压印图案到复合材料层压件上制造技术

一种复合材料纤维，其可以包括由第一材料形成的至少一个增强纤维丝。第二材料可以以一压印图案被有序地沉积到至少一个增强纤维丝上，使得所述第二材料的长度、宽度和厚度中的至少一者在所述至少一个增强纤维丝的表面上变化。压印图案可以改变包含复合材料纤维的复合材料结构的一种或更多种特性。

【技术实现步骤摘要】

本公开大体涉及复合材料结构，并且更具体地，涉及将改性材料压印到复合材料层压件上。
技术介绍
复合材料结构通常包括嵌入树脂基体的连续增强纤维。复合材料层压件是一种包含布置成堆叠的复合材料层片的铺层的复合材料结构类型。复合材料铺层中的单个复合材料层片可以在堆叠之前被树脂预浸渍(例如，预浸层片)。预浸层片的堆叠可以被布置成使得每个层片中的连续增强纤维沿特定方向取向。热可以被施加到堆叠以减小每个层片中的树脂的粘性，从而允许树脂与相邻层片的树脂混合，同时堆叠在压力下被固结以去除复合材料铺层内的空隙以及来自复合材料铺层的挥发物。树脂可以被固化或固结成坚硬状态并且被动地或主动地被冷却，从而形成复合材料结构。可替代地，代替使用预浸层片，复合材料层片可以被提供为布置成堆叠的干纤维预制件。液态树脂可以被注入堆叠中同时热和/或压力可以被施加以固结和固化树脂，在固结和固化树脂之后，铺层可以被动地或主动地被冷却以形成复合材料结构。能够调整复合材料铺层中的每个层片内的增强纤维的方向的能力导致形成具有显著性能优势的复合材料结构。这样的性能优势包括相对于金属结构的比强度和模量更高的比强度和更高的比弹性模量。不过遗憾的是，传统复合材料层压件具有若干会有损于它们的性能优势的特性。例如，由于复合材料层压件内不存在止裂特征，所以传统复合材料层压件会易于在树脂-纤维界面处分离。此外，传统复合材料组合件在构成复合材料组合件的共粘合或共固化的复合材料层压件之间的界面处会具有相对低的模式II层间剪切强度或剥离强度。传统复合材料层压件也可以具有相对低的导电性，这对例如在雷击的情况下传输与分配电流通过复合材料结构会存在挑战。此外，与金属部件交接的复合材料层压件会易于腐蚀，这是由于可能发生在复合材料层压件和金属材料之间的氧化或还原反应所导致的。而且，传统干纤维复合材料层片可能缺少足够的粘附性来确保干纤维层片粘附在一起，从而允许干纤维层片受控地堆叠成预制件。解决在传统复合材料层压件的树脂纤维界面处的分离问题的尝试包括将热塑性材料大批地随机分布在整个复合材料铺层中。尽管随机分布热塑性材料可以改善模式II层间强度，但缺少在传统复合材料层压件中的树脂-纤维界面处的控制会导致低的模式I层间强度，这会对防止纤维束内的裂纹扩展提出挑战。解决在传统复合材料组合件的复合材料层压件之间的界面处的低模式II层间剪切强度的尝试包括将增韧剂添加到树脂中。遗憾的是，树脂增韧剂会具有相对高的分子量，这会不良地增加树脂的粘性，而粘性增加会在纤维预制件的灌注期间抑制树脂流动。解决传统复合材料层压件中的低导电性问题的尝试包括将金属网或者箔片添加到复合材料层片的表面上。遗憾的是，添加单独的金属网或者箔片会增加复合材料结构的成本、复杂性以及生产时间。防止在复合材料层压件和金属零件之间的界面处的腐蚀的尝试包括在界面处添加单独的玻璃纤维层以充当抵抗腐蚀的屏蔽层片。遗憾的是，添加玻璃纤维会增加制造复合材料层压件的成本和复杂性。传统干纤维复合材料层片的低粘附性问题已经通过在树脂中添加环氧树脂胶结料或尼龙来解决，或者通过使用烙铁局部加热并将复合材料层片粘附在一起来解决。遗憾的是，环氧树脂胶结料或尼龙具有有限的特性，这限制形成干纤维预制件的层片堆叠所需的温度和压力的范围。使用烙铁将复合材料层片局部粘附在一起是一个耗时的过程，且该过程增加了复合材料结构的生产时间。如能够所见，本领域需要一种复合材料层压件及制造方法，其提供性能改善(诸如，改善的抗裂性、改善的层间剪切强度、增强的导电性和抗腐蚀性以及改善的在广泛温度下的粘附性)。
技术实现思路
