TWI604945B - 具一體偏軸加強件之編織預成形體 - Google Patents

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Description

具一體偏軸加強件之編織預成形體 相關申請案
本案可被視為相關於2004年12月8日申請之No. 11/007,600和2008年10月29日申請之No. 12/260,689等美國專利申請案，其完整揭露併此附送。
發明領域
本發明概有關於編織預成形體，且尤係有關使用於強化複合材料的編織預成形體，其能被織成扁平狀並摺成它們的最後形狀，該最後形狀在二或更多個方向會有補強。
參考附件
所有於此提及的專利、專利申請案、文件、參考資料、製造廠商的指示、描述、產品說明書和任何產品的產品頁面等會被併此附送參考，且可被應用於本發明的實施。
 習知技術之描述
使用強化複合材料來製造結構性構件現已廣泛普及，特別是在其所需特性係尋求重量輕、堅固、強韌、耐熱、自行支撐且可適於被形成和成型的用品中。該等構件會例如被使用於航空、太空、衛星、娛樂(如賽艇和賽車)，和其它的用途等。
典型的該等構件包含補強材料掩埋於基質材料中。該補強成分可由譬如玻璃、碳、陶瓷、芳香族聚醯胺、聚乙烯、及/或其它的材料所製成，它們會展現所需的物理、熱、化學及/或其它性質，其中主要是可對抗應力破壞的大強度。藉由使用該等補強材料，其最後會變成所完成構件之一組成元素，該等補強材料的所需特性，譬如非常高的強度，會被賦加於所完成的複合構件。該等組構的補強材料典型可被編織、針織或者定向成補強預成形體的所需構態和形狀。通常要施加特別的注意以確保所選擇之組構補強材料的性質之最佳利用。通常該等補強預成形體會被與基質材料結合來形成所需的完成構件，或用以製成完成構件之最後製造的工作原料。
在所需的補強預成形體已被構製之後，基質材料可被引入並進入該預成形體中，因此典型該補強預成形體會變成包封於該基質材料內，且基質材料會填滿該補強預成形體的構成元素之間的空隙區域。該基質材料可為許多種材料之任一者，譬如環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷、碳及/或其它的材料等，其亦會展現所需的物理、熱、化學及/或其它性質。被選擇來用作基質的材料可相同或不同於該補強預成形體，且可有或沒有能相比的物理、化學、熱或其它性質。但是，典型地，它們不是相同的材料或具有能相比的物理、化學、熱或其它性質，因為使用複合物所尋求之一通常目的首先是要達到該完成產品中之一特性組合，其並非單獨使用一種構成材料所能獲得者。如此組合後，該補強預成形體與該基質材料嗣可在同一操作中被以熱定形或其它習知方法來固化和穩定化，然後朝向製成所需的構件來進行其它的操作。要特別陳明的是，在被如此固化之後的此時點，該基質材料的固化塊體會非常牢固地黏附於該補強材料(例如該補強預成形體)。結果，該所完成構件中的應力，特別是由其基質材料作用如纖維間的黏劑所造成者，會被有效地移轉至該補強預成形體的構成材料，且會由其產生。
時常地，有需要製造一些構件其構形係不同於該等簡單的幾何形狀，譬如(本身而言)板狀、片狀、矩形或方形立方體等。一種完成此目的之作法係將該等基本幾何形狀組合成所需的更複雜形式。一種該典型的組合係藉將如上所述地製成之補強預成形體等互相以一角度(典型為直角)接合而來完成。如此呈角度排列地接合補強預成形體之一般目的係為造成一所需形狀來形成一補強預成形體，其例如包含一或更多個端壁或“T”形交叉物，或可強化補強預成形體所造成的組合，且其所製成的複合結構當被曝露於外力例如壓力或拉力時，將可對抗折彎或破壞。在任何情況下，一相關考量會使該等構成組件之間的每一接合處儘可能地強固。該等補強預成形體構成物本身被賦予所需的非常高強度，故該接合處的脆弱會在一結構“鏈”中有效地變成一“弱環節”。
一交叉構形之例係被述於No. 6,103,337美國專利中，其揭露併此附送。此參考資料敘述一種將二補強板接合在一起成一T形的有效手段。
以往曾有不同的其它建議用以造成該等接合物。曾有建議互相分開地形成並固化一面板元件與一有角度的強化元件，該後者具有一面板接觸表面，或在一端分叉來形成二分歧的共平面之面板接觸表面。該二構件嗣會被使用熱固性黏劑或其它黏性材料將該強化元件的面板接觸表面黏接於另一構件之一接觸表面而來接合。但是，當拉力施加於該固化的面板或該複合結構的表皮時，以不可接受之甚低值的負載即會造成“剝除”力，其會在它們的介面處分開該強化元件與該面板，因為該接合處的有效強度係為該基質材料者而非該黏劑者。
在該等構件之介面處使用金屬螺栓或鉚釘乃是不可接受的，因為該等附加物會至少部份地破壞和弱化該複合結構本身的整體性，增加重量，並引致該等元件與周圍材料之間的熱膨脹係數之差異。
用以解決此問題的其它提議曾經基於將高強度纖維引經接合區域的概念，其係藉由使用如下之方法：將該等構件之一者縫合於另一者，而倚賴該縫線來將該等強化纖維引入並通過該接合部位。一種該提議係被示於No. 4,331,495美國專利及其分割的對應案No. 4,256,790美國專利案中。此等專利揭露接合點係被形成於一由黏合的纖維層所製成的第一和第二複合面板之間。該第一面板會以習知方式在一端分叉來形成二分歧的共平面面板接觸表面，其會被以未固化的可撓複合線縫綉穿過二面板來接合於該第二面板。該等面板和線會被“共同固化”，即同時地固化。另一種用以改良接合強度的方法係被述於No. 5,429,853美國專利中。然而，此方法係類似於前述方法，因為分開構製的不同元件係被以一第三紗線或纖維縫合於該兩者之間而接合在一起。不論何種方法被使用，所造成的結構物皆會在該等個別片件之間的介面有相對較弱的接點，且將須要實質上接觸的人力來切割和整理該等個別的層片。
雖該習知技術曾尋求改善該強化複合物的結構整體性並已達到成功，尤其是在No. 6,103,337美國專利中的個案，但仍存有一需要希能藉由一不同於使用黏劑或機械性耦合的方法來改善或解決該問題。針對於此，有一種可能的方法係以特殊化的機器來造成一編織的三維(“3D”)結構物。但是，其費用相當可觀，且罕見的是其需要有一用以造成一單獨結構物的編織機器。儘管如此，能被製設於纖維強化的複合構件中之3D預成形體乃是較佳的，因為相對於傳統的二維疊層預合物它們會提供增加的強度。該等預成形體係特別適用於須要該複合物承帶平面外負載的用具中。但是，上述的習知預成形體會使其能力受限於承受高平面外負載，在一自動化織機製程中來被織造，及提供該預成形體的某些部份之不同厚度。
