聚合物复合材料及其工艺制造技术

本发明专利技术涉及聚合物复合材料及其工艺，提供了用于制造包含聚合物基体、加强织物(54)以及填料材料(52)的颗粒的聚合物复合材料的工艺。该工艺包括：在各包括加强织物(54)中的至少一个的至少两个物件(54,74)上喷涂填料材料(52)的颗粒而形成带颗粒的物件(56,76)。堆叠带颗粒的物件(56,76)而形成堆叠结构(58,78)，并且然后使得存在于堆叠结构(58,78)内的树脂固化而形成层压聚合物复合材料。该工艺可用于制造航空发动机机舱(34)的至少一部分，例如，风扇机舱(34)的入口唇部(42)。

【技术实现步骤摘要】
本申请是于2012年5月30日提交的专利申请(中国国家申请号为201210172376.1，专利技术名称为“聚合物复合材料及其工艺”)的分案申请。

本专利技术涉及复合材料，并且更特定而言涉及用于制造复合材料的工艺，复合材料包括用包含粉末的树脂浸润的加强织物。

技术介绍

图1示意性地表示本领域中已知类型的高旁通涡轮风扇发动机10。发动机10示意性地表示为包括风扇组件12和核心发动机14。风扇组件12显示为包括复合风扇壳体16和从风扇叶片18阵列向前突出的旋转器(spinner)鼻部20。旋转器鼻部20和风扇叶片18两者均由风扇盘(未显示)支撑。核心发动机14表示为包括高压压缩机22、燃烧器24、高压涡轮26以及低压涡轮28。进入风扇组件12的大部分空气绕到发动机10的后部而生成额外发动机推力。绕过的空气通过环形旁通管道30且通过风扇喷嘴32离开管道30。风扇叶片18由风扇机舱34包围，该风扇机舱限定了旁通管道30的径向外部边界以及到发动机10和风扇喷嘴32的入口管道36。核心发动机14被核心整流罩(cowl)38包围，该核心整流罩限定了旁通管道30的径向内部边界以及从核心发动机14向后延伸的排气喷嘴40。
风扇机舱34是重要的结构构件，其设计考虑包括空气动力学标准以及承受异物损伤(FOD)的能力。由于这些原因，重要的是在制造机舱34时选择适当的构造、材料以及组装方法。已经考虑了各种材料和配置，广泛地使用金属材料且特别是铝合金。也考虑过复合材料，诸如利用碳(石墨)纤维或织物加强的环氧树脂层压材料，因为它们提供优点，包括能够制造为尺寸足以满足空气动力学标准、轮廓控制以及减轻的重量的单件部件，其提高了发动机效率并改进了燃料消耗比(SFC)。
当发动机在地上并且特别是在航行条件下时，航空发动机机舱经受结冰条件，特别是在入口唇部(图1的42)处的机舱前缘。移除冰累积(除冰)和防止机舱入口唇部42上的冰累积(防冰)的一个熟知方案是通过使用热空气排出系统。作为示例，发动机供应的排出空气能通过管路(未显示)从燃烧室24抽吸到入口唇部42，在此，热排出空气接触入口唇部42的内表面而加热唇部42并移除/防止冰形成。作为备选，一些较小的涡轮风扇和涡轮螺旋桨航空发动机已经利用了经由焦耳加热将电能转换为热的电防冰系统。电阻型加热丝可用作加热元件，但更近的示例使用在商业上可以从GrafTechInternationalHoldingsInc获得的名称为GRAFOIL?的柔性石墨材料。加热元件嵌入诸如硅橡胶的保护罩(boot)中，保护罩继而附连到机舱入口唇部42的内侧前缘。在任一情况下，与复合材料相比，如果唇部42由诸如铝合金的金属材料构成，则能促进入口唇部42的均匀且高效的加热。为了促进由诸如碳加强的(纤维和/或织物)环氧树脂层压材料的复合材料制成的入口唇部42的均匀加热，复合材料可产生为包含能提高其导热率的传导填料。这样的填料已包括氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)以及氮化铝(AlN)粉末和碳(石墨)纳米管。
用于并入填料的传统方案涉及将填料颗粒掺和到树脂系统内，并且然后用带颗粒的树脂系统浸渍碳织物。虽然是有效的，但是所得到的树脂系统倾向于具有相对较高的黏度，这限制了能够并入复合物中的填料的浓度。这种限制部分由于过滤效果，其中，在浸渍工艺期间，加强织物将填料颗粒过滤出树脂系统。为了减小这种过滤效果，可使用纳米尺寸的填料颗粒，但是由于树脂系统黏度的急剧增加，小于20%体积的填料装载量仍是典型的。结果，由诸如碳织物加强的环氧树脂层压材料的复合材料制成的入口唇部的厚度方向导热率是有限的，通常限于大约0.6W/mK或更小的导热率值。
机械性质，包括层间韧度和压缩模量，也可能是有限的，因为高粘度树脂系统倾向于促进复合物中由于加强织物的不均匀浸渍引起的干斑缺陷的出现。高粘度树脂系统还限制了能将树脂系统浸渍到加强织物中的工艺。例如，很难使用诸如真空辅助树脂传递成型(VaRTM)的相对低成本的工艺来均匀地浸渍包含大约15%体积的纳米尺寸填料颗粒的树脂系统。
鉴于上述内容，如果存在能将更大量的填料颗粒并入树脂浸渍的加强织物中的方法，那么将是所期望的。特别地，这种能力将有益于在风扇机舱的制造中所使用的织物加强的聚合物复合材料中并入更大量的传导填料。这种能力也将有益于多种其它应用，例如，由织物加强的聚合物复合材料制成的电气罩壳和飞行器翼/尾部区域，在此情况下，填料可用于改进导热率、导电率(诸如石墨型填料)以及/或者改进层间韧性(诸如呈粉末形式的热塑性增韧剂)。

