降低复合结构的孔隙度的方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明的名称是降低复合结构的孔隙度的方法和系统。在本发明的实施方式中，提供了降低复合结构的孔隙度的方法。所述方法将添加剂加入树脂材料中形成添加剂-树脂混合物。所述方法将所述添加剂-树脂混合物与增强纤维结合以形成复合预浸材料，并且又形成复合结构。所述方法在真空设备下在加热装置中以树脂固化温度热固化复合结构，将复合结构加热到高于添加剂相变温度的提高温度，并维持所述提高温度足够的时间期间。所述方法降低所述提高温度回到树脂固化温度以允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致真空压力的显著降低，导致复合结构的孔隙度降低。
【专利说明】降低复合结构的孔隙度的方法和系统
【技术领域】
[0001]本公开一般地涉及复合结构，更具体地涉及降低复合结构如飞行器复合材料部件中的孔隙度的方法和系统。
【背景技术】
[0002]复合材料，比如碳纤维增强聚合物(CFRP)材料，由于其高强度和刚度、低重量、耐腐蚀以及其他有利性能，用于制造各种各样的结构和组成部件。具体地，在飞行器的制造中，使用越来越多量的CFRP复合结构和组成部件形成机身、机翼、机尾部分、蒙皮板、以及飞行器的其他组成部分。
[0003]在CFRP复合结构的制造过程中，由于制造过程或工程设计的问题，可能在复合材料中产生不期望的空隙或者空区域。比如，在CFRP复合结构的固化周期之前，这些空隙可能由铺层操作期间夹带的空气产生。另外，比如，在CFRP复合结构的固化周期期间，这些空隙可能由夹带的空气和/或挥发物质如吸收的水分和气态反应产物的膨胀产生。
[0004]孔隙度是材料中空隙量的一种量度，比如百分比，并且是空隙体积占总体积的分数。空隙减少和低孔隙度水平或者低空隙量例如少于2%-5%是期望的，以获得良好的机械性能如剪切强度以及保证复合结构的性能。
[0005]另外，在大型复合材料部件的制造期间，这种大型复合材料部件通常可在真空压力下进行许多小时例如12-24个小时或者更长的固化前真空保持，以便移除或充分移除可能在复合材料的层之间夹带的空气。这种固化前真空保持可给总制造过程增加大量时间，因此增加了制造大型复合材料部件的总成本。
[0006]因此，本领域需要降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统，其提供了优于已知方法和系统的优势。
【发明内容】
[0007]满足了该降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统的需求。如以下【具体实施方式】中讨论的，降低复合结构的孔隙度的改进方法和系统的实施方式可提供优于已知方法和系统的优势。
[0008]在本公开的实施方式中，提供了降低复合结构的孔隙度的方法。所述方法包括将添加剂加入到树脂材料中形成添加剂-树脂混合物。所述添加剂包括相变材料,其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度。所述方法进一步包括将添加剂-树脂混合物与大量增强纤维结合，形成复合预浸材料。所述方法进一步包括将复合预浸材料形成复合结构。所述方法进一步包括在真空设备下的加热装置中以有效的真空压力在足以降低树脂材料的粘度的树脂固化温度下热固化复合结构有效的时间期间。所述方法进一步包括加热复合结构至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度的提高温度，并维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生相变并形成添加剂气体，添加剂气体基本将一种或多种气体置换出复合结构。所述方法进一步包括降低所述提高温度回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致复合结构中的真空压力显著降低，并导致复合结构的孔隙度降低。所述方法进一步包括冷却复合结构。
[0009]在本公开的另一个实施方式中，提供了降低飞行器复合材料部件的孔隙度的方法。所述方法包括将添加剂加入到树脂材料中形成添加剂-树脂混合物。所述添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度。所述方法进一步包括将添加剂-树脂混合物与大量的增强碳纤维结合以形成复合预浸材料。所述方法进一步包括通过形成方法铺层复合预浸材料，所述形成方法包括手动铺层或自动铺层。所述方法进一步包括在真空压力下将飞行器复合材料部件包围在真空袋下。所述方法进一步包括在加热装置中以有效的真空压力和有效的时间期间热固化包围在真空袋下的飞行器复合材料部件至足以降低树脂材料粘度的树脂固化温度，所述加热装置包括高压釜或者烘箱。所述方法进一步包括维持所述树脂固化温度有效的树脂固化时间期间。所述方法进一步包括加热飞行器复合材料部件至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度约5华氏度至约20华氏度范围内的提高温度。所述方法进一步包括维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生液气相变并形成添加剂气体，添加剂气体基本将一种或多种气体置换出飞行器复合材料部件。所述方法进一步包括将所述提高温度降低回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致飞行器复合材料部件的真空压力显著降低，并导致飞行器复合材料部件的孔隙度降低，范围约80%至约99%的孔隙度降低。所述方法进一步包括冷却所述飞行器复合材料部件。所述方法进一步包括将冷却的飞行器复合材料部件移出高压釜。
