专利名称：带有纤维排列的复合材料的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及一种复合材料。更特别地，本文公开的主题涉及在复合材料 中的纤维的排列。
背景技术：
复合材料通常被描述为由带有不同特性的两种或更多的构成材料制成的工程材 料。例如，复合材料可包括基体材料，该基体材料支承并环绕加强材料。在基体材料内的加 强材料的排列可影响总的材料质量，例如强度。不幸的是，加强材料的排列常为非均勻的， 导致了降低的材料质量。
发明内容
在下文概述了在范围上与最初要求权利的发明相称的特定实施例。这些实施例并 非意在限制该要求权利的发明的范围，而是这些实施例仅意在提供本发明的可能形式的简 要概述。实际上，该发明可包括多种形式，其可为类似于或不同于下文阐述的实施例。在第一实施例中，复合材料包括基体材料和布置在基体材料中的多根纤维。多根 纤维以均勻的间隔在基体材料内磁性地排列。在第二实施例中，复合材料包括基体材料和布置在基体材料中的多个加强元件。 多个加强元件的各加强元件包括布置在芯周围的磁性涂层。在第三实施例中，系统包括由复合材料制成的装置，其中复合材料包括基体材料 和布置在基体材料中的多个加强元件。多个加强元件的各加强元件包括布置在芯周围的磁 性涂层。该磁性涂层包括布置在粘合剂材料中的多个磁性颗粒。
本发明的这些和其它特征、方面以及优点在参考所附的图来阅读下文的详细描述 之后将变为更好地理解，贯穿所附的图类似的符号代表类似的部件，其中图1是涡轮机系统的方框图，该涡轮机系统具有多种部件，这些部件由根据本技 术的一个实施例的独特地自排列的复合材料制成；图2是如在图1中所示的涡轮机的部分横截面侧视图，该涡轮机具有多种部件，这 些由根据本技术的一个实施例的独特地自排列的复合材料制成；图3是流程图，其图解了在根据本技术的一个实施例的独特地自排列的复合材料 的基体材料中的加强纤维的磁性排列；图4是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料的一个实施例的示意图，图解了 带有产生自排列磁力的磁体的加强纤维；图5是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料的一个实施例的示意图，图解了 带有被涂层环绕的磁芯的加强纤维；图6是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料一个实施例的示意图，图解了带有被磁性涂层环绕的芯的加强纤维；以及[ool4] 图7是取自图3的线4—4内的自排列的复合材料一个实施例的示意图，图解了带有被磁性涂层和外部涂层环绕的芯的加强纤维。[ool5] 部件清单[ool 6] 10 涡轮机系统[ool 7] 12 涡轮发动机[ool8] 14负荷[ool9] 16空气进口
18压缩机
20燃料喷嘴
22燃烧器
24涡轮
26排气装置
28空气
30压缩空气
32燃料
34箭头
36轴
40转子
42定子
44涡轮机级
46涡轮机叶片
48叶轮
50定子叶片
52壳
54外部壳
56内部衬里
58挂钩
60护罩段
62和64钩
66和68互补的钩
70间隙
160方法
162未排列的复合材料
164随机地间隔的加强纤维
1 66基体材料
168宽间隔
170窄间隔[ooso] (方框172) 复合材料的磁性地排列的纤维
180自排列的复合材料
182均勻地间隔的纤维
184基体材料
186均勻的间隔
188磁体
190自排列磁力
192外部
200磁芯
202涂层
204厚度
206直径
210-I-H 心
212磁性涂料
214厚度
216直径
220-I-H 心
222磁性涂层
224外部涂层
226厚度
228直径
具体实施例方式本发明的一个或更多的特定实施例将在下文描述。为了提供这些实施例的简明描 述，在本说明书中可能不描述实际实施方式的全部特征。应意识到的是，如同在任何工程或 设计项目中一样，在任何此类实际实施方式的开发中必须做出很多实施方式特定的决定来 达到开发者的特定目标，例如遵从系统相关和商业相关的约束，其可从一个实施方式到另 一个实施方式而改变。此外，应意识到的是此类开发的努力可为复杂且耗时的，然而对受益 于此公开那些本领域技术人员来说，仍然将是设计、建造和制造的常规任务。当介绍本发明的不同的实施例的要件时，词语“一”、“一个”、“该”、和“所述”意在 意味着存在一个或更多的要件。