另一種方法可為編織一二維(“2D”)結構物並將之摺成3D形狀，而使該面板被一體地強化，即紗線會連續地交織於該平坦基礎或面板部份與該加強件之間。一2D編織結構物會被摺成3D形狀之例係被揭於No. 6,874,543美國專利中，其完整內容併此附送參考。具有特定結構形狀，例如“T”、“I”、“H”、或“Pi”形截面的纖維預成形體等，乃可在一傳統的梭織機上被織成，並有若干既存的專利描述織造該等結構的方法(例如No. 6,446,675和No. 6,712,099等美國專利)。另一種用以構製強化面板的方法係被述於No. 6,019,138美國專利中，其完整內容併此附送參考。其揭露一種方法用以製造強化的面板而在經向和緯向皆具皆具有補強的加強件。如所述，該方法可藉超量編織，或簡單地將高結點織入該預成形體的面板部份中而來達到二個方向的補強。但是，在所有的習知技術中，該等預成形體皆被構製成會使該等加強件具有0°或±90°的定向。
 發明概要
因此，仍有需要一種一體織成的預成形體，其會在二或更多個方向提供補強，且能使用一傳統的織機在一製程中被織成，而無須任何特別的修正。具言之，現有需要一種具有偏軸加強件之一體織成的預成形體，其中該等加強件係被定向在一不同於0°和±90°的方向或角度，或該等加強件會與定向於0°和±90°方向的加強件來被組合形成。
本發明係藉一體地編織該表皮和加強件等，以使連續的纖維通過至少某些該等介面，而來消除習知結構中所述的弱接點。
本發明之一實施例為一種一體織成的預成形體，其在二或更多個方向具有由一織造基礎織物所構成的加強件。該結構包含一第一編織織物層，一第二編織織物層，及多數的紗線交織於該第一編織織物層和第二編織織物層之間，其中該多數的紗線會交織通過該第一織物層與第二織物層間之一區域，且該第一織物層會相對於第二織物層摺疊而使一第一偏軸加強件被形成於該預成形體中。該第一編織織物層會在一或更多個區域中被由該第二編織織物層之一頂面割裂。該第一編織織物層之一交織區域的第一面上之一第一部份會被與該第一編織織物層之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起，而沿一第一方向形成一偏軸加強肋。該編織預成形體亦可包含一第三編織織物層，及多數的紗線交織於該第二編織織物層與第三編織織物層之間，其中該多數的紗線會交織通過該第二織物層與第三織物層間之一區域，且該第三織物層會相對於第二織物層摺疊而使一第二偏軸加強件被形成於該預成形體中。該第三編織織物層會在一或更多個區域中被由該第二編織織物層之一底面割裂。該第三編織織物層之一交織區域的第一面上之一第一部份會被與該第三編織織物層之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起，而沿一第二方向形成一偏軸加強肋。
本發明的另一實施例係為一種纖維強化複合物，包含一一體織成的預成形體在二或更多個方向具有由一編織基礎織物所構成的加強件。該結構包含一第一編織織物層，一第二編織織物層，和多數的紗線交織於該第一編織織物層與第二編織織物層之間，其中該多數的紗線會交織通過該第一織物與第二織物間之一區域，且該第一織物會相對於第二織物摺疊，而使一第一偏軸加強件被形成於該預成形體中。
本發明之又另一實施例係為一種一體織成的預成形體，其在二或更多個方向具有由一編織基礎織物所構成的加強件。該結構包含一第一編織織物層，一第二編織織物層，及多數的紗線會在多數個獨立區域中交織於該第一編織織物層與第二編織織物層之間，其中該第一織物會相對於第二織物摺疊，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而沿一第二方向在該預成形體中形成一第二加強件，該第二加強件係為一偏軸加強件。該第一編織織物層會由第二編織織物層之一頂面在一或更多個區域中被割裂。該編織預成形體亦可包含一第三編織織物層，及多數的紗線會在多數個獨立區域中交織於該第二編織織物層與第三編織織物層之間，其中該第三織物會相對於第二織物被摺疊，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中，且該第三加強件的一部份會被摺疊而沿一第四方向在該預成形體中形成一第四加強件，該第四加強件係為一偏軸加強件。該第三編織織物層可由第二編織織物層之一底面在一或更多個區域中被割裂。
本發明之又另一實施例係為一種纖維強化複合物，包含一一體織成的預成形體在二或更多個方向具有由一編織基礎織物所構成的加強件。該結構包含一第一編織織物層，一第二編織織物層，及多數的紗線會在多數個獨立區域中交織於該第一編織織物層與第二編織織物層之間，其中該第一織物會相對於第二織物摺疊，而使一第一加強件會沿一第一方向被形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而沿一第二方向在該預成形體中形成一第二加強件，該第二加強件係為一偏軸加強件。
本發明之又另一實施例係為一種形成一一體編織預成形體的方法，包含如下步驟：提供二或更多個編織織物層，交織來自一第一編織織物層的多數條紗線與來自一第二編織織物層的多數條紗線，該第一編織織物層係可相對於第二編織織物層摺疊，由該第二編織織物層之一頂面割裂該第一編織織物層的一部份，及相對於第二編織織物層來摺疊該第一織物的該部份而在該預成形體中形成一第一偏軸加強件。該方法亦包含以下步驟：將該第一編織織物層之一交織區域的第一面上之一第一部份與該第一編織織物層之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起而沿一第一方向形成一偏軸加強肋。該方法可更包含如下步驟：將來自一第三編織織物層的多數條紗線與來自一第二編織織物層的多數條紗線交織，該第三編織織物層係可相對於第二編織織物層摺疊，由該第二編織織物層之一底面割裂該第三編織織物層的一部份，及相對於該第二編織織物層來摺疊該第三織物的該部份，而在該預成形體中形成一第二偏軸加強件。該第三編織織物層之一交織區域的第一面上之一第一部份可被與該第三編織織物層之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起而沿一第二方向形成一偏軸加強肋。
