本公开总体上涉及三维(3d)纺织预制件，并且特别地涉及用于增强复合材料的3d纺织预制件。更特别地，本公开涉及能够形成为“t”字形的预制件。更特别地，本公开涉及能够在形成间隙的情况下形成为“t”字形的预制件，形成的间隙填充有一体的材料。
背景技术：
现在普遍的是使用增强复合材料生产结构部件，特别是在它们的轻重量、高强度、韧性、耐热性以及被形成和成形的能力的这些所期望的特性可以用来取得巨大优点的应用中。这种部件被用于例如航空、航天、卫星、高性能娱乐产品、船舶和其它应用。
典型地，这种部件包括嵌于基质材料的增强材料。增强部件可以由诸如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯等材料和/或展现所期望的物理、热学、化学和/或其它性质的(其中主要是抗应力失效的高强度)其它材料制成。这些材料通常被制成纤维并且被用作增强纤维，或者纤维被形成为在部件中被用作增强纱的纱。
通过使用最终成为完成的部件的构成元件的这种增强材料，增强材料的期望的特性(诸如非常高的强度)被赋予完成的复合物部件。典型的构成增强材料可以被纺织、针织、编织、层叠或以其它方式定向为用于增强预制件的期望构造。在许多情况下，特别注意确保最佳地利用使构成增强材料被选择的性质。通常，这种增强预制件与基质材料结合以形成期望的完成部件或者制造用于完成的部件的最终产品的工作库存(workingstock)。
在期望的增强预制件被构造之后，可以将树脂或基质材料引到或引入预制件，典型地，使得增强预制件被包围在基质材料中并且基质材料填充增强预制件的构成元件之间的空隙区域。基质材料可以为种类繁多的材料中的任何材料，诸如环氧物、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳和/或也展现期望的物理、热学、化学和/或其它性质的其它材料。所选择的用作基质的材料可以或可以不与增强预制件的材料相同，并且可以或可以不具有可比较的物理、化学、热学或其它性质。然而，典型地，它们将不是相同的材料或者不具有可比较的物理、化学、热学或其它性质，这是因为寻求使用复合物的首要通常目的是在完成的产品中实现通过单独使用一种构成材料无法获得的特性的组合。这样组合后，可以通过热固或其它已知方法以相同的操作固化和稳定增强预制件和基质材料，然后，增强预制件和基质材料经历其它的操作，以制造期望的部件。在该点上值得注意的是，在被固化之后，基质材料的随后凝固的块通常十分牢固地粘附到增强材料(例如，增强预制件)。结果，特别地经由充当纤维之间的粘接剂的基质材料，完成的部件上的应力可以被有效地转移到增强预制件的构成材料并且由该构成材料承受。增强预制件中的任何断裂或不连续限制了预制件的转移和承受施加于完成的部件上的应力的能力。
在特定的应用中，期望三维(3d)纺织复合结构为主要负荷承载构件。用于这种构件的预制件的一个有用的形状通常被称为“t”预制件，这样称谓是因为在轴向图中该形状像字母“t”。其它有用的预制件可以具有不同的截面形状，例如pi(π)、h、i或l等。能够在传统的梭织机上纺织具有特殊结构形状的纤维预制件，并且多个现有专利说明了织造这种结构的方法。
使用这些预制件的缺点之一是当预制件被分叉或划分时预制件会形成间隙。通常根据传统的方法通过将另外的材料添加到预制件来填充这些间隙。但是利用添加的材料填充间隙去除了预制件的整体连续性。此外，需要对预制件制造添加新材料增加了劳力、材料和成本。最后，添加的材料未一体地连接到预制件，这降低了预制件的结构一体性。
为了维持预制件的结构一体性，在许多情况下，需要在间隙处添加增强件。增强件通常为片材的形式，典型地为另外的纺织材料。添加的增强件造成了预制件局部上的厚度和重量的增加。增强件可能在增强的间隙自身中造成局部的重量集中。
其它已知的方法可能需要机械紧固件(例如，螺栓或铆钉)以将增强件在间隙处附加到预制件。然而，在这种部件的接口处使用金属螺栓或铆钉通常是不可接受的，因为这种紧固件需要进一步损害复合结构的一体性的通孔。不利地，紧固件增加了重量并且在这种元件与周围材料之间引入了不同的热膨胀系数。
现有技术方法没有充分地解决对于如下3d纺织预制件的需要：该3d纺织预制件能够在不添加其它材料且不产生局部上的厚度和额外的重量增加的情况下被形成为间隙填充物。本公开通过提供如下3d纺织预制件解决了现有技术的缺点：在不需要另外的材料且不具有与另外的材料相关联的局部上的厚度和额外的重量的增加并且结构一体性不降低的情况下，该3d纺织预制件的间隙填充有一体的材料。
