TWI500498B - Composite material fittings with intermediate necking three - dimensional braid construction and manufacturing methods - Google Patents

Description

具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件及製造方法

本發明係關於管形三維編織複合材料，並且特別地，本發明係關於一種具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件及其製造方法。

按，編織技術原本使用於布料，其係將絲線藉由特定的編織方法交錯而形成平面布料。複合材料結構中，亦常利用織物為加強物型態，且已廣泛運用於各種領域，例如，汽車、航空、航海、航太或醫療等。

而以疊層織布作為加強材的複合材料一般稱為二維疊層型態複合材料，其層間強度不足為重大缺點；例如火箭噴嘴中，絕熱層處於2000℃以上的高溫氣流環境中，在沖刷力和熱應力作用下，往往尚未達到分解降溫的設計功能，即已發生疊層剝離而加速剝蝕，因此疊層角度必須特別設計，尤應避免纖維與氣流平行或垂直。

三維結構型態的複合材料藉由加入厚度方向的加強材，可大幅改善二維結構層間強度不足的缺點。例如，美國專利第4,519,290揭示一種三維技術，其以碳纖維桿來加強火箭推進器噴管絕熱層壁厚方向的強度。然而，包括此專利之大多數三維技術，為了加強厚度方向的強度，往往犧牲其平面方向(in-plane)之結構強度，此乃由於其纖維含有率降低之故。

以三維編織技術所編織出之編織物，其所製成複合材料之纖維體積含量遠高於一般之三維結構型態之複合材料，故其結構不但能維持平面方向強度，並能大幅改善層間強度之問題。

先前已有可編織出實心構造的三維編織技術，然而，此技術並不適用於火箭推進器噴嘴絕熱層等空心圓管編織結構。

而典型火箭推進器噴嘴100(如第1圖)，為明確表示其方向，圖中並顯示火箭推進器局部110。如同典型的噴嘴，噴嘴100包括收斂段部位120、喉部130以及發散段部位140，基本上為一中間縮口而兩端內徑較大之管狀結構。噴嘴100之內層為絕熱層150，其作用為藉由燒蝕分解來減少熱量傳遞，藉以保護外殼結構160。外殼結構160和內層絕熱層之間可選擇性地設置隔熱層(未顯示)，以進一步降溫。

請再參閱第2圖，其示意地顯示，欲在一模心200上以三維編織技術製造第一圖之絕熱層150，纖維束210在編織拉力250作用下無法服貼於模心表面的情形。如圖示，模心200之收斂段220、喉部230和發散段240分別與第一圖之120、130和140對應。由圖可知，纖維束210不能服貼於模心的情形，於收斂段220部位尤其嚴重，於發散段部位240則較輕微。

雖然有美國專利第6,439,096號提出一種泛用型三維編織機，可編織各種不同斷面的桿或管狀結構，但並不適合編織圓管。

再由中華民國專利申請案097147865觀之，其係提出一種三維編織機，可用於直管或錐管構造之三維編織，但使用此技術編織中間縮口之管狀構造，實務上卻遭遇困難，原因是編織過程中纖維束承受的拉力使其不能服貼於模心上，導致編織預形體的喉徑太大，對於火箭推進器噴嘴來說，推力將大受影響。換言之，以習知方法製造中間縮口之三維編織複合材料管件並不能滿足設計需求，因而必須分段編織、分別固化成型、分別加工，然後再加以組合，道次非常繁瑣。

因此，本發明之一範疇在於提供一種具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件，以解決上述問題。

本發明之主要目的係在於，可使複合材料管件利用三維編織內層與纖維束外層之相互纏繞，而具有很高的環向強度，可分擔金屬外殼所受的拉應力，故金屬外殼之厚度可以減薄，達到減重的功效。

為達上述之目的，本發明係一種具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件及製造方法，該複合材料管件包含有一三維編織內層、及一設於三維編織內層外表面之纖維束外層。

於本發明上述之實施例中，該複合材料管件之一端係設有一收斂段，另端係設有一發散段，並於收斂段與發散段之間設有一中間縮口。

於本發明上述之實施例中，該三維編織內層係可為碳纖維/環氧樹脂三維編織複合材料。

於本發明上述之實施例中，該三維編織內層係可為三維編織碳/碳複合材料。

於本發明上述之實施例中，該纖維束外層係可為碳纖維/環氧樹脂繞線複合材料。

於本發明上述之實施例中，該纖維束外層係可為纖維繞線碳/碳複合材料。

於本發明上述之實施例中，該三維編織內層係具有纖維預拉力。

於本發明上述之實施例中，該纖維束外層係具有預拉力。

另於本發明之複合材料管件製造方法，至少包含有下列步驟；

步驟一：提供一具有模心上半部及模心之下半部之組合式模心，於該模心上半部進行三維編織內層之編織，待編織後再以束緊裝置將該三維編織內層夾緊於模心上半部之大徑端與小徑端。