上述与复合材料层压件相关的需求具体通过本公开来解决，本公开提供一种复合材料纤维，该复合材料纤维可以包括由第一材料形成的至少一个增强纤维丝。第二材料可以以压印图案被有序地沉积到增强纤维丝上，使得第二材料的长度、宽度和/或厚度在增强纤维丝的表面上变化。压印图案可以具有改变包含复合材料纤维的复合材料结构的一种或更多种特性的效果。在进一步的实施例中，公开了一种复合材料结构，该复合材料结构可以包括树脂和嵌入树脂内的多个增强纤维丝。增强纤维丝可以由第一材料形成。复合材料结构可以包括第二材料，该第二材料可以被有序地沉积在增强纤维丝上，使得第二材料的长度、宽度和/或厚度在增强纤维丝的表面上变化。同样公开了一种生产复合材料纤维的方法。该方法可以包括提供由第一材料形成的多个增强纤维丝。该方法可以附加地包括使用压印机或压印设备的沉积头将第二材料压印到多个增强纤维丝上。已经讨论的特征、功能和优势在本公开的各种实施例中能够独立地实现或者其可以在另一些实施例中组合在一起，其中参考下列说明和附图能够明白进一步的细节。【附图说明】通过参考附图，本公开的这些特征或者其他特征将变的更明显，其中在整个说明书中相同附图标记指的是相同的零件，并且其中:图1是复合材料结构的方框图，该复合材料结构包含压印在由第一材料形成的增强纤维上的一种或更多种材料并且该增强纤维可以被配置为纤维束、单向带和/或纺织织物；图2是包括单向层片堆叠的复合材料铺层的透视图，一种或更多种材料可以被压印在该堆叠上以改善复合材料结构的特性；图3沿图2的线3截取的单向带的一部分长度的俯视图，并且图示说明第二材料(和/或第三材料、第四材料等)的压印图案，该第二材料(和/或第三材料、第四材料等)以点阵列的形式被压印在单向带上以改善单向层片的粘附性；图4是单向带的一部分长度的俯视图，其示出第二材料的示例，该第二材料以横于单向带的纵向方向取向的垂直线的形式被压印在单向带上并有利于复合材料结构中的各项异性传导和/或有利于复合材料结构中的裂纹终止；图5是单向带的一部分长度的俯视图，其示出第二材料的示例，该第二材料以交叉影线图案的形式压印在单向带上以有利于阻止复合材料结构开裂；图6是单向带的一部分长度的俯视图，其示出第二材料(和/或第三材料、第四材料等)的示例，该第二材料(和/或第三材料、第四材料等)以曲线组合的形式压印在单向带上;图7是纤维束的增强纤维丝的一部分长度的透视图，并图示说明增强纤维丝可以可选包括的胶料(sizing)(例如，表面涂层)；图8是沿图3的线8所截取的单向带的横截面视图，并示出压印在单向带的顶表面上的第二材料的分布的示例；图9是单向带的横截面视图，其示出压印在单向带的顶表面和底表面上的第二材料的分布的示例；图10是单向带的横截面视图，其示出直接与复合材料结构的两个相邻复合材料层片接触的具有压印图案的第二材料的示例；图11是复合材料铺层的横截面视图，其图示说明一对相邻的具有相同纤维取向的单向带的复合材料层片并示出复合材料层片中的每一个上的第二材料的压印图案之间的接触的示例；图12是相邻复合材料层片的单向带的横截面视图，并示出直接接触一个复合材料层片的并机械接合相邻复合材料层片上的第二材料的压印图案的第二材料的压印图案；图13是复合材料铺层的一部分的横截面视图，其图示说明具有不同纤维取向的单向带的若干相邻复合材料层片，并示出直接接触相邻复合材料层片的第二材料，并进一步示出被沉积在相邻单向带的侧面之间的第二材料；图14是用于将第二材料的压印图案压印在纤维束上的系统的示例的示意性说明；图14A是沿图14的线14A截取的压印本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合材料纤维，其包含：由第一材料形成的至少一个增强纤维丝(116)；和第二材料，该第二材料以一种图案被有序地沉积到所述至少一个增强纤维丝上，使得所述第二材料的长度、宽度和厚度中的至少一者在所述至少一个增强纤维丝的表面上是变化的。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：S·J·莫尔，C·A·贺维，
申请(专利权)人：波音公司，
类型：发明
国别省市：美国;US