技术实现要素：
因此，本公开涉及3d纺织预制件以及制造在不需要加入另外的材料的情况下由一体的材料填充间隙的3d纺织预制件的方法。通过以实质上平坦的样式弯折分割的纺织结构的两个臂而形成预制件的间隙，由此在两个弯折臂之间形成间隙。在本公开中，术语“3d”和“多层”可交换地使用。另外，在本公开中，术语“间隙填充”用于说明由一体的材料填充间隙的3d纺织预制件。
在以下说明中可交换地使用术语“线”、“纤维”和“纱”。在本文中使用的“线”、“纤维”和“纱”可以指单丝、复丝纱、加捻纱、复丝束、变形纱、编织束、包衣纱、双组份单丝纱以及由拉伸断裂纤维(stretchbrokenfibers)或任何其它这种材料制成的纱。在本文中使用的术语“面板”可以指设置到另一部件中的任何结构或材料部件。在本文中使用的术语“基部”可以指预制件的能够被裁切和/或形成为成形的预制件的竖直或纵向部分。
在本文中使用的术语“一体的纺织”指在层之间互相纺织的纤维层。在本文中使用的术语“独立的纺织”指在层之间不互相纺织的纤维层。术语“顶”、“底”、“竖直”和“水平”在本文中是为了方便说明预制件而使用的，不应被解释为限制预制件或预制件的定向。
本公开还涉及包括3d纺织预制件的增强复合结构，该3d纺织预制件能够被形成为在不需要另外的织物或基质材料的情况下间隙填充的预制件。
本公开的一个实施方式是具有多个纺织层的三维(3d)纺织预制件。纺织预制件包括具有一体的纺织层的预制件的基段。预制件的基段的至少一个端部被分为至少三个区部，该至少三个区部包括至少一个中间区部以及具有一体的纺织层的至少两个外侧区部。至少两个外侧区部被弯折以形成预制件的形状，并且在形成于至少两个外侧区部之间的间隙中压缩或压皱至少一个中间区部。
本公开的另一实施方式涉及作为多层织物的3d纺织预制件，该多层织物包括具有织物的所有纺织联锁层的一个或多个纵向部分、具有织物的两个或更多个独立的纺织联锁层和纺织织物的一个或多个分离的层的一个或多个纵向部分。分离的层位于织物的联锁层之间。织物的两个或更多个联锁层远离彼此地弯折，在联锁层之间形成一个或多个间隙。分离的层在联锁层之间，并且在本实施方式中分离的层在间隙中被形成为压缩状态。
3d纺织预制件可以包含形状实质上为三角形的至少一个间隙。附加地，3d纺织预制件的截面形状可以为“t”、“l”、“h”、“i”或“pi”(“π”)。
可以通过沿着预制件的纵向部分裁切(或分叉)预制件而将3d纺织预制件形成为三个区部。此外，可以以如下方式纺织3d纺织预制件：存在位于外侧的两个一体纺织的区部(最终形成“t”的顶)以及能够作为一个纺织层、一系列独立的纺织层、一系列一体的纺织层或者不与纬纱互相纺织的经纱的层的中央层。
此外，可以使3d纺织预制件的两端分叉。可选地，可以使3d纺织预制件的一端分叉并且可以纺织3d纺织预制件的一端，使得预制件为两腿部之间具有连接叉(clevis)的pi字形。
此外，可以存在至少两个3d纺织预制件被并排固定或被并排纺织，以使得在使用中两个预制件的两个相邻的侧部在“t”形状的竖直部分(基部)之间形成间隙，例如用于插入可以是例如飞机机身的壁或隔板的金属或复合面板。这些至少两个并排的预制件可以与上述实施方式相同或不同。
3d纺织预制件的规格(例如，腿部长度、腿部长度与基部长度的比例、纱尺寸、厚度、一体的或独立的纺织层的数量)可以改变。
3d纺织预制件可以包含由诸如玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺、聚乙烯的材料或其它合适的材料制成的经纤维和纬纤维或经纱和纬纱。3d纺织预制件还可以是包括诸如环氧物、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳的基质材料或本领域技术人员已知的其它材料的增强复合结构。
附加地，本公开涉及形成3d纺织预制件的方法。经纱或经纤维与纬纱或纬纤维纺织以形成多层织物，该多层织物包括具有织物的所有纺织联锁层的一个或多个纵向部分、具有两个或更多个织物的独立的纺织联锁层以及织物的一个或多个分离的纺织层的一个或多个纵向部分。分离的层位于织物的联锁层之间。可以通过一个或多个位置裁切预制件，以使一个或多个切口将预制件分割为独立的纺织联锁层的区部，并且分离的层位于联锁层之间。沿着所述切口的平面的突起弯折预制件，以使两个或更多个所述联锁层沿彼此相反的方向弯折，在所述联锁层之间形成一个或多个间隙。在t-预制件中，弯折的区域实质上共面。在间隙中的联锁层之间压缩分离的层的纱。预制件能够浸渍基质材料以成为复合物。
