A中，示出一种织造织物10，该织物包括填充或纬向纤维12A，B和C(为说明目的)和经向纤维14。如上所述，纤维可由各种材料制成，然而，碳或以碳为基的纤维一般应用在航空领域。

图1A和1B所表示的是，可考虑一种传统方法来形成一种织物预成形件，其可弯折成形。在此情况中，在织造织物中提供有一空间16，在这里，下面四排纬向纤维14在编织中不存在。这使得织物10的相邻部分或支脚18和20与织物10成直角弯折，其如图1B所示。

然而，产生的问题是，由于纬向纤维12A，B和C的长度是一样的，当平直织造并当因进行弯折而被弯折时，这就会在纤维12B非常短的区域22和24上引起凹陷或波纹，而在纬向纤维12C非常长的区域26和28上引起皱褶。区域22和24中的凹痕和皱褶的出现，是由于在弯折时太短的纬向纤维12B引起经向纤维向下拉。在区域26和28中，由于在弯折时纬向纤维12C太长，它们向外起皱。上述情形产生不希望有的表面异常并且降低了组分的强度和刚性。

现参看附图2A和2B，类似部分类似地标记。如从附图2A中可以看到，为了说明的目的，仅示出了纬向纤维12B′。由于在织造状态(示于图2A)与弯折状态(示于图2B)中的纤维长度的差异，纤维长度在区域30织成非常短而区域32中织成非常长。当预成形件被弯折成形时，使长度上的差异被调整，以至获得所希望的长度。图2B示出一预成形件的典型纤维路径，其在被弯折时具有“π”形横截面。纤维12B′有意地被织在一路径上，该路径使其在区域30上非常短而在区域32上非常长。这在短部分上产生一张力，其在弯折成“π”形状时引起拉动所述长的部分，以致于在两侧上的纤维12B′长度相等，并且校正被弯折的部分，避免了如上所述的扭曲和起皱。

当然图2A和2B只不过说明所表示的单个纤维12B使用的基本概念。沿着预成形件的长度有许多纤维，所述纤维具有相同的纤维路径。而且，以类似的方式织有另外的经向纤维，以根据其在织造组织上的位置提供所需的不同长度，其如下所述。

现参看附图3A和3B，其分别表示了用于一“π”形预成形件中的织造状态和弯折状态的织物10。预成形件形状仅是用于说明的目的，因为本发明能够提供所涉及到的许多形状，本领域的技术人员对此将是非常清楚的。

如图所示，“π”形预成形件的织物10的顶部包括一些经向纤维14和一般表示为12′的纬向或填充纤维的层。“π”形预成形件的支脚部分36和38类似地包括一些经向纤维14和纬向纤维12的层。如在先的实施例，织物10以适合于目的所希望的织造花纹(例如缎纹等)被织造。而且，如在紧接其上的在先实施例，本发明的目的在于消除扭曲和起皱，其扭曲和起皱通常是出现在当从一平直织造组织到一弯折状态的时候。

如从图3中可以看出，根据在织造组织中的位置，来确定纤维路径。例如，纬向纤维40在空间16两侧是等长的，纤维42在图3A的左手侧上是非常的长，而在右手侧是非常短。类似地，纤维44在左手侧是非常的短，而在右手侧是非常的长。

因为是这样，当支脚部分36和38被如图3B所示向下弯折时，使纤维长度按与相关于图2A和2B所述的相同方式进行补偿。应注意到，在支脚部分36和38与顶部34之间的空间为了说明的目的而被放大了。

现参看附图4A和4B，其示出了一种用于制造T形状预成形件的设计图。图4A为织造状态织物而图4B为弯折状态织物。

T形预成形件的顶部是由两个支脚部分52和54制成。T的底部包括有部分56。如早先的实施例，预成形件以适合于目的所希望的织造花纹用改进的纬向纤维58被织造，以便提供本发明的优点。在这方面，纤维58在顶部非常长而在底部非常短。纤维60在顶部非常短而在底部非常长。纤维62在顶部和底部两部分上是相等长度。

如图4B所示，由于非常长和非常短的纤维路径，纤维58和60起着如在前所述的作用。它们用来互连部分52和54之用。纤维62用来将部分52和54与部分56互连。

如在本发明的所有预成形件的情况中，一旦被弯折成形，随后它们能够被浸渍或涂覆树脂以形成所希望形状的复合结构。

由此本发明的目的和优点得以了解，并且尽管在此详细地公开并描述了一些最佳的实施例，但其范围不受其限定，而是由所附的权利要求所确定。

Claims (6)

1.一种二维织造织物，用于形成一具有三维形状的结构，所述的织物包括：

所述织物的第一部分；

所述织物的第二部分，其相对于所述第一部分可弯折；

多根纤维，其互连于所述第一部分和所述第二部分；

一纤维路径，其由所述多根互连纤维形成，所述的纤维路径具有被织造成短于路径的一部分纤维，和被织造长于路径的一部分纤维，这样，在所述第一部分相对于所述第二部分弯折时，就引起被织造短的纤维沿着纤维路径拉动被织造长的纤维部分，从而对弯折进行补偿。

2.根据权利要求1所述的织物，其特征在于，所述织物包括经向和纬向纤维，并且所述互连纤维是纬向纤维。

3.根据权利要求1所述的织物，其特征在于，所述织物被平直地织造并且所述第一和第二部分被弯折以形成一种三维形状。

4.根据权利要求3所述的织物，其特征在于，所述，三维形状是“π”形状或T形状。

5.根据权利要求4所述的织物，其特征在于，所述织物是一种用于增强复合材料的预成形件。

6.根据权利要求1所述的织物，其特征在于，所述的织物在第一和第二部分上具有多个织造层，并且多个纤维路径是在第一和第二部分的织造层的不同层之间。

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