本發明之又另一實施例係為一種形成一纖維強化複合物的方法，包含以下步驟：提供二或更多個編織織物層來形成一一體編織的預形成體，交織來自一第一編織織物層的多數條紗線與來自一第二編織織物層的多數修紗線，該第一編織織物層係可相對於第二編織織物層摺疊，由該第二編織織物層之一頂面割裂該第一編織織物層的一部份，及相對於第二編織織物層摺疊該第一織物之該部份而在該預成形體中形成一第一偏軸加強件。
本發明之又另一實施例係為一種形成一一體編織的預成形體之方法，包含以下步驟：提供二或更多個編織織物層，在多數個獨立區域交織來自一第一編織織物層的多數條紗線與來自一第二編織織物層的多數條紗線，該第一編織織物層係可相對於第二編織織物層摺疊，由該第二編織織物層之一頂面割裂該第一編織織物層的一部份，及相對於該第二編織織物來摺疊該第一織物之該部份，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而沿一第二方向在該預成形體中形成一第二加強件，該第二加強件係為一偏軸加強件。該方法亦可包括在多數個獨立區域交織來自一第三編織織物層的多數條紗線與來自一第二編織織物層的多數條紗線，該第三編織織物層係可相對於第二編織織物層摺疊，由該第二編織織物層之一頂面割裂該第三編織織物層的一部份；及相對於該第二編織織物層來摺疊該第三織物之該部份，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中，且該第三加強件的一部份會被摺疊而沿一第四方向在該預成形體中形成一第四加強件，該第四加強件係為一偏軸加強件。
本發明之又另一實施例係為一種形成一纖維強化複合物的方法，包含如下步驟：提供二或更多個編織織物層來形成一一體編織的預成形體，在多數個獨立區域交織來自一第一編織織物層的多數條紗線與來自一第二編織織物層的多數條紗線，該第一編織織物層係可相對於第二編織織物層摺疊，由該第二編織織物層之一頂面割裂該第一編織織物層的一部份，及相對於該第二編織織物層來摺疊該第一織物之該部份，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而沿一第二方向在該預成形體中形成一第二加強件，該第二加強件係為一偏軸加強件。
雖所述係參照具有偏軸加強件的編織預成形體，但本方法亦可被用於製造任何形狀的預成形體，例如H形或I形的編織預成形體。
本方法能被用於織造具有可變厚度或可變高度之加強件的預成形體，該等加強件可為互相平行或有角度。該預成形體可被使用任何方便的經纖圖案，即層對層的，貫穿厚度的斜角聯鎖、正交的等等來織成。雖碳纖維會較佳，但本發明實際上係可應用於任何其它的纖維種類。
會凸顯本發明的各種新穎性特徵係被詳細地指出於所附加並形成本揭露之一部份的申請專利範圍中。為使能更佳地瞭解本發明，其操作優點和使用所獲得的特定目的等，將會參照所附的描述內容來說明，其中，本發明之較佳但非限制性的實施例會被示於所附圖式中，其中對應的構件係被以相同的標號來標示。
在本揭露中所述的“包含有”和“包含”可意為“包括有”和“包括”等，或可具有該“包含有”和“包含”等用語在美國專利法中所賦予的一般意義。“主要係由...所構成”或“主要係由...所組成”等詞語若被使用於申請專利範圍中，則具有美國專利法中認屬於它們的意義。本發明的其它態樣會被描述於以下揭露中或可由之顯而易知(且在本發明的範圍內)。
圖式簡單說明
所附圖式係被含括以提供本發明的進一步瞭解，乃被併入且構成本說明書的一部份。所呈現的圖式會示出本發明的不同實施例並與描述內容一起用來說明本發明的原理。圖式中：第1圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之相片；第2圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體被割裂和摺疊之相片；第3圖為第2圖所示的預成形體之紙模型；第4圖為依據本發明之一態樣的編織時預成形體之示意圖；第5圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之示意圖；第6圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之示意圖；第7～15圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體的截面圖；第16～18圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體的示意圖；第19(a)～(b)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之紙模型；第20(a)～(c)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之相片；第21(a)～(d)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之相片；第22(a)～(b)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之紙模型；第23圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之示意圖。
 較佳實施例之詳細說明
本揭露描述數種用於編織纖維預成形體的技術，該預成形體可被處理成一複合構件包含一表皮在多個方向具有一體的加強件。在本揭露所述的結構類型可被使用於航太結構物，例如翼板、機身面板及控制表面等。一種依據一實施例之該等技術係特別適用於該等加強件會形成六邊形以提供0°、+60°、-60°方向之補強的情況，而依據另一實施例的另一種技術係可適用於提供實際上任何方向的補強，即該等加強件實際上可被形成於任何方向。該第二種方法將會被針對兩種情況來說明：1)該等加強件形成六邊形(即0/±60°補強)的情況，和2)該等加強件係在±45°方向的情況。此第二種情況亦適合於較複雜的構件，譬如I形樑或通道等其中只有該結構物的一部份須要偏軸補強者；例如一I形樑之腹板。