作为一个可选的实施方式，以使中央层与纬纱的图案纺织的方式纺织预制件，使得中央层不附接于外侧的一体的纺织层。中央层可以仅为一个纺织层，如果多于一层则可以彼此独立地纺织，或者所有层可以一体地纺织在一起。
应当注意的是，在该公开中、特别是在技术方案和/或附图中，诸如“包括”、“被包括”、“包括着”等的术语具有美国专利法对它们所规定的含义；例如,它们可以意味着“包含”、“被包含”、“包含着”等；诸如“基本上组成”和“基本上组成着”具有美国专利法对它们所规定的含义，例如，它们允许未明确叙述的要素，但排除在现有技术中找到的或影响本发明的基本或新颖性特征的要素。
附图说明
以示例的方式给出、但是不旨在将本公开仅限制于所说明的具体实施方式的以下详细说明结合附图可以被最好地理解，其中相同的附图标记表示相同或相似的元件和部件，在附图中：
图1示出了由分叉多层联锁织物制成的“t”状预制件的现有技术3d纺织预制件的侧视图。
图2示出了根据本公开的实施方式的3d纺织预制件的侧视图。
图3a至图3b示出了根据本公开的实施方式的3d纺织h字形预制件。
图4示出了根据本公开的实施方式的3d纺织pi字形预制件。
具体实施方式
以下参照绘出所公开的预制件的实施方式及其示例性应用的附图说明本公开的实施方式。然而，应当理解的是，所公开的预制件的应用不限于所图示的这些实施方式。另外，本公开不限于以图示而不是限制为目的而提供的所绘出的实施方式及其细节。
本公开涉及三维(3d)纺织预制件，其能够被形成为具有一体的间隙填充物且在间隙处不添加独立或另外的材料的成形预制件，并且本公开涉及形成这种预制件的方法。3d预制件的其它构造是可能的。也就是说，本技术可以适用于具有由预制件的弯折部分形成的间隙的预制件。特别地，当织物的纺织部分被形成为预制件的腿部时，可能导致这种间隙。
图1a至图1b示出了现有技术的3d纺织t-预制件的形成。在图1a中，平坦结构100包括实质上平坦的主要表面102和大致平行的相反的主要表面102’、以及至少一个边缘表面104。沿着预制件结构100的纵向长度的基段106包括多个一体的纺织层。平坦结构100的另一段108被裁切110为第一区部112和第二区部114。在主要表面102的切口位置到预制件结构100的深度d1制成切口110。切口110的平面在切口位置处垂直于预制件结构100以及结构主要表面102。
在图1a中，结构100由两部分形成。基段106由经纱和纬纱的一个或多个一体的纺织层112以及一个或多个一体的纺织层114形成，这些层遍及结构的整个宽度地被纺织在一起。在结构100的第二端部，层112和层114不沿着分叉切口110纺织在一起。可选地，沿着结构100的长度，层112和层114可以被纺织在一起并通过沿着分叉切口110裁切而分离。
段112、114之间的尺寸关系以及d1影响形成的间隙158的特性。
图1b示出了通过以实质上平坦的样式沿着图1a中的分叉110弯折区部112和114以形成左臂152和右臂154而产生的t字形预制件150。沿着预制件150的纵向长度的至少一个基部156包括多个一体的纺织层。通过以实质上平坦的样式弯折臂152和臂154以通过沿着l轴线切开预制件形成t字形预制件150而形成间隙158。间隙158通过弯折臂152、154形成的固有半径产生。间隙158实质上被成形为三角形。能够填充这种间隙使得预制件呈现出实质上平坦的表面。另外，如果不填充诸如158的间隙，则可能在预制件中导致弱点(weakness)。
图2示出了根据本公开的实施方式的3d纺织t-预制件。在图2a中，结构200包括主要表面202和大致平行的相反的表面202’、以及至少一个角部204。沿着预制件结构200的纵向长度的至少一个端部206包括多个一体的纺织层。由分叉切口216和218划分端部208，由此形成端部208的三个区部210、212、214。分叉切口216和218被制成为到预制件结构200的深度d2并且深度可以实质上相等。分叉切口216和218的平面在各分叉切口的位置处可以垂直于预制件结构200以及结构主要表面202。区部210是存在于分叉切口216和218之间的至少一层无纺经纤维和纬纤维。