用语“包括”、“包含”和“具有”意在为包括性的，并且意味 着可存在不同于列出的要件的另外的要件。在特定实施例中，如在下文中详细论述的，独特地自排列的复合材料包括基体材 料，该基体材料支承并环绕加强材料(例如，多个分布的元件)，其中加强材料在基体材料 内磁性地排列。该加强材料可包括颗粒、纤维或任何其它合适的加强元件。磁力可被内部 地或外部地应用来以期望的排列(例如，均勻的间隔)在基体材料内排列加强材料。例如， 在特定实施例中，加强材料可包括磁性材料来限定磁场，以使得加强材料能够在基体材料 中自排列。该磁性材料可多达加强材料的百分之100。然而，加强材料的实施例可包括少于 大约百分之5、10、15、20、25、30、40或50的磁性材料。加强材料的一个实施例包括被一个 或更多的涂层环绕的磁芯。强化材料的另一实施例包括被包括磁性涂层的一个或更多的涂层环绕的芯。如所意识到的，由此磁性材料产生的磁场使加强材料能够在基体材料内自排 列形成均勻的间隔，由此显著地改善了总的材料质量，例如强度。图1是涡轮机系统10的一个实施例的方框图，其可包括由如下文描述的独特地自 排列的复合材料建造的多种部件。在该图解的实施例中，涡轮机系统10包括联接至负荷 14(例如发电机)的涡轮发动机12。在一个实施例中，涡轮发动机12可为由南卡罗莱纳州 格林维尔的通用电气公司制造的7FA燃气涡轮发动机。涡轮发动机12包括空气进口 16、 压缩机18、一个或多个燃料喷嘴20、燃烧器22、涡轮24和排气装置26。如所意识到的，压 缩机18可包括任何数目的级(例如1至20个级)的在护罩中可旋转的压缩机叶片。同样 地，涡轮24可包括任何数目的级(例如1至20个级)的在护罩中可旋转的涡轮叶片。燃 烧器22也可包括单独的燃烧器或多个燃烧器(例如，2个至10个)。在运行中，涡轮发动机12通过空气进口 16和压缩机18发送空气28，这产生用于 燃烧和冷却流的压缩空气30。在该图解的实施例中，燃料喷嘴20接收压缩空气30和燃料 32的至少一部分，其然后如由箭头34所示被弓I导进入燃烧器22的燃烧区。压缩空气30的 一部分也可出于冷却目的沿着燃烧器22和/或涡轮24流动。在燃烧器22的内部，空气30 和燃料32混合并燃烧来产生热的燃烧产物，其然后流入并通过涡轮24和排气装置26。这 些燃烧气体驱动涡轮叶片在涡轮24内转动，由此驱动轴36来使压缩机18和负荷14旋转。图2是图1的涡轮24的一个实施例的部分横截面视图。在该图解的实施例中，涡 轮24包括被定子42圆周地环绕的转子40，其中涡轮24包括多个轴向地隔开的涡轮级44。 在各级44中，转子40包括以圆周的排列安装在叶轮48周围的多个涡轮叶片46，并且定子 42包括以类似的圆周排列安装在壳52周围的多个定子导叶50。该图解的壳52包括外部 壳54和内部衬里56，其中外部壳54具有支承护罩段60的多个吊钩58。特别地，各吊钩58 包括一对钩62和64，其与相应护罩段60的互补的钩66和68配合。这些护罩段60通常与 各级44中的涡轮叶片46对齐，并且限定间隙70。在运行中，热的燃烧气体流经各级44，由 此驱动在各自的护罩段60内的涡轮叶片46的旋转。在特定实施例中，涡轮24的多种部件 (例如，叶片46、定子叶片50或护罩段60)可用如下文描述的独特地自排列的复合材料来 建造，该复合材料可包括陶瓷基复合(CMC)材料。图3是流程图，其图解了根据本技术的一个实施例的独特地自排列的复合材料的 基体材料的磁性排列的方法160。如所图解，方法160包括未排列的复合材料162，该复合 材料162具有布置在基体材料166中的多个随机地隔开的加强纤维164。如所意识到的，纤 维164的随机间隔降低了复合材料162的质量。例如，纤维164的随机间隔导致了带有过 宽间隔168和过窄间隔170的间隔，由此引起了在复合材料162的强度上的不均勻性。过 宽间隔168可代表了薄弱区，其中可发生失效。过窄间隔170可包括直接彼此邻接的纤维 164，从而进一步使复合材料162的质量降级。如在图3的方框172中所图解，方法160磁性地排列复合材料的纤维来解决与复 合材料162的纤维164的随机间隔相关的问题。尽管本论述涉及纤维164，但加强材料的任 何适当的形状或形式均可遍及基体材料184而分布。在该图解的实施例中，方法160的方 框172产生了自排列的复合材料180，该复合材料180具有布置在基体材料184中的均勻地 隔开的纤维182。在特定实施例中，方法160可通过内部或外部的磁场来引起纤维182的磁 性排列。