該兩種方法皆可克服3D編織表皮的主要限制，即指它們只能提供在0°和90°方向的補強。此構形當負載著平面中剪力時會相對較弱。添加±45°的加強件能提供一額外的承載途徑來承帶此剪切負載，而得增加該結構的硬度和強度。另一方面該0/±60°補強的情況會在該表皮的平面中提供準同等向性的強化。該兩種技術皆係依據經向及/或緯向纖維對當它們被織經該織物時的位置互換。但在第一種方法中，纖維只會例如在一個方向互換位置。
現請參閱圖式，第1和2圖係為利用前一種方法所形成的舉例預成形體之相片。第1圖示出預成形體100在其織物階段當其離開織機時，而第2圖示出同一預成形體在該織物的表面層已被割裂之後且該預成形體100被摺成其最後形狀的相片。其中緯向纖維互換位置50之處可在第1圖中被看出如一系列的短水平線。
在該等相片中的織物係由例如四個聯鎖層和一個表面層所組成。該表面層可形成該等加強件，而該等聯鎖層可形成該表皮。在該表面層中的某些緯向纖維會例如與在第二聯鎖層中的緯向纖維互換位置，而將該表面層鎖固於該表皮。該等緯向纖維的間隔可被設計成當該表面層被割裂及摺疊時該等加強件會形成一規則的六邊形。因此，依據一實施例本發明可為一種用於一基材的編織預成形體，其具有一體的側壁等被形成呈一六邊形陣列。
其目的係為織成一種由一基材所構成的單片式預成形體其具有一體的側壁等能被形成一六邊形陣列。該等側壁係由二層織物所組成，它們係被摺成垂直於該基材。該預成形體100之一重複片段25的紙模型係被示於第3圖中。應請注意在每一六邊形的六個邊之二邊處，該基材與側壁之間係有連續的纖維。
該預成形體100會被分成九個區域1～9等，如第4圖中所示。纖維方向1可被與經向或緯向對準，但一體連接於該基材的側壁將會恆平行於纖維方向1。該預成形體100包含至少二層，例如層1和層2，如第5圖所示。於方向1的纖維恆會完全保持在單一層內，但於方向2的纖維會在某些區域的交會處週期地由一層縫至另一層。界定出方向2的纖維之不同組群是有助益的，如第5圖所示。在A組中的方向2纖維會在區域1中織入層1並在區域2中織入層2。同樣地，在B組中的方向2纖維會在區域2中織入層1並在區域1中織入層2。在E、F、I和J組中的方向2纖維會保持類似的關係。相對地，在C和G組中的方向2纖維會恆織入層1，而在D和H組中的方向2纖維會恆織入層2。
依據本發明之一實施例的一種舉例纖維架構係示於第6圖中。為示現之用，方向1係指經向而方向2係指緯向。一系列的截面會被繪出以明示在各區域中之不同纖維的位置。各截面被剖切的平面位置係示於第6圖中。由圖中可看出，該等截面切口係被成對地示出(即例如A1-A1和A2-A2)，而使必須被鎖入所有緯向纖維的全部經向纖維能被分開成二組群。
在緯向的截面切口之貫穿厚度位置係被示於第7圖中，是為一舉例。圓圈代表緯向纖維60乃垂直於觀看者的眼睛延伸。而連續線代表經向纖維80。第7圖亦示出例如有四層在該預成形體中。層1由單一纖維層所構成，其在此垂直截面不會與任何其它層互換；但是，在其它截面則會互換。層2、3和4會實際地聯鎖。層2和4係僅被加入用以示現該基材的厚度可如何被構建；然而，它們對本發明的實施例却不一定需要。
在經向的截面切口之貫穿厚度位置係被示於第8圖中。在第8圖中，圓圈代表經向纖維80乃垂直於觀看者的眼睛延伸，而連續線代表緯線60。切口A-A的經向截面係示於第9圖中。於層1中的經向纖維80會在所有的經向截面中連續通過全部各區域。此等經向纖維會在摺疊時變成該等側壁中的縱向纖維。於層2、3和4中的經向纖維80亦會在所有的經向截面中連續通過全部各區域。更多的層可被添加以增加該基材的厚度，乃為一般精習於該技術者所可易知。
切口B-B，C-C和D-D之類似的截面係被分別示於第10～12圖中。各截面A-A至D-D之間的差異係為在層1和3中之緯向纖維60的相對位置。但請注意，於層1和3中的緯向纖維60在區域3和7中不會變換層。
現在，緯向截面係被示於第13～15圖中。於層2和4中的緯向纖維60會在所有的緯向截面中保留在單一層內。請參閱第13圖頂部的截面切口E-E之緯向段1，在區域1中之層1內的緯向纖維60會織入區域2中的層3內。在區域1之層3內的緯向纖維60會織入區域2中的層1內。在層1內的緯向纖維60最後會在該等側壁中相對於該等加強件的縱向變成橫向纖維。
如前所述，在區域3和7中的緯向纖維60不會交織於各層之間。此係被示於第14圖的區域3中。第15圖示出在層1和3中的緯向纖維60當它們由區域4到區域5再至區域6時如何地改換位置。區域7及組合的區域8和9之截面並未被示出，但它們係可分別相較於區域3及組合的區域1和2。
依據本發明之一實施例，一系列的裂縫會被形成於該預成形體100中以容許該等側壁被打開。其第一步驟係在第16圖中被以標號1的箭頭沿各虛線所示之位置處，在層1中造成縱向裂縫(沿該經向)。第二步驟係形成一系列的橫向裂縫於前述的縱向裂縫之間。該等裂縫係在第16圖中被以標號2的箭頭沿各虛線來示出。最後，另一系列的縱向裂縫係被設在第16圖中以標號3的箭頭沿各虛線所示之位置處。
該等連續側壁嗣可藉摺合層1的兩半以使它們垂直於該基材而來形成，如第17圖中所示。但是，此等側壁將會只在區域1和2，4和5，5和6，及8和9的交會處附接於該基材。該等側壁之未附接於該基的片段會有完全正確的長度以形成一六邊形的其餘側壁，如第18圖中所示。依據本發明之一實施例，各側壁皆會包含二層織物。
依據本實施例之一預成形體100的紙模型係被以其在編織狀態示於第19(a)圖中。區域1～2，4～6，及8～9代表在二層之間改變位置的緯向纖維組群，而區域3和7代表僅織於頂層中的緯向纖維組群。割裂並摺合之後的同一預成形體係被示於第19(b)圖中。該等側壁的六邊形形狀係可輕易看出如在第19(b)圖所見。
因此，依據本實施例，一種一體織成而在二或更多個方向具有加強件的預成形體係由一編織的基礎織物所構成。該織物結構可包含一第一編織織物層，一第二編織織物層，及許多的紗線在多數個獨立區域中交織於該第一編織織物層與第二編織織物層之間。該第一織物會被割裂並相對於第二織物摺疊，而使一第一加強件沿一第一方向被形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而沿一第二方向形成一第二加強件於該預成形體中，該第二加強件係為一偏軸加強件。該編織預成形體亦可包含一第三編織織物層，且一些紗線可在多數個獨立區域中交織於該第二編織織物層與第三編織織物層之間。該第三織物會被割裂並相對於該第二織物摺疊，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中，且該第三加強件的一部份會被摺疊而沿一第四方向在該預成形體中形成一第四加強件，該第四加強件係為一偏軸加強件。