在本公开的实施方式中，沿着结构的长度l，区部212和214具有相同的深度d2，并且区部212和214长度相同或长度大致相同。在一些实施方式中，分叉切口216、218深度不同。区部212、214之间的其它尺寸关系可能影响形成的一个或多个间隙258、260的特性。本公开的实施方式能够通过在结构的织造期间使用接结纬纱(binderpick)来实现。沿着结构的适当的一个或多个区部，省略接结纬纱，能够在预制件的分离的臂被弯折打开时形成分叉。
图2b示出了通过以实质上平坦的样式沿着分叉216和218弯折区部212和214以形成左臂252和右臂254而产生的t-预制件250。沿着预制件250的纵向长度的至少一个基段206包括多个一体的纺织层。通过以实质上平坦的样式弯折臂252和254形成t-预制件250而形成两个间隙258和260。独立的纺织分离纤维层262留在臂252和254之间以及间隙258和260之间。如上所述，分叉216、218的深度能够影响一个或多个间隙258、260以及臂252、254的相对长度。也就是说，分叉的深度越大能够使产生的臂的长度越大。
图2c示出了t字形预制件280，该t字形预制件280是通过如下产生的产品：向下压缩或压皱图2b中的独立的纺织分离纤维层262以填充间隙258和260来形成与臂252、254实质上共面的预制件顶表面284。包括被填充的间隙282而产生的结构可以使用诸如但不限于树脂转移模塑或化学气相渗透的传统的技术被注入树脂或诸如但不限于环氧物、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷、碳的基质材料或展现所期望的物理、热学、化学或其它性质的其它材料，产生增强的复合结构。所产生的t-预制件280具有实质上为共面配置且由被填充的间隙282连接的臂252和254。
本公开的实施方式涉及3d纺织预制件，该3d纺织预制件包括：预制件的第一段的第一部分，其具有不与纬纤维纺织在一起的经纤维；预制件的第一段的第二部分，其具有位于第一部分的第一侧的一体地互相纺织成一个或多个层的经纤维和纬纤维；以及第一段的第三部分，其具有位于第一部分的相反侧的一体地互相纺织成一个或多个层的经纤维和纬纤维。弯折第二和第三部分以形成t状预制件，并且在第二和第三部分之间形成的间隙中压缩或压皱经纤维的未纺织层。此外，在预制件的第二段中，第一段的经纤维和纬纤维被纺织为层。附加地，第一、第二和第三部分的层在第二基段中全部互相纺织在一起。
本公开的另一实施方式涉及3d纺织预制件，该3d纺织预制件包括：第一纵向段，其具有一体地纺织为层的经纤维和纬纤维，这些层中至少一些层是联锁的；以及第二纵向段，其具有均包括一体地纺织为联锁层的经纤维和纬纤维的两个或多个部分并且具有无纺经纤维的一个或多个部分。无纺部分位于联锁层的部分之间，并且连锁层的两个或多个部分被弯折以在联锁层的所述弯折部分之间形成一个或多个间隙。此外，在形成的间隙中无纺部分被压皱。另一实施方式涉及具有联锁层的两个部分的预制件。另外的实施方式涉及具有被弯折以形成t-预制件的联锁层的两个部分的预制件，其中无纺经纤维在联锁层的弯折的两个部分之间形成的间隙中被压皱。
联锁的一体纺织层的两个部分的弯折部的表面可以实质上共面。经纤维和纬纤维或经纱和纬纱可以由诸如但不限于玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的任何适合的材料制成。预制件可以是被基质材料浸渍的复合物的形式。基质材料可以以间隙的顶表面与联锁层的两个部分的弯折部实质上共面的方式填充包括间隙的整个结构。基质材料可以是诸如但不限于环氧物、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳的任何合适的材料。
本公开的另一实施方式涉及形成具有多个一体纺织层的三维(3d)纺织预制件的方法。该方法涉及：形成预制件的第一段的具有不与纬纤维纺织在一起的经纤维的第一部分，形成预制件的第一段的位于第一部分的第一侧的具有互相纺织成一个或多个层的经纤维和纬纤维的第二部分，以及形成第一段的位于第一部分的相反侧的具有互相纺织成一个或多个层的经纤维和纬纤维的第三部分。于是，该方法涉及弯折第二和第三部分以形成预制件的形状，并且在形成于第二和第三部分之间的间隙中压皱未纺织的纤维。该方法可以涉及通过使第一段的经纤维和纬纤维一体地织造为层来形成预制件的第二段。该方法还可以涉及在第二段中将第一、第二和第三部分的层一体地织造在一起。
