编织预制件、复合材料、及其制造方法技术

公开了三维编织预制件、含预制件的纤维强化复合材料、及其制造方法。编织预制件包括两层或更多层经线被操纵织物。经线被操纵织物包括省道部和未省道部。一个经线被操纵织物的省道部与另一个经线被操纵织物的未省道部彼此接合，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。一个经线被操纵织物的未省道部加强另一经线被操纵织物的省道部。经线被操纵织物可在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物可为单层或多层织物。最终的预制件可为飞行器窗框的一部分。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术大体涉及纤维强化复合材料，并具体涉及具有在强化复合材料中使用的编织材料条的预制件(preform)，其能够被编织平坦并形成其最终形状，最终形状沿一个或多个方向具有强化效果相关申请引入所有专利、专利申请、文献、参考文件、制造商的使用指南、说明、产品规格和在此提到的任何产品的产品手册在此通过援引而被并入，并可被用于本专利技术的实践。
技术介绍
现在普遍地，特别是在寻求重量轻、坚固、强韧、耐热、自支撑并适合形成和成型这些期望特性的应用中，使用强化复合材料来生产结构部件。这类部件例如用于航空、航天、卫星、娱乐(如赛艇和汽车)以及其他应用中。典型地，这种部件由嵌入基体材料的强化材料构成。强化部件可由例如玻璃、碳、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚乙烯之类的材料和/或展现出期望的物理、热、化学和/或其他属性(这些属性中主要的是抵抗应力破坏的大强度)的其他材料制造。通过使用这种强化材料(其最终成为所完成部件的组成元件)，强化材料的期望特性，例如非常高的强度，被赋予所完成的复合部件。强化材料的组成成分典型地可被编织(woven)、针织(knitted)或编结(braided)。通常特别关注的是确保所选择的强化材料组成成分的属性得到最佳利用。通常这种强化预制件与基体材料组合，以形成期望被完成的部件，或生产用于最终生产被完成部件的工作储料(working stock)。在构建所期望的强化预制件之后，基体材料可被引入并加入预制件，使得强化预制件典型地变得被封包在基体材料中，而且基体材料填充强化预制件的组成元件之间的空隙区域。基体材料可以是众多材料中的任一种，例如环氧树脂、聚酯(POIyester )、乙烯基酯(vinyl-ester)、陶瓷、碳和/或同样展现出所期望的物理、热、化学和/或其他属性的其他材料。被选择用作基体的材料可与强化预制件的材料相同或不同，并可具有相当(comparable)或不相当的物理、化学、热或其他属性。然而,典型地,它们将不是相同的材料或具有相当的物理、化学、热或其他属性，因为在使用复合材料时，所寻求的居于首要位置的通常目的是，在被完成产品中获得多种特性的组合，而这种特性组合是通过单独使用一种组成材料不能获得的。如此组合后，强化预制件和基体材料可随后通过热固法或其他公知方法，在相同的操作中被固化和稳定，并随后向生产期望部件的方向受到其他操作。此时应特别注意，在如此固化之后，基体材料的由此凝固(solidified)的物质非常坚固地粘附到强化材料(例如强化预制件)上。因此，所完成部件上的应力，具体地经由其起到纤维之间的粘合剂作用的基体材料，可被有效地转移到强化预制件的组成材料并由强化预制件的组成材料承受。在飞行器机身上增加对具有这种纤维预制件强化材料的复合材料的使用，已经引发对于复合材料窗框的需求。因为复合材料机身与金属框的热膨胀系数之间的差异，所以传统的金属窗框不能用于该应用。另外，必须利用寄生阻挡层(parasitic barrier ply)来消除当一些复合材料与金属接触时会出现的腐蚀问题。这些阻挡层增大了生产成本与总重量。飞行器窗框10 (例如图I所示)趋向于呈椭圆形，其中，该框的主轴弯曲以适应机身的圆柱形形状。窗框10的横截面形状(例如图2所示)例如通常是均匀的；然而，这种形状能够包括例如处于外边缘的直立腿20之类的复杂特征，和/或有助于窗户密封到飞行器的主体的所谓的“榫接部(joggle)”15。因为框10的椭圆形形状，直立腿20是特别难以并入复合设计内的特征。借助传统织物或带来制造这个特征需要利用省道(dart)来形成弯曲的形状。然而，如果不强化这些省道，则会降低复合材料的强度和刚度。 尽管这种方案允许形成期望形状，但是如图3 Ca)所示强化纤维将沿笛卡尔坐标系的主方向而不是如图3 (b)所示沿窗框的主方向取向。对于这个问题，典型的解决办法是使用强化纤维的所谓准各向同性叠层(layup)，使得预制件可在窗框的整个区域上具有均匀刚度。通用的是在0°、90°和±45°方向具有等比例纤维的叠层。然而，这个方案导致两个潜在问题。首先，准各向同性叠层仅具有均匀刚度属性。强度却可能不相对于主窗框坐标系均匀。其次，准各向同性叠层的刚度相对于借助0° /90°叠层能够达到的同轴刚度降低了。
技术实现思路
