TWI599473B - 由纖維複合材料製成之組件 - Google Patents

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馬可斯 施爾德
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西格里碳素歐洲股份有限公司
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Description

由纖維複合材料製成之組件
本發明關於一種組件，例如用於熔融金屬的坩堝，其係由纖維複合材料所製成，該纖維複合材料包含至少三層逐層配置之纖維材料的纏繞層；及用於製造此種組件之方法。
由纖維複合材料製成之纏繞組件係用於各種不同技術領域，例如用於製造熔融坩堝或壓力容器。為了製造此等組件，慣常將纖維線(視需要浸漬有黏合劑)纏繞在纏繞核及鋪設在該纏繞核上。此處之纖維線(亦表示為粗紗)可包含各種不同個別碳纖維、玻璃纖維、陶瓷纖維或聚芳醯胺纖維，其可嵌埋入由聚合物或陶瓷之黏合劑所形成的基質，其中該聚合物基質隨後可利用碳化轉化成碳基質。如此，該從該等纏繞層所形成之組件(視需要於移除纏繞核之後及於適當固化之後，及視需要於該黏合劑碳化之後)可從碳纖維強化之塑膠(CRP)、碳纖維強化之碳(CRC)、碳纖維強化之陶瓷或陶瓷纖維強化之陶瓷(CMC)構成。
通常此種組件之各纏繞層包含複數個纏繞圈，該等纏繞圈係以相同定向配置，即至少基本上平行、彼此相鄰或彼此重疊，如此利用各纏繞層，該纏繞層之至少一區段被該纖維材料完全覆蓋，即該等纏繞圈之間不形成空隙或間隙。該等個別纏繞層從而依次纏繞在該纏繞核上，其中各 層中之個別纏繞圈係如所述般至少基本上彼此平行。此處各種纏繞層之纏繞圈的纏繞角可相同或不同。在所謂交叉纏繞實體中，材料纏繞層之纏繞角具有相同數值，但相對於相同參考軸之正負號不同。
該類型之組件，即從複數層以逐層堆疊之形式配置的纏繞層所構成之完整纏繞實體(其各層本身具有完全覆蓋設計)為例如得自EP 0 333 013 B1之先前技術。
該等先前技術之組件的缺點係在個別纏繞層之間未獲得機械連接；反之，在所有例中，個別纏繞層之間存在相對弱之相互作用，其係由化學及/或物理黏合力構成，例如呈接合各種纏繞層之黏合劑的形式。為此，需要改善在導論中所提及之先前技術組件類型的安定性，尤其是機械強度，諸如耐衝擊強度或層間剪切強度。
因此，本發明目的係改善纏繞纖維複合組件之安定性及機械強度。
根據本發明，此目的係藉由具有申請專利範圍第1項之特徵的組件獲致。
根據本發明，從纖維複合材料製成之組件包含至少三層逐層配置之纖維材料的纏繞層，其中該等纏繞層各者包含一或多個纏繞圈，其中- 就包含多於一個纏繞圈的各纏繞層而言，該纏繞層的所有纏繞圈具有相同纏繞角，且於纏繞圈之間的至少某 些區段中藉由在該等纏繞圈之間形成間隙使之彼此分開。
- 至少兩層纏繞層之間的所有纏繞圈在各例中具有相同第一纏繞角，且
- 至少一纏繞層的一或多個纏繞圈均具有第二纏繞角，該至少一纏繞層係配置在具有相同第一纏繞角之纏繞圈的至少兩纏繞層之間，其中該第二纏繞角之數值不同於該第一纏繞角之數值，且其中該等具有第二纏繞角之纏繞圈中的至少一者較佳係與該等具有第一纏繞角之纏繞圈中的至少一者交叉。
在本發明內容中，纏繞層應理解為若該纏繞層包含複數個纏繞圈，該一或複數個纏繞圈係至少基本上彼此平行且因此不彼此交叉。因此，在最簡單之例中，纏繞層係由一個纏繞圈所構成，其中與此纏繞層相鄰之纏繞層的纏繞圈一定具有其他纏繞角，亦即，該等纏繞層並不與該纏繞層之該纏繞圈至少基本上平行。或者，本發明內容中之纏繞層亦可包含複數個至少基本上彼此平行之纏繞圈，其中根據本發明，於纏繞層之個別纏繞圈之間的至少某些區段中存在間隙，即，彼此相鄰配置之纏繞層的纖維線區段相對於彼此具有(該組件之平面圖)特定(較佳係恆定)間隔距離。由於一纏繞層之所有纏繞圈具有相同纏繞角，故一纏繞層中之所有纏繞圈不交叉。一纏繞層中之纏繞圈較佳係不彼此重疊，在纏繞程序期間該纏繞核繞以旋轉之中心點除外。在上述中心點處，介於鋪設之纏繞圈之間可能發生不可避免的重疊。