技术实现思路

本专利技术提供用于制造聚合物复合材料的工艺，该聚合物复合材料包括包含多个加强织物和填料材料颗粒的聚合物基体。
根据本专利技术的第一方面，该工艺包括在各包括加强织物中的至少一个的至少两个物件上喷涂填料材料颗粒而形成带颗粒的物件；堆叠带颗粒的物件而形成堆叠结构；以及然后使得存在于堆叠结构内的树脂固化而形成层压聚合物复合材料，该层压聚合物复合材料包括加强织物和通过固化树脂形成的聚合物基体。
根据本专利技术的一特定方面，物件可为不包含任何树脂的干织物或者可用有限量的增粘树脂增粘，在此情况下，在固化步骤之前，该堆叠结构由用于聚合物基体的树脂浸润。作为备选，物件可为预浸料坯，预浸料坯还包含树脂，在此情况下，堆叠结构不需要在固化步骤之前用树脂浸润。
根据本专利技术的其它方面，上文所述的工艺可用于制造航空发动机机舱的至少一部分，例如，风扇机舱的入口唇部。对于这样的应用，填料材料优选地，但并非必需地，为包含氮化硼、氧化铝和/或氮化铝颗粒的粉末。
本专利技术的技术效果为与常规树脂浸渍技术相比增加织物加强的聚合物复合材料的填料加载量的能力。更高的填料加载量能够用于提高复合材料的性质，例如，导热率和/或机械性质。关于后者，在由织物加强的聚合物复合材料构成的风扇机舱的入口唇部中增加的传导填料水平提供了改进入口唇部能被加热而移除和防止冰累积的效率的能力。
通过下面的详细描述，将更好地领悟本专利技术的其它方面和优点。
附图说明
图1示意性地表示高旁通涡轮风扇发动机的截面图。
图2为显示图1的机舱入口唇部的截面的详细视图。
图3和图4示意性地表示填料颗粒能并入织物加强的复合材料中的两种方法。
附图标记：
10发动机
12组件
14发动机
16壳体
18叶片
20鼻部
22压缩机
24燃烧器
26涡轮
28涡轮
30管道
32喷嘴
34机舱
36管道
40喷嘴
42唇部
44层
46表面
48表面
50枪
52材料
54织物
56织物
58结构
60系统
62垫板
64袋
74预浸料坯(prepreg)
76预浸料坯
78结构
80树脂
82垫板
84袋。
具体实施方式
图2表示由聚合物复合材料制成的入口唇部42的实施例。如将在下文中讨论的那样，本专利技术的一个方面是为了提高唇部42的防冰和除冰能力(在下文中，简称为防冰)而增大入口唇部42的导热率。本专利技术特别好地适合用在高旁通涡轮风扇发动机中，其示例为图1中所表示的涡轮风扇发动机10，但是应当了解，可预想到其它应用。最后，虽然将特别地参考入口唇部42来讨本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造层压聚合物复合材料的工艺，所述层压聚合物复合材料包括聚合物基体，所述聚合物基体包含多个加强织物和填料材料的颗粒，所述聚合物基体通过固化树脂形成，所述工艺包括：提供至少两个加强织物并且在所述加强织物的相邻纤维之间存在空间，所述加强织物不包含任何所述树脂；对各个所述加强织物施加电偏压；在各个所述加强织物上喷涂所述填料材料的颗粒，使得各个所述加强织物单独地形成干的带颗粒的织物，其中，所述填料材料的颗粒通过施加至其上的电偏压而附着至所述加强织物；堆叠所述干的带颗粒的织物以形成干的堆叠结构；将树脂浸渍到所述干的堆叠结构中；以及使得所述堆叠结构内的所述树脂固化以形成所述层压聚合物复合材料，所述层压聚合物复合材料包括所述加强织物和通过固化所述树脂形成的所述聚合物基体。

【技术特征摘要】
2011.05.31 US 13/1188851.一种用于制造层压聚合物复合材料的工艺，所述层压聚合物复合材料包括聚合物基体，所述聚合物基体包含多个加强织物和填料材料的颗粒，所述聚合物基体通过固化树脂形成，所述工艺包括：
提供至少两个加强织物并且在所述加强织物的相邻纤维之间存在空间，所述加强织物不包含任何所述树脂；
对各个所述加强织物施加电偏压；
在各个所述加强织物上喷涂所述填料材料的颗粒，使得各个所述加强织物单独地形成干的带颗粒的织物，其中，所述填料材料的颗粒通过施加至其上的电偏压而附着至所述加强织物；

【专利技术属性】
技术研发人员：M马赫什瓦里，方笑梅，
申请(专利权)人：MRA系统有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US