[0010]在本公开的另一个实施方式中，提供了降低复合结构的孔隙度的系统。所述系统包括复合预浸材料。所述复合预浸材料包括由添加剂-树脂混合物预浸的大量增强纤维。添加剂-树脂混合物中的添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度。所述系统进一步包括形成装置，其包括铺层机，适于将复合预浸材料铺层为复合结构。所述系统进一步包括真空设备，其包括真空袋。所述真空设备适于在有效的真空压力下在真空下包围复合结构。所述系统进一步包括加热装置，其包括高压釜和烘箱。所述加热装置适于热固化被真空设备包围的复合结构至有效的树脂固化温度并且维持树脂固化温度足以降低树脂材料粘度的有效的时间期间。所述加热装置进一步适于加热复合材料至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度的提高温度，并维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生液气相变并形成添加`剂气体，添加剂气体基本将一种或多种气体置换出复合结构。所述加热装置进一步适于降低所述提高温度回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致复合结构中的真空压力显著降低，并导致复合结构的孔隙度降低。
[0011]依照本公开的一个方面，提供了降低复合结构的孔隙度的方法，所述方法包括将添加剂加入到树脂材料中形成添加剂-树脂混合物,所述添加剂包括相变材料,其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度，将所述添加剂-树脂混合物与大量的增强纤维结合以形成复合预浸材料，将所述复合预浸材料形成为复合结构，在真空设备下在加热装置中以有效的真空压力在足以降低树脂材料粘度的树脂固化温度下热固化所述复合结构有效的时间期间，加热复合结构至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度的提高温度，并维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生相变并形成添加剂气体，添加剂气体基本将一种或多种气体置换出复合结构，降低所述提高温度回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致复合结构中的真空压力显著降低，并导致复合结构的孔隙度降低，以及冷却复合结构。
[0012]有利地，将添加剂加入到树脂材料中进一步包括加入选自以下的添加剂:烷烃，其具有9个或更多碳原子，在一个大气压下沸点为约250 T (华氏度)到约950 °F范围内的温度；在一个大气压下沸点为约392 T到约500 °F范围内的温度的苯基丙烯类；在一个大气压下沸点为约422 T到约980 T范围内的温度的多环芳烃；以及三酰甘油酯。有利地，将添加剂加入到树脂材料中进一步包括以基于添加剂-树脂混合物的总体积为0.01体积百分比到约1.5体积百分比的量加入添加剂。还有利地，将添加剂加入到树脂材料中进一步包括加入添加剂至选自以下的树脂材料:环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂以及它们的组合。
[0013]有利地，将复合预浸材料形成为复合结构进一步包括通过形成方法铺层复合预浸材料，所述形成方法包括手动铺层或者使用铺层机自动铺层。
[0014]有利地，热固化复合结构进一步包括在加热装置中热固化所述复合结构，加热装置包括高压釜或者烘箱。还有利地，热固化复合结构进一步包括在真空设备下热固化所述复合结构，真空设备包括密封的柔性真空袋。
[0015]有利地，加热复合结构至提高温度进一步包括将所述复合结构加热至高于树脂固化温度并高于添加剂相变温度约5华氏度到约20华氏度的范围内的提高温度。还有利地，加热复合结构至高于添加剂相变温度的提高温度进一步包括维持所述提高温度约I分钟到15分钟范围内的时间期间。有利地，加热复合结构至高于添加剂相变温度的提高温度进一步包括形成基本置换一种或多种气体的添加剂气体，所述一种或多种气体包括夹带的空气以及挥发物质，包括吸收的水分、溶解的水以及树脂排出气体。
[0016]有利地，将所述提高温度降低回到树脂固化温度导致复合结构的孔隙度降低百分比在约80%到约99%孔隙度降低的范围。
[0017]根据本公开的又一个方面，提供了`降低飞行器复合材料部件的孔隙度的方法，所述方法包括将添加剂加入到树脂材料中形成添加剂-树脂混合物，所述添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度，将添加剂-树脂混合物与大量增强碳纤维结合以形成复合预浸材料，通过形成方法铺层复合预浸材料，所述形成方法包括手动铺层或自动铺层，在真空压力下将飞行器复合材料部件包围在真空袋下，在加热装置中以有效的真空压力热固化所述被真空袋包围的飞行器复合材料部件有效的时间期间至足以降低树脂材料粘度的树脂固化温度，加热装置包括高压釜或烘箱，维持树脂固化温度有效的树脂固化时间期间，加热飞行器复合材料部件至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度约5华氏度到20华氏度的范围内的提高温度，维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生液气相变并形成添加剂气体，其基本将一种或多种气体置换出飞行器复合材料部件，降低所述提高温度回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体经历相变至凝聚相，导致飞行器复合材料部件中的真空压力显著降低，并且导致飞行器复合材料部件的孔隙度降低在约80%到约99%孔隙度降低的范围，冷却飞行器复合材料部件；以及将冷却飞行器复合材料部件移出高压釜。