此處，纏繞圈表示完全環繞該纏繞核之周圍表面(即 ，該組件之周圍表面)一次的纏繞層區段。換言之，纏繞圈對應於藉由纏繞機器兩次行程所鋪設之纖維材料區段。
應暸解纏繞角為個別纏繞圈相對於原則上在該纏繞核上之任何參考軸的角度。換言之，即使纏繞圈稍後因纖維線在鋪設之後些許滑動而稍微改變，纏繞角為假設在纏繞圈鋪設在纏繞核上時該纏繞圈之縱軸相對於參考軸之角度。若纏繞核經組態成圓柱形對稱，該纖維線不發生滑動，因此在該例中纏繞角為假設該鋪設之纏繞圈的縱軸相對於參考軸的角度。
至於最終組件，此意指具有至少一個圓柱形對稱區段之組件，其中該一或多個圓柱形對稱區段構成該組件的總表面的至少20%，在本發明內容中，纏繞角係鋪設在該等一或多個圓柱形對稱區段之纏繞圈的區段之縱軸相對於參考軸的角度，此係與該組件中與該圓柱形對稱區段不同之區段中的纏繞圈之定向無關。就所有其他組件而言，本發明內容中之「纏繞圈」表示介於纏繞圈與測地線(其完全環繞該纏繞核之周圍表面(即，該組件之周圍表面)，在旋轉對稱纏繞核或組件之例中，與該纏繞核或組件之旋轉軸平行，及在非旋轉對稱纏繞核或組件之例中，與該纏繞核或組件之縱軸平行)之間的角度。接著，在上述術語「纏繞角」之定義下，所有纏繞圈基本上為直線，在此情況下，本發明內容中應暸解存在纏繞圈上每一點之纏繞角除以所有對應纏繞角之算術平均的標準差小於0.5。此理想直線組態的可容許標準差顧及尤其是具有曲率之區域(諸如 介於該纏繞核或組件之周圍表面的圓柱形區域及圓錐形區域之間的過渡區域)中，在以經界定角度鋪設程序期間之纏繞角可滑動最少量，其原因係該纏繞圈中可能發之纏繞角的特定少許改變。除上述標準差之外，根據本發明，介於每一纏繞圈之最大纏繞角與最小纏繞角之間的差異小於1°，較佳係差異最大值為0.8°，尤佳係差異最大值為0.5°度，及最佳係差異最大值為0.2°。
如上述，纏繞層之所有纏繞圈的纏繞角係相同。為了再次考慮個別纏繞圈鋪設之後其部分區段的可能滑動，應暸解本發明內容中之術語「相同纏繞角」意指纏繞層中之所有纏繞圈相對於測地參考線(其完全環繞該纏繞核之周圍表面(即，該組件之周圍表面)，在旋轉對稱纏繞核或組件之例中，與該纏繞核或組件之旋轉軸平行，及在非旋轉對稱纏繞核或組件之例中，與該纏繞核或組件之縱軸平行)之纏繞角彼此差異小於1°，較佳係差異最大值為0.8°，尤佳係差異最大值為0.5°，最佳係差異最大值為0.2°。
如此，本發明組件位於至少兩層具有相同第一纏繞角之纏繞層之間，一纏繞層具有第二其他纏繞角。藉由在纏繞層之個別纏繞圈之間創新地提供的間隙，由該等纏繞層之不同纏繞角所構成的纏繞圖案以交織方式彼此重疊。由於第一與第二纏繞角之數值不同，在對應纏繞層之間的過渡中，不只纏繞角之正負號如在先前技術之交叉纏繞實體之例般改變。因此，根據本發明，介於纏繞圈之間的交叉如交叉纏繞實體般不均勻地分布在纏繞區域；而非介於本 發明組件中之個別纏繞層之間的交叉不均勻分布。此尤其意味著該組件獲致較佳負荷分布，因此獲致提高之機械強度。若存在具有完全覆蓋之纏繞圈的單一配置，則已獲得提高之機械強度。
由於本發明之個別纏繞層之配置種類，消除諸如存在先前技術之纏繞實體中之個別纏繞層之間的清晰分離，因此纏繞層之繼續在各例中與一或多層配置在先前層之上及/或之下的纏繞層的間隙接合。此意味著有效地形成混合層或組合層，其中所獲致之最終結果係單一連續完整纏繞實體。因而伴隨著與梭織物相似之編織結構，其中層間接合比先前技術之對應結構有所改善。