例如，如在下文中详细论述的，纤维182的特定实施例可包括磁性材料，该磁性材料构造为使纤维182能够产生自排列磁力。因此，纤维182被磁性地自排列成在基体材料 184内的均勻的间隔186，而不允许过宽间隔168和/或过窄间隔170。纤维182的均勻的 间隔186显著地改进了材料特性中的均勻性，以及因此改进了自排列的复合材料180的强度。图4是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料180的一个实施例的示意图，图 解了带有产生自排列磁力190的磁体188的加强纤维182。在该图解的实施例中，各加强纤 维182基本上或完全由磁性材料制成，以形成磁体188。换言之，各磁体188可代表贯穿其 内部的磁性的单一材料成分。例如，磁体188可由铁、镍、钴或它们的混合物制成。更具体 地，磁体188可由具有高导磁率和低矫顽性的软磁性材料制成，例如超透磁合金。超透磁合 金可为镍、钼和铁的合金，例如，在百分比上大约百分之80的镍，百分之5的钼，和百分之14 的铁(Ni8OFE14Mo5)。基体材料184可包括多种无磁性的金属、陶瓷、塑料、木、混凝土等等。 例如，基体材料184可由硅制成。如所意识到的，磁体188可具有多种形状和尺寸。例如，磁体188可为磁性材料的 短纤维。然而，磁体188不局限于纤维的形状，而是磁体188可包括多种形状，例如球形、椭 圆形、矩形等等。磁体188的尺寸也可改变。例如，磁体188在厚度上可在大约1纳米至1 毫米，或1纳米至500纳米，或1纳米至100纳米之间的范围内。如所图解的，自排列磁力190在各纤维182的磁体188的周围完全地延伸。在特 定实施例中，自排列磁力190在各纤维182的外部192周围是均勻的，同时从一根纤维182 到另一根也是均勻的。这些自排列磁力190的均勻性使纤维182能够在基体材料184的内 部彼此自排列。换言之，自排列磁力190使纤维182偏移成均勻的间隔186，例如，在制造期 间和/或之后。自排列磁力190可被描述为没有任何外部的协助(例如，间隔物)而提供主动的 排列和对不对准的抵抗。例如，自排列磁力190可在制造期间主动地将纤维182排列成均 勻的间隔186，同时抵抗或阻滞在制造之后纤维182的不对准。自排列磁力190实质上为纤 维182之间相反的磁场。这些相反的磁场使纤维182的位置稳定以抵抗纤维移位或纤维接 触，而不管干扰力如何。如果发生任何移位，则磁力190自动地朝着均勻的间隔186将纤维 182偏移回去。以这种方式，磁力190也可被描述为自修正的。因此，由于纤维182的均勻 的间隔186显著地增加了强度，自排列磁力190起到提高复合材料184的质量的作用。图5是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料的一个实施例的示意图，图解了 带有被涂层202环绕的磁芯200的加强纤维182。例如，磁芯200可由铁、镍、钴或它们的混 合物制成。更具体地，磁芯200可由具有高导磁率和低矫顽性的软磁性材料制成，例如超透 磁合金。超透磁合金可为镍、钼和铁的合金，例如，在百分比上大约百分之80的镍，百分之 5的钼，和百分之14的铁(Ni8tlFE14Mo5)。涂层202可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷或任何 其它适当的材料制成。更具体地，涂层202可为保护性涂层，例如聚合物涂层、锌涂层或其 组合。在特定实施例中，涂层202可具有小于磁芯200的直径206的大约百分之5、10、15、 20、30、40或50的厚度204。例如，涂层202的厚度204可在磁芯200的直径206的大约百 分之1至百分之5之间的范围内。涂层202的一个示范性实施例可为在厚度204上为大约 1纳米至500纳米、1纳米至300纳米或1纳米至100纳米的纳米涂层。自排列的复合材料180可由多种技术形成。例如，制备方法可从加强纤维182的