[0018]有利地，将添加剂加入到树脂材料中进一步包括加入选自以下的添加剂:烷烃，其具有9个或更多碳原子，在一个大气压下沸点为约250 T (华氏度)到约950 °F范围内的温度；在一个大气压下沸点为约392 T到约500 °F范围内的温度的苯基丙烯类；和在一个大气压下沸点为约422 T到约980 T范围内的温度的多环芳烃；以及三酰甘油酯。还有利地，将添加剂加入到树脂材料中进一步包括加入添加剂至选自以下的树脂材料:环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂以及它们的组合。
[0019]根据本公开的又一个方面，提供了降低复合结构的孔隙度的系统，所述系统包括复合预浸材料，其包括由添加剂-树脂混合物预浸的大量增强纤维，所述添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度；适于将复合预浸材料铺层为复合结构的形成装置，其包括铺层机；真空设备，其包括真空袋，所述真空设备适于以有效的真空压力将复合结构包围在真空下；以及，加热装置，其包括高压釜和烘箱，所述加热装置适于热固化被真空设备包围的复合结构至有效的树脂固化温度并维持所述树脂固化温度足以降低树脂材料粘度的有效的时间期间，所述加热装置进一步适于加热复合结构至高于添加剂相变温度并高于树脂固化温度的提高温度，并维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生液气相变并形成添加剂气体，其基本将一种或多种气体置换出复合结构，所述加热装置进一步适于降低所述提高温度回到树脂固化温度，从而允许添加剂气体 经历相变至凝聚相，导致复合结构中的真空压力显著降低，并导致复合结构的孔隙度降低。
[0020]有利地，将添加剂加入到树脂材料中进一步包括加入选自以下的添加剂:烧烃，其具有9个或更多碳原子，在一个大气压下沸点为约250 T (华氏度)到约950 °F范围内的温度；在一个大气压下沸点为约392 T到约500 °F范围内的温度的苯基丙烯类；和在一个大气压下沸点为约422 T到约980 °F范围内的温度的多环芳烃；以及三酰甘油酯。
[0021]有利地，所述树脂材料进一步选自环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂以及它们的组合。
[0022]有利地，所述提高温度在高于添加剂相变温度和高于树脂固化温度约5华氏度到约20华氏度的范围内。
[0023]有利地，复合结构的孔隙度降低在约80%到约99%孔隙度降低的范围内。
[0024]有利地，添加剂的量基于添加剂-树脂混合物的总体积为0.01体积百分比到约
1.5体积百分比。
[0025]已讨论的特征、功能和优点可以在本公开的各种实施方式中独立地实现，或者可以在其它实施方式中结合，其进一步的细节参考以下的描述和附图可以理解。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]结合附图参考以下更详细的描述可以更好地理解本公开，所述附图图解了优选实施方式和示范性实施方式，但不一定依比例绘成，其中:
[0027]图1是本公开方法的一种实施方式的流程图图解；
[0028]图2A是本公开系统的一个实施方式的框图图解，示出固化前周期形式中的系统部分；
[0029]图2B是本公开系统的一个实施方式的框图图解，示出固化周期形式中的系统部分；和
[0030]图2C是本公开系统的一个实施方式的框图图解，示出固化后周期形式中的系统部分；和[0031]图3是示范性飞行器的透视图图解，其可结合由本公开方法的一个实施方式制成的复合结构。
【具体实施方式】
[0032]现在下文参考附图对本公开的实施方式进行更全面描述，其中示出部分而不是全部的公开实施方式。事实上，可提供数个不同的实施方式，并且不应该被解释为限于本文所阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式以使本公开将会是彻底的和全面的，并将向本领域技术人员充分地传达本公开的范围。 [0033]现在参照图示，图1是降低复合结构26 (见图2A)的孔隙度134 (见图2B)的方法30的示范性实施方式的流程图图解。图2A是本公开系统50的一个实施方式的框图图解，示出固化前周期52形式中的系统部分50a。图2B是本公开系统50的一个实施方式的框图图解，示出固化周期84形式中的系统部分50b。图2C是本公开系统50的一个实施方式的框图图解，示出固化后周期140形式中的系统部分50c。
[0034]如图1和图2A所示，方法30包括将添加剂54 (见图2A)加入到树脂材料56 (见图2A)中形成添加剂-树脂混合物58 (见图2A)的步骤32。如图2A所示，系统50包括固化前周期52形式中的系统部分50a。进一步如图2A所示，固化前周期52包括添加剂-树脂混合物制备部分53，其中所述添加剂-树脂混合物58由将添加剂54与树脂材料56混合在一起制备。进一步如图2A所示，添加剂54包括具有添加剂相变温度64的相变材料60。对于方法30和系统50，添加剂相变温度64高于树脂材料56的树脂固化温度66。