然而在根據先前技術之纏繞繼續複合組件之例中，存在之纏繞層彼此清楚地分開，且最佳係藉由化學及/或物理性相互反應接合，在本發明組件之例中，個別纏繞層之間存在機械性編織或交織，因此該組件獲致顯著較高安定性及機械強度，尤其是經改善之衝擊抗性及破損容忍度。因此發明組件亦可用於具有最嚴格負荷要求之應用，例如裝甲鍍覆。
存在個別纏繞圈之間的間隙之大小(即，在纏繞層之平面圖中介於纏繞層之個別纖維線之間的間隔距離)，以及個別纏繞角之順序或介於個別纏繞層之間的纏繞圖案原則上可在廣泛範圍內變化，其視應用要求而定。
從逐層配置之所有纏繞層所形成的完整纏繞實體較佳係在平面圖中不存在任何間隙。換言之，纏繞層完全逐層 配置於其所纏繞之纏繞核的區段(即，纏繞層所纏繞之組件的周圍表面)上。該等纏繞層因而形成無空隙之組件壁，例如坩堝之容器壁。如此，介於纏繞層之纏繞圈之間的間隙不用於製造具有穿孔壁之組件，而是用於以交織方式提供其他纏繞層之纏繞圈。
根據本發明之一組態，在包含多於一個纏繞圈之各纏繞層中，存在該纏繞層中介於該等纏繞圈之間的間隙之表面積總和對於纏繞層的總表面積之比計為0.05000至0.99999，較佳為0.90000至0.99999，尤佳為0.99000至0.99999，最佳為0.99990至0.99999。此種表面積比已證實對於組件之安定性及機械強度尤其有利。
根據本發明，一纏繞層中所有纏繞圈的纏繞角彼此相差少於1°，較佳係差異最大值為0.8°，尤佳係差異最大值為0.5°，最佳係差異最大值為0.2°。此促進組件之均勻機械強度。
在一方面，根據本發明，第二纏繞角之數值與第一纏繞角之數值相差至少1°，較佳係相差至少2°，尤佳係相差至少3°，極佳係相差至少4°，最佳係相差至少5°。為了獲致纏繞層之間之明顯交織，避免具有太過相似纏繞圖案之纏繞層的配置較為有益。
較佳係纏繞層中之至少一者的至少一個纏繞圈之至少部分區段係與配置在該纏繞層下方及/或上方的纏繞層之至少一個間隙接合。對應纏繞層之纏繞圈因此並非精密地彼此堆疊，而是各例中一纏繞層之纏繞圈突出至其他纏繞 層，如此伴隨產生介於纏繞層之間的牢固機械連接。
根據本發明具體實例之尤佳形式，具有具第一纏繞角之纏繞圈)的纏繞層中之至少一者的所有纏繞圈與具第二纏繞角之至少一個纏繞圈的至少一纏繞層的間隙接合，及/或與具有具第一纏繞角之纏繞圈的其他纏繞層的間隙接合。為此目的，個別纏繞層之具有第一纏繞角的纏繞圈較佳係相對彼此位移地配置，如此該等含有具有第一纏繞角之纏繞圈的纏繞層之一的纏繞圈係配置在該含有具有第一纏繞角的纏繞圈之其他纏繞層的間隙上方。此意味獲致相對於纏繞核(即，組件)之周圍表面的纏繞圈之均勻交纏，因此獲致尤其高之組件強度。
各纏繞層可包含1至2,000，較佳為1至250，尤佳為1至150，極佳為1至10個纏繞圈。纏繞圈之數目特別係由所提及之應用的要求而定。
此外，組件較佳包含至少10，較佳為200至10,000，尤佳為500至10,000，最佳為2,000至5,000層逐層配置之纏繞層。藉由調整逐層配置之纏繞層的數目，可以具有預定纖維線強度之纖維線獲致所希望之壁厚度(即，組件之所希望機械強度)。
根據本發明具體實例之其他較佳形式，具有具第一纏繞角之纏繞圈的纏繞層與具有具第二纏繞角之纏繞圈的纏繞層在各例中係以交錯順序逐層配置，尤佳係其直接逐層配置。在此具體實例之形式中，所得之纏繞圖案與交叉纏繞實體的纏繞圖案相似，然而其中與交叉纏繞實體相反的 是，利用纏繞角之數值差異獲致所希望之交織效果。
除了具有具第二纏繞角之纏繞圈的纏繞層之外的至少一額外纏繞層可配置在至少兩層具有具第一纏繞角之纏繞圈的纏繞層之間。藉由提供此種「中間層」，可以所希望之方式影響組件的機械性質。此處，至少一額外纏繞層可包含一或複數個纏繞圈，其中該等纏繞圈均具有第三纏繞角，其數值與第一纏繞角之數值及第二纏繞角之數值不同。以此方式，可將三或更多不同纏繞角彼此組合以提高纏繞層之間的交織效果，因此提高組件強度。