應請注意該預成形體可被織成任何所擇的圖案。例如，該經向纖維圖案可被由層對層，正交的，及斜角聯鎖的形式等來選出。該等交織紗線可為經紗及/或緯紗。該等紗線可由任何材料製成，例如碳、尼龍、螺縈、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳香族聚醯胺，及聚乙烯。
本發明依據一實施例係為一種纖維強化的複合物，包含上一實施例中所述的一體編織預成形體。該預成形體例如可被以一基質材料譬如樹脂來浸漬。該複合物可經由樹脂移轉成形法或化學蒸汽過濾來處理。該樹脂材料可為環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷及碳之任一者。
本發明依據一實施例係為一種形成一一體編織的預成形體200之方法，類似於第一者唯除在二方向的纖維會於該等加強件與表皮之間互換位置。一種使用此方法的織物200之相片係被示於第20(a)～(c)圖中。該等相片中的織物200示出一面板其具有加強件等呈一六邊形陣列。由該等纖維互換位置所形成的六邊形圖案可被輕易看出，如在第20(a)圖中所見。
該預成形體200之表面層的六邊形片塊可被割裂來形成三個加強件，如第20(b)圖中所示。該等加強件會被摺入定位來形成一六邊形陣列，例如在第20(c)圖中所示。只有一個完整的六邊形被示於此相片中，但此重複的元件可被複製於該面板的整個表面上，乃為一般精習於該技術者所可易知。
此同一方法亦可被用來形成一預成形體300，其會藉呈一鑽石圖案而非六邊形圖案來排列該等互換位置而具有沿±45°方向的加強件，例如在第21(a)～(d)圖中所示。請注意第21(c)和21(d)圖係為相反面，例如同一預成形體300的頂面和底面。於此例中在一面上的+45°加強件可例如被一在相反面上的-45°加強件平衡。但是，此並非一必要的條件和構形，而僅於一面上具有加強件亦在本發明的範圍內。
因此，依據此實施例，一種在二或更多個方向具有加強件之一體織成的預成形體可由一編織織物來構成。該織物可包含一第一編織織物層，一第二編織織物層，及多數的紗線交織於該第一編織織物層和第二編織織物層之間。一些該等紗線會交織通過該第一織物與第二織物間之一區域，且該第一織物會被割裂並相對於第二織物摺疊，而使一第一偏軸加強件形成於該預成形體中。該第一編織織物層之一交織區域的第一面上之一第一部份會被與該第一編織織物層之該交織區域的第二面上之一第一部份摺合在一起而沿一第一方向形成一偏軸加強肋。該編織預成形體亦可包含一第三編織織物層，及多數的紗線交織於該第二編織織物層與第三編織織物層之間。一些該等紗線會被交織通過該第二織物與第三織物間之一區域，且該第三織物會被割裂並相對於第二織物摺疊，而使一第二偏軸加強件形成於該預成形體中。該第三編織織物層之一交織區域的第一面上之一第一部份會被與該第三編織織物層之該交織區域的第二面上之一第一部份摺合在一起，而沿一第二方向形成一偏軸加強肋。
如在先前實施例中所述，該預成形體可被以任何所擇的圖案來織成。例如，該經向纖維圖案可被由層對層、正交的，及斜角聯鎖等形式來選出。該等交織紗線可為經紗及/或緯紗。該等紗線可由任可材料製成，例如碳、尼龍、螺縈、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳香族聚醯胺、及聚乙烯。
本發明依據一實施例係為一種纖維強化的複合物，包含有如上實施例中所述的一體編織預成形體。該預成形體可例如被以一基質材料譬如樹脂浸漬來形成一複合物。該複合物可被以樹脂移轉成型法或化學蒸汽過濾來處理。該樹脂材料可為環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷及碳之任一者。
如前所述，本發明的方法亦能被併用於3D織造樑的織品中，其具有一體的凸緣和腹板等，例如I型樑或通道。在此等情況下，互換位置會被排列以形成三角形，此則會將加強件等設置於凸緣之間。雖該等加強件實際上能相對於該等凸緣被定向於任何角度，但將它們定向在±45°會最大化它們對該樑之剪切強度和硬度的貢獻。另一種可能以此技術會有用的定向係當該等加強件垂直於該等凸緣時可形成間肋等，其會在貫穿厚度的壓縮時來支撐該樑。一I型樑及一通道之典型的紙模型係分別被示於第22(a)和22(b)圖中。
本發明依據一實施例係為一種形成一如第23圖所示之一體編織預成形體500的方法。在本實施例中，織在區域1中的表面之經向和緯向纖維能與例如已織入區域1和2間之介面處的表皮中之互補的經向和緯向纖維互換位置。此等相同的纖維能在區域2和3的交會處再度互換位置。該織物500的頂片可沿緯向被割裂來製成該材料，其可依據本實施例被往上摺以形成該等加強件。
雖本發明的較佳實施例及其修正例等已於此被詳細描述，但請瞭解本發明並不限於此等精確的實施例和修正例，且其它的修正和變化亦可被精習於該技術者所完成，而不超出如所附申請專利範圍所界定之本發明的精神與範圍。
1～9．．．各區域
25．．．重複片段
50．．．互換位置
60．．．緯向纖維
80．．．經向纖維
100，200，300，500．．．預成形體
第1圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之相片；
第2圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體被割裂和摺疊之相片；
第3圖為第2圖所示的預成形體之紙模型；
第4圖為依據本發明之一態樣的編織時預成形體之示意圖；
第5圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之示意圖；
第6圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之示意圖；