步驟二：將該模心下半部與模心上半部結合，並以固定裝置防止鬆脫，再以其他束緊裝置將該三維編織內層夾緊於模心下半部。

步驟三：卸除靠近三維編織內層中央處之束緊裝置，並從三維編織內層中央處往兩端纏繞纖維束至其他未卸除之束緊裝置處，而於三維編織內層外表面形成一纖維束外層。

步驟四：以樹脂滲入該結合後之三維編織內層與纖維束外層中，並加溫使樹脂固化，而得到一複合材料管件。

於本發明上述之實施例中，該複合材料管件之一端係設有一收斂段，另端係設有一發散段，並於收斂段與發散段之間設有一中間縮口

於本發明上述之實施例中，該樹脂係可為環氧樹脂、酚醛樹脂或呋喃樹脂。

於本發明上述之實施例中，該樹脂係以樹脂轉注成型法滲入結合後之三維編織內層與纖維束外層中。

於本發明上述之實施例中，該樹脂係利用真空輔助樹脂轉移成型滲入結合後之三維編織內層與纖維束外層中。

於本發明上述之實施例中，該樹脂係利用壓力桶以高壓滲入結合後之三維編織內層與纖維束外層中。

於本發明上述之實施例中，該複合材料管件更可進一步進行重複滲膠/固化/碳化之緻密化程序，至達到需求的密度，成為碳/碳複合材料。

今透過以下發明詳細說明及所附圖式，可更清楚瞭解本發明之精神，以及前述和其他優點。

請參閱『第3圖～第8圖』所示，係分別為本發明複合材料管件之剖面狀態示意圖、本發明步驟一之示意圖、本發明步驟二之示意圖、本發明步驟三之示意圖及本發明步驟四之示意圖。如圖所示：本發明係一種具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件及製造方法，該複合材料管件300包含有一三維編織內層310、及一設於三維編織內層310外表面之纖維束外層320，且該複合材料管件300之一端係設有一收斂段330，另端係設有一發散段350，並於收斂段330與發散段350之間設有一中間縮口340。

其中該三維編織內層310係可為碳纖維/環氧樹脂三維編織複合材料、或為三維編織碳/碳複合材料，且該三維編織內層310係具有纖維預拉力；而該纖維束外層320係可為碳纖維/環氧樹脂繞線複合材料、或為纖維繞線碳/碳複合材料，且該纖維束外層320係具有預拉力。

為方便後續說明今先已第3圖觀之，當本發明以第3圖之複合材料管件300做為火箭推進器之噴嘴時，其方向係與第1圖(習用技術)相反，即收斂段330朝下，發散段350朝上，這是因為本發明係先從纖維束較能服貼於模心之發散段開始編織，且本案所採用之編織機係從上往下編織的緣故，如此，可使本發明之纖維束外層320與三維編織內層310結合後可一同進行後續滲膠製程，藉以能夠全程束緊該三維編織內層310，使其始終服貼於模心上，無鬆脫之虞。

而當本發明之複合材料管件300於製作時(請配合第4圖～第8圖所示)，至少可包含下列步驟(然各圖基本上均為軸對稱，為清楚顯示，各圖以剖面呈現；必須說明，編織厚度應該會隨著管徑而改變，但為求簡明，各圖係以等厚表現)：

步驟一：提供一具有模心上半部411及模心之下半部412之組合式模心410，首先將組合式模心410之上半部411固定於編織機之接座400，固定方式可為螺牙鎖合或任何可拆卸的形式；且該模心下半部412係先退到不干擾模心上半部411編織之位置，之後再於該模心上半部411進行三維編織內層310之編織，而使三維編織內層310之長度超過成型後之複合材料管件300，由於此步驟中該模心下半部412不會對三維編織內層310造成干擾，因此，即使三維編織內層310拉力460的作用下，該三維編織內層310仍大部份可服貼於模心上半部411，待編織後再以束緊裝置430、440、450將該三維編織內層310夾緊於模心上半部411之大徑端與小徑端(如第4圖所示)。

步驟二：將該模心下半部412往上推，使其與模心上半部411結合，並裝上固定裝置500，以防止模心下半部412與模心上半部411分離，之後再以其他束緊裝置510、520將該三維編織內層310夾緊於模心下半部412，於束緊過程中可上、下調整編織機接座400的位置，使編織機施加於纖維束之拉力530低於原先的拉力460，以便束緊力能夠將三維編織內層310夾緊到組合式模心410上，待固定好三維編織內層310之後，將拉力530釋放，並將三維編織內層310連同組合式模心410自三維編織機接座400卸下(如第5圖所示)，改安裝於繞線機上(圖未示)，而該繞線機可為製造高壓氣瓶所用的專用纖維束繞線成型機、或類似的機器，並不脫離本發明之範圍。

步驟三：卸除靠近三維編織內層310中央處(即第三圖所示中間縮口340位置處)之束緊裝置430，並從三維編織內層310中央處往兩端纏繞纖維束至其他未卸除之束緊裝置440、510處，而於三維編織內層310外表面形成一纖維束外層320而纏繞過程對纖維束施以適當拉力，使三維編織內層310貼緊於組合式模心410上，且可依所需選擇性地拆除束緊裝置440、510，並繼續往兩端纏繞碳纖維束，完成後如第6圖及第7圖所示。