7制备开始，接着是在基体材料184中的纤维182的分布。在特定实施例中，制备方法可包括 通过沉淀期望的涂层材料(例如，聚合物)到各纤维182的磁芯200上来形成涂层202。例 如，制备方法可包括通过在溶剂中溶解期望的涂层材料来形成涂层溶液。制备方法然后可 继续进行以将大量的磁芯200与涂层溶液混合。制备方法然后可增加不可溶解的物质到溶 液中来引发在大量的磁芯200上沉淀期望的涂层材料，从而形成纤维182 (例如，已涂层的 磁芯)。制备方法然后可将纤维182与涂层溶液分离，并干燥纤维182。最后，制备方法可 在磁场的影响下在模具中使纤维182与基体材料184结合。然而，如所意识到，公开的实施 例可采用任何适当的技术来制备自排列的复合材料180。再一次地，类似于图4的实施例，磁芯200提供完全地包围相应的纤维182的自排 列磁力190。在特定实施例中，自排列磁力190在各纤维182周围是均勻的，同时从一根纤 维182到另一根也是均勻的。这些自排列磁力190的均勻性使纤维182能够在基体材料 184的内部彼此自排列。换言之，自排列磁力190将纤维182偏移成均勻的间隔186，例如 在制造期间和/或之后。图6是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料180 —个实施例的示意图，图解了 带有被磁性涂层202环绕的芯210的加强纤维182。例如，磁性涂层212可由铁、镍、钴或它 们的混合物制成。更具体地，磁性涂层212可由Fe2O3、氧化铬、氧化铕、镍锌铁氧体、锰锌铁 氧体、钇铁石榴石或其组合制成。芯210可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷或任何其它适当 的材料制成。更具体地，芯210可为天然纤维或合成纤维。例如，芯210可包括天然纤维， 例如植物纤维、木纤维、动物纤维、矿物纤维、硅纤维或其组合。依据进一步的实例，芯210 可包括合成纤维，例如纤维素纤维、矿物纤维(例如玻璃纤维、金属纤维或碳纤维)、聚合物 纤维(例如尼龙、聚酯、聚氯乙烯纤维、聚烯烃纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维、聚氨酯纤维或 弹性体纤维)、硅纤维或其组合。在特定实施例中，磁性涂层202可具有小于芯210的直径216的大约百分之5、10、 15或20的厚度214。例如，芯210的一个示范性实施例在直径216上可为大约2毫米至10 毫米、4毫米至8毫米或6毫米。依据进一步的示例，磁性涂层212的厚度214可为芯210 的直径216的大约百分之1至百分之20、百分之1至百分之10或百分之1至百分之5之间 的范围内。涂层212的一个示范性实施例可为在厚度214上大约1纳米至500纳米、1纳米 至300纳米或1纳米至100纳米的纳米涂层。自排列的复合材料180可由多种技术形成。例如，制备方法可从加强纤维182的 制备开始，其后是纤维182在基体材料184中的分布。在特定实施例中，制备方法可包括通 过沉淀磁性涂层材料(例如，铁、镍或钴)到各纤维182的芯210之上来形成磁性涂层212。 例如，制备方法可包括通过将粘合剂材料溶入溶剂来形成涂层溶液，并且将磁性粉末和涂 层溶液混合。粘合剂材料可包括有机聚合物、硅或其任何组合。在特定实施例中，磁性粉 末可具有大约1纳米至500纳米、1纳米至300纳米或1纳米至100纳米的粉末颗粒厚度。 制备方法然后可继续进行来将大量的芯200与涂层溶液混合。制备方法然后沉淀磁性涂层 212 (包括磁性粉末)到各磁芯200之上，从而形成纤维182 (例如，已涂层的磁芯)。制备 方法然后可将纤维182与涂层溶液分离，并干燥纤维182。最后，制备方法可在磁场的影响 下在模具内将纤维182与基体材料结合。然而，如所意识到的，公开的实施例可采用任何合 适的技术来制备自排列的复合材料180。
再一次地，类似于图4的实施例，磁性涂层212提供完全地环绕相应的纤维182的 自排列磁力190。在特定实施例中，自排列磁力190在各纤维182周围是均勻的，同时从一 根纤维182到另一根也是均勻的。这些自排列磁力190的均勻性使纤维182能够在基体材 料184的内部彼此自排列。换言之，自排列磁力190将纤维182偏移成均勻的间隔186，例 如在制造期间和/或之后。图7是取自图3的线4-4内的自排列的复合材料180的一个实施例的示意图，图解 了带有被磁性涂层222和外部涂层224环绕的芯220的加强纤维182。例如，磁性涂层222 可由铁、镍、钴或它们的混合物制成。更具体地，磁性涂层222可由Fe2O3、氧化铬、氧化铕、镍 锌铁氧体、锰锌铁氧体、钇铁石榴石或其组合制成。芯220可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷 或任何其它适当的材料制成。更具体地，芯220可为如在上文参考图6所描述的天然纤维 或合成纤维。