因此，本专利技术的一个目的是使得强化纤维与窗框的主方向一致，如图3 (b)所示，窗框的主方向平行于周边，并正交于局部曲率半径。这使得预制件相对于主坐标系统具有均匀的强度和刚度，并沿所生成结构的主方向使强度和刚度最大化。本专利技术的另一目的是提供一种用于制造复合材料窗框的方法，该复合材料窗框包括直立腿，并具有与窗户的主方向一致的强化纤维。本专利技术的又一目的是提供一种形成三维预制件的方法，与现有技术的设计相比，该三维预制件减轻重量和/或改善性能。根据一个示意性实施例，本专利技术提供一种三维编织预制件，其包括两层或更多层经线被操纵织物。每层经线被操纵织物包括省道部和未省道部。一个经线被操纵织物的省道部和另一个经线被操纵织物的未省道部彼此接合，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供均匀纤维。一个经线被操纵织物的未省道部加强另一个的省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层或多层织物。最终的预制件能够是飞行器窗框的一部分。另一示意性实施例提供一种包括三维编织预制件的纤维强化复合材料，该三维编织预制件包括两层或多层经线被操纵织物。经线被操纵织物包括省道部和未省道部。经线被操纵织物的省道部彼此接合，以便在预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。一个经线被操纵织物中的未省道部加强另一个经线被操纵织物中的省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括被牵切碳纤维和/或传统碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层或多层织物。复合材料能够是飞行器的窗框。复合材料可通过在基体材料中浸溃并固化编织预制件形成。又一示意性实施例提供一种形成三维编织预制件的方法。该方法包括编织两层或更多层经线被操作织物的步骤。该方法还包括对经线被操纵织物的第一部分进行省道，并保留经线被操纵织物的第二部分未省道。该方法包括接合经线被操纵织物的省道部，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。该方法还包括以一个织物中的省道部来加强另一经线被操纵织物中的未省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括被牵切碳纤维和/或传统碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层或多层织物。预制件能够是飞行器窗框的一部分。本专利技术的又一示意性实施例提供一种形成纤维强化复合材料的方法，其包括形成三维编织预制件的步骤。该方法包括编织两层或更多层经线被操纵织物的步骤。该方法还包括对经线被操纵织物的第一部分进行省道，并保留经线被操纵织 物的第二部分未省道。该方法包括接合经线被操纵织物的省道部和未省道部，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。该方法还包括以一个织物的省道部来加强另一经线被操纵织物的未省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2009.10.01 US 61/247,7771.一种三维编织预制件，包括 多个经线被操纵织物。2.如权利要求I所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物包括未省道部。3.如权利要求2所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物包括省道部。4.如权利要求3所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物的省道部彼此接合，以便沿所述预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。5.如权利要求4所述的预制件，其中，所述预制件是窗框的一部分。6.如权利要求5所述的预制件，所述预制件是飞行器窗框的一部分。7.如权利要求I所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物的一部分包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。8.如权利要求4所述的预制件，其中，一个经线被操纵织物中的未省道部加强另一经线被操纵织物中的省道部。9.如权利要求I所述的预制件，还包括一层或多层织物，其中的纤维沿离轴方向取向，所述一层或多层织物散布在多个所述经线被操纵织物之间。10.如权利要求I所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物是在配备有差动卷线机构的织机上编织的。11.如权利要求I所述的预制件，其中，至少一个经线被操纵织物是多层织物。12.如权利要求11所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物中的经线纤维图案为选自股对股、正交和角联锁组成的组的图案。13.如权利要求I所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物是通过交织多个经纱或经线纤维和纬纱或纬线纤维形成的，所述经纱或经线纤维和所述纬纱或纬线纤维选自碳、SBCF、尼龙、人造纤维、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚酯和金属纱或纤维组成的组。14.一种纤维强化复合材料，包括根据权利要求I所述的三维编织预制件。15.如权利要求14所述的复合材料，还包括基体材料。16.如权利要求15所述的复合材料，其中，所述基体材料是树脂,而且所述复合材料由选自树脂传递模塑和化学气相渗透组成的组的工艺形成。17.如权利要求15所述的复合材料，其中，所述基体材料选自环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳组成的组。18.一种形成三...

【专利技术属性】
技术研发人员：乔纳森·戈林，
申请(专利权)人：奥尔巴尼工程两合公司，
类型：发明
国别省市：