步驟四：將結合後之三維編織內層310與纖維束外層320連同組合式模心410(如第7圖)浸入一盛裝樹脂之壓力桶中，其中該樹脂係可為環氧樹脂、酚醛樹脂或呋喃樹脂(圖未示)，於密閉後施以高壓使樹脂滲入該三維編織內層310與纖維束外層320中，並於浸泡樹脂之情況下，加溫至120℃使樹脂呈半固化狀態，然後由壓力桶中取出而置於真空袋中(圖未示)，且抽真空加壓並同時加溫至150℃以上，使樹脂固化成型(而此樹脂滲入及固化程序亦可採用樹脂轉注成型(Resin Transfer Molding)、或利用真空輔助樹脂轉注成型)，之後再卸除固定裝置500，並由兩端退出模心上半部411與模心下半部412，而得到一複合材料管件胚體300a(如第8圖所示)；最後再將複合材料管件胚體300a置於無氧的環境下緩慢升溫至800～900℃，使酚樹脂碳化，然後緩慢降至室溫，再重複滲膠/固化/碳化之緻密化程序，至達到需求的密度，成為碳/碳複合材料，最後可再以2600℃以上的高溫進行石墨化程序，進一步提高耐燒蝕性能，使三維編織內層310與纖維束外層320之預拉力進一步提高，在樹脂固化且自組合式模心410脫出之後，此預拉力會使固化後之樹脂產生預壓應力，如此，恰可抵銷升溫碳化過程產生的拉應力，因此，可避免裂縫產生，而能夠降低製程報廢率；待完成前述緻密化程序之後，可對複合材料管件胚體300a進行加工截取需要之部位，而作為火箭推進器之噴嘴，例如：截取A到B間之部位即為如第三圖所示之複合材料管件300，或者是當需要外殼和隔熱層時，噴嘴絕熱層必須分成前、後段以便組裝，此情況下，可沿C或B間任何一處將複合材料管件300裁切成兩段。

如此，使本發明之中間縮口340採用三維編織內層310與纖維束外層320所構成之複合材料管件300，藉以作為火箭推進器之噴嘴使用時，可降低燒蝕率維持必要的推力，然而燒蝕率低可維持中間縮口340之強度使其不會擴大，而讓本發明之複合材料管件300利用纖維束外層320之纏繞而具有很高的環向強度，可分擔金屬外殼所受的拉應力，故金屬外殼之厚度可以減薄，達到減重的功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

(習用部分)

100．．．火箭推進器噴嘴

110．．．火箭推進器局部

120．．．收斂段部位

130．．．喉部

140．．．發散段部位

150．．．為絕熱層

160．．．外殼結構

200．．．模心

210．．．纖維束

220．．．收斂段

230．．．喉部

240．．．發散段

250．．．編織拉力

(本發明部分)

300．．．複合材料管件

300a．．．複合材料管件胚體

310．．．三維編織內層

320．．．纖維束外層

330．．．收斂段

340．．．中間縮口

350．．．發散段

400．．．編織機接座

410．．．組合式模心

411．．．模心上半部

412．．．模心之下半部

430、440、450、510、520．．．束緊裝置

460、530．．．拉力

500．．．固定裝置

第1圖，係習用之火箭推進器噴嘴示意圖。

第2圖，係習用之編織狀態示意圖。

第3圖，係本發明複合材料管件之剖面狀態示意圖。

第4圖，係本發明步驟一之示意圖。

第5圖，係本發明步驟二之示意圖。

第6及第7圖，係本發明步驟三之示意圖。

第8圖，係本發明步驟四之示意圖。

300．．．複合材料管件

310．．．三維編織內層

320．．．纖維束外層

330．．．收斂段

340．．．中間縮口

350．．．發散段

Claims (3)

1. 一種具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件製造方法，其包括下列步驟：步驟一：提供一具有模心上半部及模心之下半部之組合式模心，於該模心上半部進行三維編織內層之編織，待編織後再以束緊裝置將該三維編織內層夾緊於模心上半部之大徑端與小徑端；步驟二：將該模心下半部與模心上半部結合，並以固定裝置防止鬆脫，再以其他束緊裝置將該三維編織內層夾緊於模心下半部；步驟三：卸除靠近三維編織內層中央處之束緊裝置，並從三維編織內層中央處往兩端纏繞纖維束至其他未卸除之束緊裝置處，而於三維編織內層外表面形成一纖維束外層；步驟四：以樹脂滲入該結合後之三維編織內層與纖維束外層中，並加溫使樹脂固化，而得到一複合材料管件。
2. 如申請專利範圍第1項之具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件製造方法，其中，該複合材料管件之一端係設有一收斂段，另端係設有一發散段，並於收斂段與發散段之間設有一中間縮口。
3. 如申請專利範圍第1項之具有中間縮口三維編織構造之複合材料管件製造方法，其中，該樹脂係可為環氧樹脂、酚醛樹脂或呋喃樹脂。