外部涂层224可由不同的磁性材料、塑料、陶瓷或任何其它适当的材料制成。 更具体地，外部涂层224可为保护性涂层，例如聚合物涂层、锌涂层、硅涂层或其组合。在特定实施例中，磁性涂层222可具有小于芯220的直径228的大约百分之5、10、 15或20的厚度226。例如，磁性涂层222的厚度226可在芯220的直径228的大约百分之 1至百分之5之间的范围内。涂层222的一个示范性实施例可为在厚度226上大约1纳米 至500纳米、1纳米至300纳米或1纳米至100纳米的纳米涂层。同样地，外部涂层224可 具有小于芯220的直径228的大约百分之5、10、15或20的厚度230。例如，外部涂层224 的厚度230可在芯220的直径228的大约百分之1至百分之5之间的范围内。外部涂层 224的一个示范性实施例可为在厚度230上大约1纳米至500纳米、1纳米至300纳米或1 纳米至100纳米的纳米涂层。再一次地，类似于图4的实施例，磁性涂层222提供完全地环绕相应的纤维182的 自排列磁力190。在特定实施例中，自排列磁力190在各纤维182周围是均勻的，同时从一 根纤维182到另一根也是均勻的。这些自排列磁力190的均勻性使纤维182能够在基体材 料184的内部彼此自排列。换言之，自排列磁力190将纤维182偏移成均勻的间隔186，例 如在制造期间和/或之后。此书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且也使得任何本领域中的 技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法。本 发明可授予专利权的范围由权利要求限定，并可包括由那些本领域中的技术人员想到的其 它示例。如果此类其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构性要件，或如果它们 包含与权利要求的字面语言没有实质性区别的等价结构性要件，则此类其它示例意在属于 权利要求的范围内。
9
权利要求
1.一种复合材料(180)，包括:基体材料(184)；以及多根纤维(182)，其布置在所述基体材料(184)中，其中，所述多根纤维(182)以大体上 均勻的间隔(186)在所述基体材料(184)内磁性地排列。
2.根据权利要求1所述的复合材料(180)，其特征在于，所述多根纤维(182)的各纤维 (182)包括布置在芯(210,220)周围的磁性涂层(212，222)。
3.根据权利要求2所述的复合材料(180)，其特征在于，所述磁性涂层(212，222)具有 大约1纳米至500纳米的厚度。
4.根据权利要求2所述的复合材料(180)，其特征在于，所述磁性涂层(212，222)包括 磁性粉末和粘合剂材料。
5.根据权利要求4所述的复合材料(180)，其特征在于，所述磁性粉末包括大约1纳米 至500纳米的粉末颗粒厚度。
6.根据权利要求2所述的复合材料(180)，其特征在于，各纤维(182)为天然纤维或合 成纤维，且各芯为由铁、镍、钴或其混合物制成。
7.根据权利要求2所述的复合材料(180)，其特征在于，所述多根纤维(182)的各纤维 (182)包括布置在所述磁性涂层(222)周围的涂层(224)。
8.根据权利要求7所述的复合材料(180)，其特征在于，所述涂层(224)包括聚合物涂 层、锌涂层、硅涂层或其组合。
9.根据权利要求1所述的复合材料(180)，其特征在于，所述多根纤维(182)的各纤维 (182)包括布置在磁芯(200)周围的涂层(202)。
10.一种复合材料(180)，包括基体材料(184)；以及多个加强元件(182)，其布置在所述基体材料(184)中，其中，所述多个加强元件的各 加强元件(182)包括布置在芯(210，220)周围的磁性涂层(212，222)。
全文摘要
本发明涉及带有纤维排列的复合材料，具体而言，可为一种复合材料(180)提供独特的排列特性。该复合材料(180)可包括基体材料(184)和布置在该基体材料(184)中的多根纤维(182)，其中多根纤维(182)以均匀的间隔(186)在基体材料(184)内磁性地排列。
文档编号C04B35/71GK102001861SQ20101028716
公开日2011年4月6日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月2日
发明者H·C·罗伯茨 申请人:通用电气公司