所有具有第二纏繞角之纏繞圈較佳係與至少一個具有第一纏繞角的纏繞圈交叉。如此，不只具有配置在纏繞核上之具有第二纏繞角的纏繞圈與具有第一纏繞角的纏繞圈空間上隔開。而是，具有不同纏繞角之纏繞圈彼此重疊及與纏繞核(即，組件)之相同區段重疊，其中藉由伴隨不可避免之不同纏繞角的交叉，最終結果改善纏繞層之間的連接。
纖維較佳係選自由以下者所組成之群組：碳纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、聚合物纖維及二或多種上述材料的混合物，其中該聚合物纖維較佳為聚醯胺纖維，尤其是聚芳醯胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、氧化之聚丙烯腈纖維，以及二或多種上述材料的共聚物之纖維，及二或多種上述材料的混合物。此等纖維材料適用於產生具有高機械強度的纏繞組件。此處，纖維的平均直徑可為例如介於3與20 μm之平均值。亦可使用纖維束，其中 每束鋪設之纖維束的平均纖維束的纖維數可介於500與400,000之間，較佳係介於1,000與50,000之間，尤佳係介於3,000與50,000之間。
本發明組件尤其係由碳纖維強化之碳(CFC)、碳纖維強化之塑膠(CFP)、碳纖維強化之陶瓷或陶瓷纖維強化之陶瓷(CMC)所組成。此等複合材料的性質當中尤其顯著的是高機械與熱安定性、高衝擊抗性、高化學抗性及高化學純度水準。
逐層配置之纏繞層較佳形成自撐式纏繞實體。也就是說，用於纏繞纖維材料之目的的纏繞核在組件之製造完成之前係予以移除，使得形成由纏繞層所包覆之中空空間。以此方式，該組件可作為中空輪廓或作為容器使用。
根據組件之其他具體組態，組件係設計為用於熔融及結晶金屬或半金屬之坩堝。
本發明亦關於用於從纖維複合材料製造組件之方法，其中至少三層纖維材料係纏繞於纏繞核上，其中- 對該至少三層纏繞層各纏繞一或複數個纏繞圈，其中具有多於一個纏繞圈之纏繞層的所有纏繞圈係以相同纏繞角彼此分開地纏繞於纏繞核上，於纏繞圈之間的至少某些區段中形成間隙，- 該等纏繞層中之至少兩層的纏繞圈係以相同第一纏繞角纏繞於纏繞核上，及- 至少一層纏繞層之具有第二纏繞角的一或多個纏繞圈(該第二纏繞角之數值與第一纏繞角之數值不同)均纏繞 於纏繞核上，使得該纏繞層係配置在該至少三層具有具第一纏繞角之纏繞圈的纏繞層之間，且該等具有第二纏繞角的纏繞圈中之一者較佳係與該等具有第一纏繞角的纏繞圈中之至少一者交叉。
結合留在纏繞層中之間隙，不同纏繞圖案之重疊使得個別纏繞層可能交纏，因此使得可能具有特定交織或編織效果，此提高所製造組件之機械安定性。
該等至少三層纏繞層之纏繞圈較佳係纏繞於纏繞核上，使得彼等完全覆蓋該纏繞核的至少一區段。該纏繞層之區段形成在最終組件上無空隙之連續壁。
就各纏繞層而言，該等纏繞圈可從纖維材料彼此分開地纏繞於纏繞核上，各例中在至少某些區段中形成間隙，使得存在纏繞層中介於該等纏繞圈之間的間隙之表面積總和對於纏繞層的總表面積之比計為0.05000至0.99999，較佳為0.90000至0.99999，尤佳為0.99000至0.99999，最佳為0.99990至0.99999。此種表面積比已證實對於組件之安定性尤其有利。
本發明方法可包括其他步驟：- 在纏繞程序之前、期間或之後以黏合劑浸漬該纖維材料，及- 在該浸漬之後及該纖維材料之纏繞之後固化該黏合劑。
纖維材料之浸漬較佳係在纏繞程序期間進行。然而，或者，纏繞程序亦可使用已經預浸漬及/或安定化之纖維 材料(預浸料胚)進行。原則上，可使用所有熟悉本技術之人士已知之黏合劑，其中若該材料選自由以下所組成之群組尤其獲得良好結果：環氧樹脂、酚樹脂、乙烯基酯樹脂、聚酯樹脂、聚胺基甲酸酯樹脂、苯并樹脂、酚醛清漆、氰酸酯樹脂、雙順丁烯二醯亞胺樹脂、唑啉、聚烯烴(諸如例如聚丙烯)、工業熱塑性塑膠(諸如例如聚醯亞胺)及前文提及之材料的二或多者之混合物。此外，黏合劑可具有適用之填料，諸如例如碳或石墨粒子，或經研磨纖維，或短長度之纖維。此外，適用添加劑，諸如例如硬化劑、加速劑、乳化劑、內部釋離劑及相似者可添加至黏合劑中。