[0035]为了本申请的目的，其中“添加剂相变温度”意思是添加剂从一种物相或物态转变成另一种物相或物态的温度，比如，添加剂从液体转变为气体、从气体转变为液体、从固体转变为气体或者从气体转变为固体的温度。优选地，添加剂54包括可逆的并且在方法30和系统50的固化周期84期间发生添加剂液气相变62 (见图2B)和添加剂气液相变126 (见图2B)的相变材料60。
[0036]方法30中将添加剂54 (见图2A)加入到树脂材料56 (见图2A)中的步骤32进一步包括加入包括以下一种或多种的添加剂54:烷烃，其具有9个或更多碳原子，在I ( 一)个大气压下其沸点(bp)在约250 0F -950 0F (华氏度)/394K_783K (开尔文)/121 °C -510°C(摄氏度)的范围内的温度，更优选地在约303 0F -914 0F /424K-763K/151 V -490 V的范围内的温度；苯基丙烯类，在I ( 一)大气压下其沸点(bp)在约392 °F-500°F/473K-533K/200°C-260°C的范围内的温度；多环芳烃，在1(一)大气压下其沸点(bp)在约422 0F -980 0F /490K - 800K/217°C _527°C的范围内的温度；同时具有烯基和烷基的甘油三酯，如三酰甘油脂(三(3)个脂肪酸连接到甘油基上)，其是一种甘油脂，例如，4-甲酰基-3-(2-氧代乙基)己-4-烯酸(E)-4-羟基苯乙基酯(橄榄油)，其在1( 一)大气压下的沸点(bp)为约355 0F /452K/179°C ;或者其他合适的添加剂。
[0037]降低压力降低沸点，并且方法30和系统50优选在低于0.2个大气压的压力和接近355 T /453K/180°C的温度下操作。所述沸点指的是液体的蒸汽压与液体周围的压力相同并且液体转变成蒸汽的温度。真空中的液体沸点低于大气压下的液体沸点。高压下的液体具有比该液体处于大气压下时更高的沸点。液体的沸点取决于周围环境压力改变。对于给定的压力，不同的液体可以在不同温度下沸腾。[0038]具有9个或者更多碳原子的优选烷烃可包括:壬烷(C9H2tl)、癸烷、十一烷、十二烧、十二烧、十四烧、十五烧、十TK烧、十七烧、十八烧、十九烧、二十烧、二十一烧、二十二烧、二十三烷、二十四烷、二十五烷、二十六烷、二十七烷、二十八烷、二十九烷、三十烷、三十一烷、三十二烷、三十三烷、三十四烷、三十五烷、三十六烷、三十七烷、三十八烷、三十九烷、四十烷、四十一烷和四十二烷(c42h86)。如，十四烷在一(I)个大气压下的沸点在约482 0F /523K/250°C的温度，而在0.013个大气压下的沸点在约2510F /395K/122°C的温度。因此，十四烷的优选沸点在约0.013个大气压到约I个大气压的大气压力范围内的温度。
[0039]优选的苯基丙烯类可包括在一(I)个大气压下沸点在约491 0F /528K/255°C的温度的丁香油酚；在一(I)个大气压下沸点在约460 T /511Κ/238?的温度的对烯丙基苯酚；在一(I)个大气压下沸点在约451 0F /506K/233°C的温度的黄樟素；以及在一(I)个大气压下沸点在约421 T /489Κ/216?的温度的蒿脑。更优选的苯基丙烯类是丁香油酚。
[0040]如上面讨论的多环芳烃在一(I)个大气压下的沸点在约422 0F -980 0F /490K-800K/217°C -527°C的温度范围内。因此，优选多环芳烃的沸点在
0.2个大气压下可以在此温度范围内。一些优选多环芳烃可包括在一(I)个大气压下在702 0F /605K/372°C升华的并五苯；在一(I)个大气压下沸点为820 0F /711K/438°C的三亚苯；以及在一(I)个大气压下沸点为630 0F /605K/332°C的菲。一些多环芳烃在室温下可以是固体，这可能影响处理。优选的多环芳烃是官能的，而不被设计来并入在可能暴露任何活生物于可能伤害的复合结构中。
[0041]优选地，本文公开的方法30和系统50中所使用的添加剂以基于添加剂-树脂混合物的总体积约0.01体积百分比到约1.5体积百分比的量添加。更优选地，添加剂以基于添加剂-树脂混合物的总体积约1.0体积百分比的量添加。
[0042]方法30中将添加剂54 (见图2A)加入到树脂材料56 (见图2A)中的步骤32进一步包括加入添加剂54到包括下述的一种或多种的树脂材料56中:环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂如双马来酰亚胺树脂或其他合适的聚酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、它们的组合或其它合适的树脂材料。优选地，`树脂材料56是热固性材料。优选地，树脂材料56的树脂固化温度在约212 0F -950 0F /373K-783K/100°C -510°C范围内的温度。更优选地，树脂材料的树脂固化温度在约248 0F -410 0F /393K_483K/120°C _210°C的温度范围内。最有利地，树脂材料的树脂固化温度在约248 0F -356 0F /393K-453K/120°C _180°C的范围内温度。
[0043]如图1所示，方法30进一步包括将添加剂-树脂混合物58 (见图2A)与大量增强纤维68 (见图2A)结合以形成复合预浸材料70 (见图2A)的步骤34。如图2A所示，固化前周期52进一步包括复合预浸材料制备部分59，其中所述复合预浸材料70通过将添加剂-树脂混合物58与大量增强纤维68结合制备。优选地，使用本领域已知的制备预浸材料的设备和方法，使大量的增强纤维68预浸未固化的添加剂-树脂混合物58。增强纤维68可优选地包括碳纤维、碳基纤维如石墨纤维、芳族聚酰胺纤维、纤维玻璃纤维、玻璃纤维、芳绝纤维(KEVLAR 是特拉华州威尔明顿 E.1.Du Pont De Nemous and Company Corporation的注册商标)、它们的组合、或其它合适的碳纤维或非碳纤维。复合预浸材料70可包括单向(排列的)或织物(纺织的)形式的增强纤维68，其用添加剂-树脂混合物58或基体浸溃至期望量。优选地，复合预浸材料70为层压件82 (见图2A)的形式，如层压板。然而，复合预浸材料70也可为带形式或其他合适的形式。添加剂-树脂混合物58或基体优选地将增强纤维68之间的应力转移并因此保护增强纤维68免受机械和/或环境应力。