第7～15圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體的截面圖；
第16～18圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體的示意圖；
第19(a)～(b)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之紙模型；
第20(a)～(c)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之相片；
第21(a)～(d)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之相片；
第22(a)～(b)圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之紙模型；
第23圖為依據本發明之一態樣的編織預成形體之示意圖。
1～9．．．各區域
100．．．預成形體

Claims (64)

  1. 一種一體編織的預成形體，其在二或更多個方向具有加強件且由一編織基礎織物所構成，該基礎織物包含：一第一編織織物；一第二編織織物；一第三編織織物；多數的紗線交織於該第一編織織物與第二編織織物之間，其中該多數的紗線會交織通過該第一織物與第二織物間之一區域，且該第一織物會被相對於第二織物摺疊，而使一第一一體加強件被形成於該預成形體中；多數的紗線交織於該第二編織織物與該第三編織織物之間，其中該多數的紗線會交織通過該第二織物與第三織物間之一區域，且該第三織物會被相對於第二織物摺疊，而使一第二一體加強件被形成於該預成形體中；以及其中該第一一體加強件及/或該第二一體加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物。
  2. 如申請專利範圍第1項的編織預成形體，其中該第一編織織物係在一或更多個區域中由該第二編織織物之一頂面割裂。
  3. 如申請專利範圍第2項的編織預成形體，其中該第一編 織織物之一交織區域的第一面上之一第一部份會與該第一編織織物之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起而沿一第一方向形成一偏軸加強肋。
  4. 如申請專利範圍第1項的編織預成形體，其中該第三編織織物係在一或更多個區域中由該第二編織織物之一底面割裂。
  5. 如申請專利範圍第4項的編織預成形體，其中該第三編織織物之一交織區域的第一面上之一第一部份會與該第三編織織物之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起而沿一第二方向形成一偏軸加強肋。
  6. 如申請專利範圍第1項的編織預成形體，其中該基礎織物係由經向和緯向紗線或纖維所織成。
  7. 如申請專利範圍第6項的編織預成形體，其中該經向纖維圖案係為一選自下列組群的圖案：層對層，正交，及斜角聯鎖。
  8. 如申請專利範圍第6項的編織預成形體，其中該等交織的紗線係為經紗。
  9. 如申請專利範圍第6項的編織預成形體，其中該等交織的紗線係為緯紗。
  10. 如申請專利範圍第6項的編織預成形體，其中該等經向和緯向紗線或纖維係選自下列組群：碳、尼龍、螺縈、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳香族聚醯胺，及聚乙烯。
  11. 如申請專利範圍第1項的編織預成形體，其中該一體偏軸加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  12. 一種纖維強化複合物，其包含一一體編織的預成形體，該預成形體在二或更多個方向具有加強件且由一編織基礎織物所構成，該基礎織物包含：一第一編織織物；一第二編織織物；一第三編織織物；多數的紗線交織於該第一編織織物與第二編織織物之間，其中該多數的紗線會交織通過該第一織物與第二織物間之一區域，且該第一織物會被相對於第二織物摺疊，而使一第一一體加強件被形成於該預成形體中；多數的紗線交織於該第二編織織物與該第三編織織物之間，其中該多數的紗線會交織通過該第二織物與第三織物間之一區域，且該第三織物會被相對於第二織物摺疊，而使一第二一體加強件被形成於該預成形體中；以及其中該第一一體加強件及/或該第二一體加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物。
  13. 如申請專利範圍第12項之複合物，更包含一基質材料。
  14. 如申請專利範圍第13項之複合物，其中該基質材料係為一樹脂，且該複合物係由一選自下列組群的製法所形成：樹脂移轉成型法及化學蒸汽過濾。
  15. 如申請專利範圍第13項之複合物，其中該基質材料係選自下列組群：環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷、及碳。
  16. 如申請專利範圍第12項之複合物，其中該一體偏軸加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  17. 一種一體編織的預成形體，其在二或更多個方向具有加強件且由一編織基礎織物所構成，該基礎織物包含：一第一編織織物；一第二編織織物；及多數的紗線在多數個獨立區域中交織於該第一編織織物和第二編織織物之間；其中該第一織物會相對於該第二織物摺疊，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第二方向形成一第二加強件，該第一加強件及/或該第二加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物；一第三編織織物；以及多數的紗線在多數個獨立區域中交織於該第二編織織物和第三編織織物之間；其中該第三織物會相對於該第二織物摺疊，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中，且該第 三加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第四方向形成一第四加強件，該第四加強件係一偏軸加強件。