視黏合劑之類型而定，固化程序可以熱方式及/或化學方式進行。
在固化之後，可執行碳化及/或石墨化程序，以將基質材料轉化成碳。以此方式，可製造碳纖維強化之碳複合材料。此處，碳化較佳係在400至1200℃，尤佳係在600至1000℃之溫度下執行，然而石墨化較佳係在1400至3000℃，尤佳係在1600至2400℃之溫度下執行。
為了進一步提高基質之碳含量，即，提高纖維複合材料之密度，可在碳化及/或石墨化之後，使用適用之樹脂及/或瀝青執行一或複數個其他流體緻密化步驟。在每一此種流體緻密化步驟之後，執行碳化及/或石墨化程序。亦可使用以CVI(化學氣相滲入)原則操作之方法以進一步提高基質中之碳含量。
根據本發明一具體組態，含有碳纖維之連續纖維線係鋪設在纏繞程序之纏繞核上。
在纏繞層纏繞於纏繞核之前，尤其可產生及/或組態一程式，其含有用於關於纏繞程序之自動纏繞機器的控制指令，其中該等纏繞圈之纏繞係藉由執行該等控制指令來進行。然後，纏繞程序本身可完全自動化進行。
根據如圖1至4所示之本發明具體實例的第一實施例，從纖維複合材料製造用於熔融金屬之坩堝，其中複數層纖維材料之纏繞層係纏繞在纏繞核或纏繞心軸11上。該纏繞核11(只顯示其一部分)為具有圓柱形外套部分13及圓頂形頭部部份15之金屬中空體。在支撐框架(未圖示)上，纏繞核11係經安裝以使得其可繞旋轉軸R旋轉，其中纏繞機器之可移動進料頭(亦未圖示)係經配置，使得其可將在纏繞核11上鋪設由浸漬有黏合劑之碳纖維所構成之連續纖維線17。以此方式，產生在各例中係完全繞該纏繞核11一次之纏繞圈23。在鋪設程序期間，連續纖維線17係浸漬有可固化黏合劑。
在鋪設經浸漬連續纖維線17期間，藉由移動進料頭及藉由繞旋轉軸R旋轉纏繞核11，在纏繞圈23與測地線(其與該旋轉軸R平行地完全環繞該纏繞核11的周圍表面)之間組態特定纏繞角β。
以此方式纏繞第一纏繞層20a，其纏繞圈23均具有 45°之纏繞角β。連續纖維線17係與彼此隔開地鋪設，使得在個別纏繞圈23之間存在間隙25。
為了實施藉由在纏繞核上或在先前纏繞層上之纏繞層的相對低滑動摩擦程度將不可行的預定之纏繞角，可另外在纏繞核上提供插針(即，插針之隆起)；此等使纏繞層相對於纏繞核保持(即安定化)在適當位置。若一纏繞層相對於下一者之纏繞角交錯大到藉由相對低滑動摩擦程度無法將纏繞層安定地保持在纏繞核或先前纏繞層上，使用插針亦尤其有利。
根據圖2，然後將第二纏繞層20b纏繞於纏繞核11上在該第一纏繞層20a之上，其中第二纏繞層20b之纏繞圈23具有0°之纏繞角。
按照此做法，根據圖3，將第三纏繞層20c纏繞於該纏繞核11上在該第二纏繞層20b之上。以與第一纏繞層20a之纏繞圈23的相同方式，第三纏繞層20c之纏繞圈23具有45°之纏繞角，但相對於該第一纏繞層20a之纏繞圈23位移，使得彼等位於該第一纏繞層20a之間隙25上。同時，該第二纏繞層20b之纏繞圈23係某種程度地壓入間隙25。
此外，根據圖4，將第四纏繞層20d纏繞於該纏繞核11上在該第三纏繞層20c之上。以與第二纏繞層20b之纏繞圈23的相同方式，第四纏繞層20d之纏繞圈23具有0°之纏繞角，但相對於該第二纏繞層20b之纏繞圈23位移，使得彼等位於該第二纏繞層20b之間隙25上。該第三 纏繞層20c之纏繞圈23從而壓入位在彼等下方之對應間隙25。
藉由兩種不同纏繞角，該第一纏繞層20a之纏繞圈23與該第二纏繞層20b及該第四纏繞層20d之纏繞圈23交叉。同樣的，該第三纏繞層20c之纏繞圈23與該第二纏繞層20b及該第四纏繞層20d之纏繞圈23交叉。
彼此交錯之兩個0°及45°纏繞角僅以舉例方式來選擇。在本發明之具體實例的其他實例中，提出第一、第二、第三及第四纏繞層20a,20b,20c,20d之纏繞圈23具有數值為0.3°、2°、5°及6°之纏繞角。