[0044]如图1所示，方法30进一步包括将复合预浸材料70(见图2A)形成为复合结构26(见图2A)的步骤36。如图2A所示，固化前周期52进一步包括复合结构形成部分71，其中复合结构26通过形成72复合预浸材料70而形成或制备。形成72可包括使用形成装置74(见图2A)，如以铺层机76 (见图2A)的形式，形成或成形复合预浸材料70。比如，本【技术领域】已知的自动铺带机可被使用缩短组装时间。形成72可包括采用形成方法78 (见图2A)，如手动铺层方法80 (见图2A)的形式，或使用铺层机76的自动铺层方法，形成或成形未固化的复合预浸材料70。通过机器或者手工铺层的方法包括将未固化的复合预浸材料70，如层压板形式，放置在可由脱模剂或膜(未示出)处理的成形模具或工具(未示出)的表面上。多层的复合预浸材料70可相互施加，直到获得期望厚度和获得增强纤维的期望定位，以实现最大强度和效率。 [0045]与多种已知的复合材料制作方法不同，将复合预浸材料70形成为复合结构26之后，复合结构26优选不要求在真空压力下的固化前真空保持，而且具体地，对于大型复合结构26，如大型飞行器复合材料部件28或者其他合适的复合结构，不要求真空压力下的固化前真空保持。因此，本公开的方法30优选地避免了在固化前真空保持下用于保持复合结构26的额外12-14小时或者更长时间。这又可以降低制造复合结构26的总体时间和成本。
[0046]如图1和2B所示，方法30进一步包括在真空设备96 (见图2B)下在加热装置88(见图2B)中以有效的真空压力94 (见图2B)在足以降低树脂材料56 (见图2A)的粘度的树脂固化温度66 (见图2A)下热固化86 (见图2B)复合结构26有效的时间期间的步骤38。如图2B所示，系统50包括固化周期84形式中的系统部分50b。所述固化周期84包括复合结构26的热固化86。
[0047]进一步如图2B所示，热固化84包括使用加热装置88，优选高压釜90或烘箱92的形式。进一步如图2B所示，热固化84包括真空设备96，优选真空袋98的形式，并具有有效的真空压力94。优选地，复合结构26被真空袋98包围或覆盖，所述真空袋98通常是密封柔性真空袋，并且向真空袋98施加真空。将复合结构26包围在真空袋98下的方法在本领域中已知为“真空装袋”。然后向真空袋98施加高温和真空压力，同时保持真空以便固化复合结构26。优选地，高压釜90 (见图2B)或烘箱92 (见图2B)，如对流烘箱，可用于施加生产复合结构26所需要的温度和压力。被真空袋98包围或覆盖的复合结构26可放置在高压釜90或烘箱92内。热固化86在高压釜90或烘箱92内进行，因此不但获得高压釜90或烘箱92内的真空压力94，还获得高压釜90或烘箱92内的外部压力。真空压力和外部压力将构成复合结构26的复合预浸材料70的层挤压或合并在一起。
[0048]进一步如图2B所示，固化周期84包括第一加热步骤100。所述第一加热步骤100包括加热102复合结构26至树脂固化温度66。使用的树脂固化温度66取决于使用何种树脂材料56。可将温度例如从室温或环境温度或者较低温度升高或上升至期望的树脂固化温度66，升温速率为每分钟约I T到约10 T (华氏度)范围。取决于将获得的树脂固化温度66，这种温度升高或上升优选地可进行约三十(30)分钟到约九十(90)分钟范围内的时间期间，或者更长。
[0049]一旦加热复合结构26至树脂固化温度66，第一加热步骤100进一步包括维持104或者保持所述树脂固化温度66有效的时间期间。所述有效的时间期间可优选在约二(2)个小时到约四(4)个小时的范围内，以便复合结构26的最冷位置可加热到树脂固化温度66，因为复合结构26可能有比较冷的位置升温更快的较暖的位置。对于较大复合结构26，树脂固化温度66可需要维持或保持多于四(4)个小时，这取决于复合结构26上较暖位置与复合结构26上最冷位置之间的温度差。
[0050]在固化周期84期间维持104或保持树脂固化温度66的期间，当树脂材料56具有在接近最低树脂粘度108的降低树脂粘度106 (见图2B)以致树脂材料56还没有被胶凝化时，固化周期84包括第二加热步骤110。如图1和图2B所示，方法30进一步包括步骤40:将复合结构26加热至高于树脂固化温度66的添加剂相变温度64足够的时间期间以使添加剂54发生相变，如添加剂液气相变62，并形成添加剂气体116 (见图2B)，其基本将一种或多种气体118 (见图2B)置换出复合结构 。
[0051]进一步如图2B所示，固化周期84包括第二加热步骤110。第二加热步骤110包括提高加热复合结构26至高于添加剂相变温度64的提高温度113(见图2B)的步骤112。使用的添加剂相变温度64取决于使用何种添加剂54。所述提高温度113可包括高于树脂固化温度66约5 T (华氏度)到约20 °?范围内的温度，并且优选地，高于添加剂相变温度64约5 0F -10 0F，更优选地高于添加剂相变温度64约5 °F。第二加热步骤110进一步包括步骤114:维持所述提高温度113约一⑴分钟到约十五(15)分钟范围内的有效时间期间，这取决于使用的添加剂54和添加剂相变温度64。