本公开的另外的实施方式涉及形成具有多个纺织层的三维(3d)纺织预制件的方法，该方法包括以下步骤：将具有经纤维和纬纤维的第一纵向段织造为层，这些层中至少一些层是联锁的；一体地织造第二纵向段，其具有均包括联锁的层的经纤维和纬纤维的两个或多个部分，并且具有无纺经纤维的一个或多个部分；使无纺部分定位于联锁的层的部分之间；弯折联锁的层的两个或多个部分以在联锁的层的所述弯折部分之间形成一个或多个间隙；以及在所形成的间隙中压皱无纺部分。该方法可以涉及形成联锁的层的两个部分。该方法还可以涉及弯折联锁层的两个部分以形成t-预制件并且在弯折的联锁层的两个部分之间的间隙中压皱无纺纤维。该方法可以包括制造联锁层的两个部分的弯折部的实质上共面的表面。此外，该方法包括可以使用由包括但不限于玻璃、碳、陶瓷、芳族聚酰胺和聚乙烯的任何合适的材料制成的经纤维和纬纤维或经纱和纬纱。
本公开的另一实施方式涉及制造复合物的方法，该方法包括：制造具有两个臂以及两个臂之间的间隙的3d纺织预制件结构的方法，其中所述间隙填充有与纺织预制件一体的材料；以及通过将基质材料浸渍到预制件中。该方法可以包括利用基质材料填充包括形成的间隙的整个结构，使得间隙的顶表面与联锁层的两个部分的弯折部实质上共面。该方法还可以使用包括但不限于环氧物、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳的任何基质材料。
本公开的另一实施方式涉及制造3d纺织预制件的方法，该方法包括裁切任何前述预制件的顶端和底端并且将顶端和底端分成至少三个区部。
图3a至图3b示出了本公开的涉及被形成为h字形(或i字形)预制件300的3d纺织预制件的实施方式。h字形预制件包括任何前述预制件，其中3d纺织预制件350的第一端部350a和第二端部350b均被分为至少三个区部。第一端部350a被分为区部310a、312a、314a，并且第二端部350b被分为区部310b、312b和314b。如以上在本文中说明的，第一和第二端部均被弯折，在弯折处之间形成相应的连接叉或间隙370a、370b。在间隙370a、370b中压皱无纺中央区部310a、310b的纤维360a、360b，形成实质上平行的平坦的表面。形成的h-预制件产生间隙320。如同本文所述，可以浸渍预制件。间隙320能够用于安装例如面板330、玻璃、有机玻璃或其它物体。
可选地，h字形(或i字形)预制件300能够由两个t-预制件310a、310b形成。在该实施方式中，t-预制件310a、310b在基部的位置380处接合。能够使用诸如粘合等的本领域技术人员已知的使t-预制件接合的任何方法。
图4示出了本公开的涉及被形成为pi字形的预制件400的3d纺织预制件的实施方式。在该实施方式中，通过以上在本文中说明的任何方法纺织两个t-预制件410a、410b。如以上在本文中所说明的，第一端部450a、450b均被弯折，在弯折处之间形成相应的间隙470a、470b。t-预制件410a、410b能够被布置为彼此相邻，由此在t-预制件410a、410b之间形成具有连接叉或间隙420的pi-预制件400。t-预制件能够通过任何已知方法在位置480处、在相应的凸缘端490a、490b处接合在一起。在间隙470a、470b中压皱无纺中央区部的纤维460a、460b，形成沿着产生的pi-预制件的顶表面的实质上平行的平坦的表面。形成的pi-预制件产生连接叉或间隙420。如同本文所述，可以浸渍预制件。间隙420能够用于安装例如面板430、玻璃、有机玻璃或其它物体。
本公开的其它实施方式涉及制造3d纺织预制件的方法，该方法包括织造彼此相邻的两个前述预制件，由此在两个前述预制件之间形成连接叉。
本公开的实施方式涉及3d纺织预制件，该3d纺织预制件包括任何前述预制件，其中，3d纺织预制件的顶端被分为至少三个区部并且3d纺织预制件的底端被纺织，使得预制件为pi字形(“π”)。
本公开的另一实施方式涉及制造3d纺织预制件的方法，该方法包括均在任何前述3d纺织预制件的两顶端处裁切预制件，从而将顶端分为至少三个区部以及织造3d纺织预制件的底端，使得预制件为pi字形(“π”)。
其它实施方式在所附权利要求书的范围内。