然後將其他纏繞層纏繞在既有之纏繞層20a,20b,20c，20d上，直到所有逐層配置之之纏繞層的纏繞圈23完全覆蓋該纏繞核11之外套部分13及頭部部份15。
最後，經浸漬之連續纖維線17的黏合劑係熱固化或化學固化，且移除纏繞核。此可以例如在已產生之與頭部部份15相對的纏繞實體區段拆離，且從該纏繞實體拉出該纏繞核11之方式發生，如此產生逐層配置之纏繞層的中空體，其形成坩堝。此外，在移除纏繞核11之前或之後，可發生碳化及/或石墨化，以將黏合劑轉化成非晶形碳或石墨。
圖5至7顯示具有已鋪設浸漬有黏合劑之連續纖維線17的其他纏繞核11，其中可看出纏繞圈係被導過纏繞核11之端面開口33。可旋轉軸29通過開口33延伸，該可旋轉軸29界定旋轉軸R。從圖6亦可看出，以不同於圖1 至4中所示之具體實例之例的方式，所有纏繞圈23在旋轉軸R通過纏繞核11之頭部部份15的中心點31處交叉。
為了自動執行纏繞程序之目的，在纏繞圈23纏繞於纏繞核11上之前產生及/或組態電腦程式；該電腦程式含有關於驅動可旋轉軸29及進料頭之纏繞程序的控制指令。然後，上述用於纏繞圈23之纏繞程序完全藉由執行該等控制指令而自動進行。
圖8顯示根據具體實例之其他實施例的鋪設在纏繞核上之纏繞圖案的區段之側視圖。從該圖可看出纏繞圈23之個別纏繞層20a,20b在各例中以數值不同之纏繞角彼此交叉，其中該等交叉不均勻分布，因此獲致創新之所希望交織效果，在該基礎上，組件之機械安定性及機械強度，尤其是衝擊抗性及破損容忍度提高。
圖9a至9d顯示纏繞核之區段的側視圖，其中在圖9a中所示之纏繞核區段上鋪設兩層纏繞層20a,20b，在圖9b中所示之纏繞核區段上鋪設四層纏繞層20a,20b,20c,20d，在圖9c中所示之纏繞核區段上鋪設六層纏繞層20a,20b,20c,20d,20e,20f，及在圖9d中所示之纏繞核區段上鋪設八層纏繞層20a,20b,20c,20d,20e,20f,20g,20h。在各例中，纏繞層中之二者20a及20b，或20c及20d，或20e及20f，或20g及20h具有數值方面相同之纏繞角，但正負號不同，而其他纏繞層具有在各例中數值與第一對不同之纏繞角。本發明內容中，該等交叉纏繞層在各 例中呈兩層不同纏繞層之形式。在該纏繞圖案之例中亦伴隨不均勻分布之交叉，其原因係獲致創新之所希望交織效果，藉此使組件之機械安定性及機械強度，尤其是衝擊抗性及破損容忍度提高。
11‧‧‧纏繞核
13‧‧‧外套部分
15‧‧‧頭部部份
17‧‧‧連續纖維線
20a,20b,20c,20d‧‧‧纏繞層
20e,20f,20g,20h‧‧‧纏繞層
23‧‧‧纏繞圈
25‧‧‧間隙
27‧‧‧交叉點
29‧‧‧可旋轉軸
31‧‧‧中心點
33‧‧‧端面開口
R‧‧‧旋轉軸
β,γ,δ‧‧‧纏繞角
在下文中，本發明茲參考附圖，藉由解釋本發明但不予以限制之實例進一步說明。
圖1為纏繞核之側視圖，根據具體實例之第一實施例，該纏繞核上纏繞纖維材料之第一纏繞層。
圖2顯示根據圖1之纏繞核，其具有纏繞在該第一纏繞層上的額外第二纏繞層。
圖3顯示根據圖1之纏繞核，其具有纏繞在該第二纏繞層上的額外第三纏繞層。
圖4顯示根據圖1之纏繞核，其具有纏繞在該第三纏繞層上的額外第四纏繞層。
圖5為纏繞核之側視圖，根據具體實例之第二實施例，該纏繞核上兩層纏繞逐層配置之纖維材料的纏繞層。
圖6根據圖5之纏繞核的透視圖。
圖7根據圖5之纏繞核的另一透視圖。
圖8為根據具體實例之其他實施例的鋪設在纏繞核上之纏繞圖案的區段之側視圖。
圖9a至9d顯示根據具體實例之其他實施例的纏繞核之區段的側視圖，該纏繞核上纏繞兩層纖維材料之纏繞層 (圖9a)、四層纖維材料之纏繞層(圖9b)、六層纖維材料之纏繞層(圖9c)及八層纖維材料之纏繞層(圖9d)。
11‧‧‧纏繞核
13‧‧‧外套部分
15‧‧‧頭部部份
17‧‧‧連續纖維線
20a‧‧‧纏繞層