[0052]进一步如图1所示，方法30进一步包括步骤40:将复合结构26 (见图2A)加热至高于添加剂相变温度64 (见图2A)且高于树脂固化温度66 (见图2A)的提高温度113 (见图2B)，并维持所述提高温度113足够的时间期间以使添加剂54发生相变，如添加剂液气相变62 (见图2B)，且形成添加剂气体116 (见图2B)，其基本将一种或多种气体118 (见图2B)置换出复合结构26。所述一种或多种气体118可包括存在的夹带的空气和挥发物质，包括吸收的水分、溶解的水、树脂排出气体或者其他树脂副产品、气态反应产物、或其他合适的气体。优选地，将复合结构26加热至高于添加剂相变温度64的提高温度113进一步包括维持所述提高温度约一(I)分钟到约十五(15)分钟范围内的时间期间114(见图2B)。优选地，将复合结构26加热至高于添加剂相变温度64的提高温度113进一步包括将复合结构26加热至高于树脂固化温度66约5华氏度到约20华氏度的范围内的提高温度113，优选地，高于添加剂相变温度64约5 0F -10 0F，更优选地高于添加剂相变温度64约5 °F。
[0053]进一步如图1所示，方法30进一步包括步骤42:将所述提高温度113 (见图2B)降低回到树脂固化温度66从而允许添加剂气体116经历相变至凝聚相127 (见图2B)，导致复合结构26的真空压力94 (见图2B)显著降低，并导致复合结构26的孔隙度134 (见图2B)降低。优选地，将所述提高温度113降低回到树脂固化温度从而允许添加剂气体116经历相变至凝聚相127 (见图2B)，导致复合结构26的真空压力94显著降低，从而导致复合结构76的百分比孔隙度降低135 (见图2B)在约80%到约99%孔隙度降低135的范围内。优选地，方法30生产复合结构26，如飞行器复合材料部件28，其具有低孔隙度，例如少于2%的孔隙度。
[0054]所述方法30进一步包括冷却复合结构26的步骤44。如图2C所示，系统50包括系统部分50c，其包括固化后周期140。如图2C所示，固化后周期140包括将复合结构26冷却有效的时间期间的步骤142。复合结构26可自主冷却或者借助冷却装置144 (见图2C)冷却，如冷冻单元或其他合适的冷却装置。固化后周期140进一步包括从加热装置88中移出固化的复合结构的步骤146。固化的复合结构26的移出可由移出装置148 (见图2C)完成，如热保护手套或防护钳。如图2C所示，固化后周期140可进一步包括完成操作的步骤150，例如加工152、结合154或涂布156固化的复合结构26。
[0055]因此，方法30 (见图1)和系统50 (见图2A-2C)提供添加剂54，其被加入到高压釜90或烘箱92固化的复合预浸材料70的树脂材料56中。添加剂54优选地在固化真空压力94下、在复合结构26的树脂材料56的预期树脂固化温度66以上发生添加剂液气相变62 (见图2B)。在固化周期84期间，当复合结构26通常保持在一个温度下显著时间长度时，当降低的树脂粘度106 (见图2B)处于接近最小树脂粘度108 (见图2B)且树脂材料56没有胶凝化时，复合结构26的热暂时上升至高于添加剂相变温度64并高于树脂固化温度66的提高温度113。添加剂54发生添加剂液气相变62，体积增加数百倍。这种新的添加剂气体116将其他现有的一种或多种气体118(见图2B)置换出或推出复合结构26，一种或多种气体118包括夹带的空气和挥发物质，包括吸收的水分、溶解的水以及树脂排出气体或者其他树脂副产物、气态反应产物、或其他合适的气体。在降低的添加剂排气的质量速率122 (见图2B)下，降热步骤120降低热并降低提高温度113回到树脂固化温度66，以驱使添加剂气体116经历相变至凝聚相127或者驱使添加剂气液相变126 (见图2B)。这显著降低或减少空隙130 (见图2B)和气体通道132 (见图2B)中的真空压力94，使空隙130和气体通道132更迅速并且更彻底地塌缩，从而又导致复合结构26中净空隙量136或孔隙度134降低。作为额外的好处，增加的外部压力与内部气压比138 (见图2B)提供了复合结构26在高压釜90外的处理，如在烘箱92中。
[0056]在本公开的另一个实施方式中，方法30 (见图1)降低飞行器复合材料部件28 (见图2A)的孔隙度134 (见图2B)。所述方法30包括将添加剂54 (见图2A)加入到树脂材料56 (见图2A)中形成添加剂-树脂混合物58 (见图2A)的步骤32。所述添加剂54包括添加剂相变温度64 (见图2A)高于树脂材料56的树脂固化温度66 (见图2A)的相变材料60 (见图2A)。优选地，添加剂54是包含以下的相变材料60:烷烃，其具有9个或更多个碳原子，其在一个大气压下的沸点在约250 T (华氏度)到约950 °F范围内的温度；在一个大气压下沸点在约392 T到约500 °F范围内的温度的苯基丙烯类；在一个大气压下沸点在约422 T到约980 °F范围内的温度的多环芳烃；以及三酰甘油酯，如上面讨论的，或者其他合适的添加剂。优选地，树脂材料56包括环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂以及它们的组合。