  18. 如申請專利範圍第17項之編織預成形體，其中該第一編織織物會在一或更多個區域中由該第二編織織物之一頂面割裂。
  19. 如申請專利範圍第17項之編織預成形體，其中該第三編織織物係在一或多個區域中由該第二編織織物之一底面割裂。
  20. 如申請專利範圍第17項之編織預成形體，其中該基礎織物係由經向和緯向紗線或纖維所織成。
  21. 如申請專利範圍第20項之編織預成形體，其中該經向纖維圖案係為一選自下列組群的圖案：層對層，正交，及斜角聯鎖。
  22. 如申請專利範圍第20項之編織預成形體，其中該等交織的紗線係為經紗。
  23. 如申請專利範圍第20項之編織預成形體，其中該等交織的紗線係為緯紗。
  24. 如申請專利範圍第20項之編織預成形體，其中該等經向和緯向紗線或纖維係選自下列組群：碳、尼龍、螺縈、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳香族聚醯胺，及聚乙烯。
  25. 如申請專利範圍第17項之編織預成形體，其中該第二加強件和第四加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  26. 一種纖維強化複合物，其包含一一體編織的預成形體， 該預成形體在二或更多個方向具有加強件且由一編織基礎織物所構成，該基礎織物包含：一第一編織織物；一第二編織織物；及多數的紗線在多數個獨立區域中交織於該第一編織織物和第二編織織物之間；其中該第一織物會相對於該第二織物摺疊，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第二方向形成一第二加強件，該第一加強件及/或該第二加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物；一第三編織織物；以及多數的紗線在多數個獨立區域中交織於該第二編織織物和第三編織織物之間；其中該第三織物會相對於該第二織物摺疊，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中，且該第三加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第四方向形成一第四加強件，該第四加強件係一偏軸加強件。
  27. 如申請專利範圍第26項之複合物，更包含一基質材料。
  28. 如申請專利範圍第27項之複合物，其中該基質材料係為 一樹脂，且該複合物係由一選自下列組群的製法所形成：樹脂移轉成型法及化學蒸汽過濾。
  29. 如申請專利範圍第27項之複合物，其中該基質材料係選自下列組群：環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷、及碳。
  30. 如申請專利範圍第26項之複合物，其中該第二加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  31. 一種形成一一體編織的預成形體之方法，包含以下步驟：提供三或更多個編織織物；交織來自一第一編織織物的多條紗線與來自一第二編織織物的多條紗線，該第一編織織物係可相對於第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一頂面割裂該第一編織織物的一部份；相對於該第二編織織物摺疊該第一編織織物的該部份而在該預成形體中形成一第一一體加強件；交織來自一第三編織織物的多條紗線與來自該第二編織織物的多條紗線，該第三編織織物係可相對於第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一底面割裂該第三編織織物的一部份；相對於該第二編織織物摺疊該第三編織織物的該部份而在該預成形體中形成一第二偏軸加強件；其中該第一一體加強件及/或該第二一體加強件係 一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物。
  32. 如申請專利範圍第31項之方法，更包含以下步驟：將該第一偏織織物之一交織區域的第一面上之一第一部份與該第一編織織物之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起而沿一第一方向形成一偏軸加強肋。
  33. 如申請專利範圍第31項之方法，更包含以下步驟：將該第三編織織物之一交織區域的第一面上之一第一部份與該第三編織織物之該交織區域的第二面上之一第一部份摺疊在一起而沿一第二方向形成一偏軸加強肋。
  34. 如申請專利範圍第31項之方法，其中該二或更多個織物係由經向和緯向紗線或纖維所織成。
  35. 如申請專利範圍第34項之方法，其中該經向纖維圖案係為一選自下列組群的圖案：層對層，正交，及斜角聯鎖。
  36. 如申請專利範圍第34項之方法，其中該等交織的紗線係為經紗。
  37. 如申請專利範圍第34項之方法，其中該等交織的紗線係為緯紗。
  38. 如申請專利範圍第34項之方法，其中該等經向和緯向紗線或纖維係選自下列組群：碳、尼龍、螺縈、玻璃纖維、 棉、陶瓷、芳香族聚醯胺，及聚乙烯。
  39. 如申請專利範圍第31項之方法，其中該一體偏軸加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  40. 一種形成一纖維強化複合物的方法，包含以下步驟：藉提供三或更多個編織織物來形成一一體編織的預成形體；交織來自一第一編織織物的多條紗線與來自一第二編織織物的多條紗線，該第一編織織物係可相對於該第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一頂面割裂該第一編織織物的一部份；及相對於該第二編織織物摺疊該第一織物的該部份而在該預成形體中形成一第一一體加強件；及交織來自一第三編織織物的多條紗線與來自該第二編織織物的多條紗線，該第三編織織物係可相對於該第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一底面割裂該第三編織織物的一部份；及相對於該第二編織織物摺疊該第三織物的該部份而在該預成形體中形成一第二偏軸加強件；其中該第一一體加強件及/或該第二一體加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強 件係垂直於該第二織物。