23‧‧‧纏繞圈
25‧‧‧間隙

Claims (24)

  1. 一種纖維複合材料之組件，其包含至少三層逐層配置之纖維材料的纏繞層(20a,20b,20c)，其中- 該等纏繞層(20a,20b,20c)各者具有一或多個纏繞圈(23)，其中就包含多於一個纏繞圈的各纏繞層(20a,20b,20c)而言，該纏繞層(20a,20b,20c)的所有纏繞圈(23)均具有相同纏繞角(β)，而於纏繞圈(23)之間的至少某些區段中形成間隙，- 該等纏繞層中之至少兩層(20a,20c)之間的所有纏繞圈(23)在各例中具有相同第一纏繞角(β)，且- 至少一纏繞層(20b)的一或多個纏繞圈(23)均具有第二纏繞角(γ)，該至少一纏繞層(20b)係配置在具有相同第一纏繞角(β)之纏繞圈(23)的至少兩纏繞層(20a,20c)之間，其中該第二纏繞角(γ)之數值不同於該第一纏繞角(β)之數值，且其中該等具有第二纏繞角(γ)之纏繞圈(23)中的至少一者與該等具有第一纏繞角(β)之纏繞圈中的至少一者交叉。
  2. 如申請專利範圍第1項之組件，其中由逐層配置之所有纏繞層(20a,20b,20c)所形成的完整纏繞實體在平面圖中沒有間隙。
  3. 如申請專利範圍第1項之組件，其中在包含多於一個纏繞圈(23)之各纏繞層(20a,20b,20c)中，存在該纏繞層(20a,20b,20c)中介於該等纏繞圈(23)之間的間隙(25)之表面積總和對於纏繞層(20a,20b,20c)的總表面積之比計為 0.05000至0.99999，較佳為0.90000至0.99999，尤佳為0.99000至0.99999，最佳為0.99990至0.99999。
  4. 如申請專利範圍第1項之組件，其中一纏繞層(20a,20b,20c)中所有纏繞圈(23)的纏繞角(β)彼此相差少於1°，較佳係差異最大值為0.8°，尤佳係差異最大值為0.5°，最佳係差異最大值為0.2°。
  5. 如申請專利範圍第1項之組件，其中第二纏繞角(γ)之數值與第一纏繞角(β)之數值相差至少1°。
  6. 如申請專利範圍第1項之組件，其中該等纏繞層(20a,20b,20c)中之至少一者的至少一個纏繞圈(23)之至少部分區段係與配置在該纏繞層下方及/或上方的纏繞層(20a,20b,20c)之至少一個間隙(25)接合。
  7. 如申請專利範圍第6項之組件，其中具有具第一纏繞角(β)之纏繞圈(23)的纏繞層(20a)中之至少一者的所有纏繞圈(23)與具第二纏繞角(γ)之至少一個纏繞圈(23)的至少一纏繞層(20b)的間隙(25)接合，及/或與具有具第一纏繞角(β)之纏繞圈(23)的其他纏繞層(20c)的間隙(25)接合。
  8. 如申請專利範圍第1項之組件，其中纏繞層(20a,20b,20c)各包含1至2,000，較佳為1至250，尤佳為1至150，最佳為1至10個纏繞圈(23)。
  9. 如申請專利範圍第1項之組件，其中該組件包含至少10，較佳為200至10,000，尤佳為500至10,000，最佳為2,000至5,000層逐層配置之纏繞層(20a,20b,20c)。
  10. 如申請專利範圍第1項之組件，其中具有具第一 纏繞角(β)之纏繞圈(23)的纏繞層(20a,20c)與具有具第二纏繞角(γ)之纏繞圈(23)的纏繞層(20b)在各例中係以交錯順序直接逐層配置。
  11. 如申請專利範圍第1項之組件，其中除了具有具第二纏繞角(γ)之纏繞圈(23)的纏繞層(20b)之外的至少一額外纏繞層係配置在具有具第一纏繞角(β)之纏繞圈(23)的至少兩纏繞層(20a,20c)之間。
  12. 如申請專利範圍第11項之組件，其中該至少一額外纏繞層包含一或複數個纏繞圈(23)，其中該等纏繞圈均具有第三纏繞角(δ)，其數值與第一纏繞角(β)之數值及第二纏繞角(γ)之數值不同。