[0057]降低飞行器复合材料部件28的孔隙度134 (见图2B)的方法30进一步包括将添加剂-树脂混合物58与大量增强纤维68优选大量增强碳纤维结合，从而形成复合预浸材料70(见图2A)。所述方法进一步包括通过形成方法78铺层复合预浸材料70，所述形成方法78包括手工铺层80或自动铺层，如使用铺层机76 (见图2A)，并将复合预浸材料70形成为飞行器复合材料部件28。所述方法进一步包括在真空压力94 (见图2B)下将飞行器复合材料部件28包围在真空袋98 (见图2B)下。方法30进一步包括步骤38:在加热装置88中以有效的真空压力94热固化被真空袋98包围的飞行器复合材料部件28有效的时间期间至足以实现树脂材料56的树脂粘度106 (见图2B)降低的树脂固化温度66，加热装置88包括高压釜90或烘箱92。方法30进一步包括维持104 (见图2B)树脂固化温度66有效的树脂固化时间期间。方法30进一步包括步骤40:将飞行器复合材料部件28加热至高于添加剂相变温度64并高于树脂固化温度66约5华氏度到约20华氏度的范围内的提高温度113 (见图2B)。方法进一步包括步骤114:维持所述提高温度113足够的时间期间以使添加剂54发生相变并形成添加剂气体116 (见图2B)，其基本将一种或多种气体118 (见图2B)置换出飞行器复合材料部件28。方法30进一步包括步骤42:将所述提高温度113降低回到树脂固化温度66，从而允许添加剂气体116经历相变至凝聚相127 (见图2B)，导致飞行器复合材料部件28中真空压力94显著降低，并且导致飞行器复合材料部件28的孔隙度134降低在约80%至约99%孔隙度降低的范围内。方法30进一步包括的步骤44:冷却复合结构26，优选地，飞行器复合材料部件28。方法进一步包括将冷却的飞行器复合材料部件移出高压釜90。[0058]在本公开的另一个实施方式中，如上面讨论的，提供了降低复合结构26 (见图2A)的孔隙度134 (见图2B)的系统50 (见图2A-2C)。系统50包括复合预浸材料70 (见图2A)。复合预浸材料70包括大量的增强纤维68 (见图2A)，优选大量的增强碳纤维，其用添加剂-树脂混合物58 (见图2A)预浸。添加剂-树脂混合物58的添加剂54 (见图2A)包括添加剂相变温度64 (见图2A)高于树脂材料58的树脂固化温度66 (见图2A)的相变材料60(见图2A)。优选地，添加剂54包括这样的相变材料60，其包括上面关于方法30详细讨论的组分和组合物。优选地，树脂材料56包括环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂、它们的组合、或者其他合适的树脂。
[0059]系统50进一步包括形成装置74 (见图2A)，其包括铺层机76 (见图2A)，其适于将复合预浸材料70铺层为复合结构26 (见图2A)。系统50进一步包括真空设备96 (见图2B)，其包括真空袋98 (见图2B)。真空设备96适于在真空下以有效的真空压力94 (见图2B)包围或覆盖复合结构26。
[0060]系统50进一步包括加热装置88 (见图2B)，其包括高压釜90 (见图2B)或烘箱92(见图2B)。加热装置88适于热固化被真空装置96包围的复合结构26至有效的树脂固化温度66并维持树脂固化温度66足以实现树脂材料58降低的树脂粘度106 (见图2B)的有效时间期间。加热装置88进一步适于加热复合结构26至高于添加剂相变温度64并高于树脂固化温度66的提高温度113 (见图2B)并维持提高温度113足够的时间期间以使添加剂54发生相变并形成添加剂气体116 (见图2B)，其基本将一种或多种气体118 (见图2B)置换出复合结构26。加热装置88进一步适于将所述提高温度113降低回到树脂固化温度66，从而允许添加剂气体116经历相变至凝聚相127 (见图2B)，导致复合结构26中的真空压力94显著降低，并且导致复合结构26的孔隙度134 (见图2B)降低。优选地，提高温度113在高于树脂固化温度66约5华氏度到约20华氏度的范围内，并且优选地在高于添加剂相变温度64约5华氏度到约10华氏度的范围内，更优选地，高于添加剂相变温度64约5华氏度。优选地，复合结构26的孔隙度134降低在约80%到约99%孔隙度降低135 (见图2B)的范围内。
[0061]图3是示范性飞行器10的透视图图解，其可并入由本公开的方法30 (见图1)的一个实施方式制成的复合结构26。如图3所不,飞行器10包括机身12、机头14、驾驶舱16、机翼18、一个或多个推进单元20、垂直尾部22和水平尾部24。优选地，复合结构26是飞行器复合材料部件28。尽管图3示出的飞行器10 —般代表具有一个或多个复合结构26的商业客机，但是本公开的实施方式的教导可应用于其他客机、货机、军用飞行器、旋翼机以及其他类型的飞行器或空中交通工具，以及航空航天器、卫星、空间运载器、火箭和其他航空航天器，以及船和其他水运工具、火车、汽车、卡车、公共汽车、或其它具有复合结构的合适的车辆或物品。
[0062]如本领域技术人员将理解的，将添加剂54并入用于形成复合结构26的复合预浸材料70中产生许多实质性好处。方法30 (见图1)和系统50 (见图2A-2C)的公开实施方式不要求复合结构制造过程的任何显著改变，并且特别地，优选地不要求在将复合预浸材料形成为复合结构之后复合结构如大型复合结构在真空压力下进行长的(如，12-24小时或者更长)固化前真空保持。消除这种固化前真空保持可减少总体制造过程时间，并可因此减少总体制造成本，具体地，可减少制造大型复合材料部件的总成本。
[0063]另外，总体固化周期84没有增加额外的时间，第二加热步骤110 (见图2B)将复合结构26加热至提高温度113并维持提高温度113足够的时间期间，从而使添加剂54发生添加剂液气相变62且形成基本将一种或多种气体118置换出复合结构的添加剂气体116。此外，方法30 (见图1)和系统50 (见图2A-2C)的公开实施方式提供了在复合结构26的制造期间优选地降低孔隙度134或空隙量136 (见图2B)到约80%到约99%孔隙度降低135或空隙量降低137 (见图2B)的范围内的方法30和系统50。这种孔隙度和空隙降低或减少可导致总体低孔隙度水平或低空隙量，如，少于2%，这又允许制造具有改进的机械特性如剪切强度和改进性能的复合结构26，如飞行器复合材料部件28。这可导致由于处理问题、疏忽或错误引起的不符合要求的复合结构或部件的拒绝减少，并且又可导致制造成本降低和与必须制造附加或替代性复合结构或部件相关的成本降低。