  41. 如申請專利範圍第40項之方法，更包含以下步驟：將該預成形體浸漬在一基質材料中。
  42. 如申請專利範圍第41項之方法，其中該基質材料係為一樹脂，且該複合物係由一選自下列組群的製法所形成：樹脂移轉成型法及化學蒸汽過濾。
  43. 如申請專利範圍第41項之方法，其中該基質材料係選自下列組群：環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷、及碳。
  44. 如申請專利範圍第40項之方法，其中該一體偏軸加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  45. 一種形成一一體編織的預成形體之方法，包含以下步驟：提供三或更多個編織織物；在多數個獨立區域中交織來自一第一編織織物的多條紗線與來自一第二編織織物的多條紗線，該第一編織織物係可相對於該第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一頂面割裂該第一編織織物的一部份；及相對於該第二編織織物摺疊該第一織物的該部份，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第二方向形成一第二加強件，該第一加強件及/或該第二加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯 向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物；在多數個獨立區域中交織來自一第三編織織物的多條紗線與來自該第二編織織物的多條紗線，該第三編織織物係可相對於該第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一頂面割裂該第三編織織物的一部份；及相對於該第二編織織物摺疊該第三織物的該部份，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中，且該第三加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第四方向形成一第四加強件，其中該第四加強件件係一偏軸加強件。
  46. 如申請專利範圍第45項之方法，其中該二或更多個織物係由經向和緯向紗線或纖維所織成。
  47. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該經向纖維圖案係為一選自下列組群的圖案：層對層，正交，及斜角聯鎖。
  48. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該等交織的紗線係為經紗。
  49. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該等交織的紗線係為緯紗。
  50. 如申請專利範圍第46項之方法，其中該等經向和緯向紗線或纖維係選自下列組群：碳、尼龍、螺縈、玻璃纖維、棉、陶瓷、芳香族聚醯胺，及聚乙烯。
  51. 如申請專利範圍第45項之方法，其中該第二加強件和第 四加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  52. 一種形成一纖維強化複合物的方法，包含以下步驟：藉提供三或更多個編織織物來形成一一體編織的預成形體；在多數個獨立區域中交織來自一第一編織織物的多條紗線與來自一第二編織織物的多條紗線，該第一編織織物係可相對於該第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一頂面割裂該第一編織織物的一部份；及相對於該第二編織織物摺疊該第一織物的該部份，而使一第一加強件沿一第一方向形成於該預成形體中，且該第一加強件的一部份會被摺疊而沿一第二方向在該預成形體中形成一第二加強件，該第一加強件及/或該第二加強件係一一體偏軸加強件，其係被定向在一方向或角度，該方向或角度係不同於偏離一對準經向或緯向之紗線或纖維的方向0°和±90°的方向或角度，並且該一體偏軸加強件係垂直於該第二織物；在多數個獨立區域中交織來自一第三編織織物的多條紗線與來自該第二編織織物的多條紗線，該第三編織織物係可相對於該第二編織織物摺疊；由該第二編織織物之一頂面割裂該第三編織織物的一部份；及相對於該第二編織織物摺疊該第三織物的該部份，而使一第三加強件沿一第三方向形成於該預成形體中， 且該第三加強件的一部份會被摺疊而在該預成形體中沿一第四方向形成一第四加強件，其中該第四加強件件係一偏軸加強件。
  53. 如申請專利範圍第52項之方法，更包含以下步驟：將該預成形體浸漬在一基質材料中。
  54. 如申請專利範圍第53項之方法，其中該基質材料係為一樹脂，且該複合物係由一選自下列組群的製法所形成：樹脂移轉成型法及化學蒸汽過濾。
  55. 如申請專利範圍第53項之方法，其中該基質材料係選自下列組群：環氧樹脂、聚酯、雙順丁烯二醯亞胺、乙烯酯、陶瓷、及碳。
  56. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該第一偏軸加強件係形成於+/-60度或+/-45度定向。
  57. 如申請專利範圍第1項之編織預成形體，其中該編織預成形體係為一I形樑。
  58. 如申請專利範圍第12項之纖維強化複合物，其中該纖維強化複合物係為一I形樑。
  59. 如申請專利範圍第31項之方法，其中該編織預成形體係為一I形樑。
  60. 如申請專利範圍第40項之方法，其中該纖維強化複合物係為一I形樑。
  61. 如申請專利範圍第17項之編織預成形體，其中該編織預成形體係為一I形樑。
  62. 如申請專利範圍第26項之纖維強化複合物，其中該纖維 強化複合物係為一I形樑。
  63. 如申請專利範圍第45項之方法，其中該編織預成形體係為一I形樑。
  64. 如申請專利範圍第52項之方法，其中該纖維強化複合物係為一I形樑。
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