  13. 如申請專利範圍第1項之組件，其中所有具有第二纏繞角(γ)之纏繞圈(23)均與具有第一纏繞角(β)之至少一個纏繞圈(23)交叉。
  14. 如申請專利範圍第1項之組件，其中纖維係選自由以下者所組成之群組：碳纖維、陶瓷纖維、玻璃纖維、聚合物纖維及二或多種上述材料的混合物，其中該聚合物纖維較佳為聚醯胺纖維，尤其是聚芳醯胺纖維、聚酯纖維、聚丙烯纖維、聚丙烯腈纖維、氧化之聚丙烯腈纖維，以及二或多種上述材料的共聚物之纖維，及二或多種上述材料的混合物。
  15. 如申請專利範圍第1項之組件，其中該纖維複合材料為碳纖維強化之碳(CFC)、碳纖維強化之塑膠(CFP)、碳纖維強化之陶瓷或陶瓷纖維強化之陶瓷(CMC)。
  16. 如申請專利範圍第1項之組件，其中該等逐層配置之纏繞層(20a,20b,20c)形成自撐式纏繞實體。
  17. 如申請專利範圍第1至16項中任一項之組件，其中該組件係設計為用於熔融及結晶金屬或半金屬之坩堝。
  18. 一種用於從纖維複合材料製造組件之方法，尤其是用於製造前述申請專利範圍中任一者之組件，其中至少三層纖維材料之纏繞層(20a,20b,20c)係纏繞於纏繞核(11)上，其中對該至少三層纏繞層(20a,20b,20c)各纏繞一或複數個纏繞圈(23)，其中具有多於一個纏繞圈(23)之纏繞層(20a,20b,20c)的所有纏繞圈(23)係以相同纏繞角(β)彼此分開地纏繞於纏繞核(11)上，於纏繞圈之間的至少某些區段中形成間隙(25)，- 該等纏繞層中之至少兩層(20a,20c)的纏繞圈(23)係以相同第一纏繞角(β)纏繞於纏繞核(11)上，及- 至少一層纏繞層(20b)之具有第二纏繞角(γ)的一或多個纏繞圈(23)(該第二纏繞角(γ)之數值與第一纏繞角(β)之數值不同)均纏繞於纏繞核(11)上，使得該纏繞層(20b)係配置在具有具第一纏繞角(β)之纏繞圈(23)的該至少兩纏繞層(20a,20c)之間，且該等具有第二纏繞角(γ)的纏繞圈(23)中之至少一者係與該等具有第一纏繞角(β)的纏繞圈(23)中之至少一者交叉。
  19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中該至少三層纏繞層(20a,20b,20c)之纏繞圈係纏繞於纏繞核(11)上，使 得彼等完全覆蓋該纏繞核(11)的至少一區段。
  20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中就各纏繞層(20a,20b,20c)而言，纖維材料之至少兩個纏繞圈(23)在各例中係彼此分開地纏繞於該纏繞核(11)上，在該等纏繞圈(23)之間的至少部分區段中形成間隙(25)，使得存在該纏繞層(20a,20b,20c)中介於該等纏繞圈(23)之間的間隙之表面積總和對於纏繞層(20a,20b,20c)的總表面積之比計為0.05000至0.99999，較佳為0.90000至0.99999，尤佳為0.99000至0.99999，最佳為0.99990至0.99999。
  21. 如申請專利範圍第18項之方法，其另外包括下列步驟：- 在纏繞程序之前、期間或之後以黏合劑浸漬該纖維材料，及- 在該浸漬之後及該纖維材料之纏繞之後固化該黏合劑。
  22. 如申請專利範圍第21項之方法，其中該固化程序係熱進行及/或化學進行。
  23. 如申請專利範圍第18項之方法，其中將含碳纖維(17)之連續纖維線鋪設在用於纏繞的纏繞核(11)上。
  24. 如申請專利範圍第18至23項中任一者之方法，其中在將纏繞層(20a,20b,20c)纏繞於纏繞核(11)之前產生及/或組態一程式，該程式含有用於關於纏繞程序之自動纏繞機器的控制指令，其中該等纏繞圈(23)之纏繞係藉由執行該等控制指令來進行。
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