[0064]具备前述描述和相关附图中呈现的教导利益的本公开相关领域技术人员将会想到本公开的许多修改和其他实施方式。本文描述的实施方式意在是说明性的，而不意欲是限制性或穷尽性的。虽然本文采用了具体术语，但它们仅在一般性和描述性意义上使用，而不是为了限制的目的。``
【权利要求】
1.一种降低复合结构中孔隙度的方法，所述方法包括: 将添加剂加入树脂材料中形成添加剂-树脂混合物，所述添加剂包括相变材料，其具有高于所述树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度； 将所述添加剂-树脂混合物与大量的增强纤维结合以形成复合预浸材料； 将所述复合预浸材料形成为复合结构； 在真空设备下在加热装置中以有效的真空压力在足以降低所述树脂材料的粘度的树脂固化温度下热固化所述复合结构有效的时间期间； 将所述复合结构加热到高于所述添加剂相变温度并高于所述树脂固化温度的提高温度，且维持所述提高温度足够的时间期间以使添加剂发生相变并形成基本将一种或多种气体置换出所述复合结构的添加剂气体； 降低所述提高温度回到所述树脂固化温度，以允许所述添加剂气体经历相变至凝聚相，导致所述复合材料中的真空压力显著降低，并且导致所述复合结构的孔隙度降低；以及， 冷却所述复合结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述将添加剂加入树脂材料中进一步包括加入选自以下的添加剂:烷烃，其具有 9个或更多碳原子，其在一个大气压下的沸点在约250 T (华氏度)到约950 °F范围内的温度；在一个大气压下沸点在约392 T到约500 °F范围内的温度的苯基丙烯类；以及在一个大气压下沸点在约422 T到约980 °?范围内的温度的多环芳烃；以及三酰甘油酯。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述将添加剂加入树脂材料中进一步包括以基于所述添加剂-树脂混合物的总体积为0.01体积百分比到约1.5体积百分比的量加入所述添加剂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述将添加剂加入树脂材料中进一步包括将所述添加剂加入选自以下的树脂材料:环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树月旨、酚醛树脂、有机硅树脂以及它们的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述复合预浸材料形成为复合结构进一步包括通过形成方法铺层所述复合预浸材料，所述形成方法包括手动铺层或使用铺层机的自动铺层。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述热固化所述复合结构进一步包括在包括高压釜或者烘箱的加热装置中热固化所述复合结构。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述热固化所述复合结构进一步包括在包括密封的柔性真空袋的真空设备下热固化所述复合结构。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热所述复合结构至提高温度进一步包括加热所述复合结构至高于所述树脂固化温度和所述添加剂相变温度约5华氏度到约20华氏度的范围内的提高温度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热所述复合结构至高于所述添加剂相变温度的提高温度进一步包括维持所述提高温度约I分钟到约15分钟范围内的时间期间。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述加热所述复合结构至高于所述添加剂相变温度的提高温度进一步包括形成基本上置换一种或多种气体的添加剂气体，所述一种或多种气体包括夹带的空气和挥发物质，包括吸收的水分、溶解的水以及树脂排出气体。
11.根据权利要求1所述的方法，其中所述降低所述提高温度回到所述树脂固化温度导致所述复合结构的孔隙度百分比降低在约80%到约99%孔隙度降低的范围内。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述复合结构是飞行器复合材料部件。
13.一种降低复合结构的孔隙度的系统，所述系统包括: 复合预浸材料，其包括用添加剂-树脂混合物预浸的大量增强纤维，所述添加剂包括相变材料，其具有高于树脂材料的树脂固化温度的添加剂相变温度； 形成装置，其包括铺层机，其适于将所述复合预浸材料铺层为复合结构； 真空设备，其包括真空袋，所述真空设备适于以有效的真空压力将所述复合结构包围在真空下；和 加热装置，其包括高压釜和烘箱， 所述加热装置 适于热固化被所述真空设备包围的所述复合结构至有效树脂固化温度并维持所述树脂固化温度足以降低所述树脂材料的粘度的有效时间期间， 所述加热装置进一步适于加热所述复合结构至高于所述添加剂相变温度并高于所述树脂固化温度的提高温度，并且维持所述提高温度足够的时间期间，以使所述添加剂发生液气相变并形成基本将一种或多种气体置换出所述复合结构的添加剂气体， 所述加热装置进一步适于降低所述提高温度回到所述树脂固化温度，以允许所述添加剂气体经历相变至凝聚相，导致所述复合结构中的真空压力显著降低，并且导致所述复合结构的孔隙度降低。
14.根据权利要求13所述的系统，其中将所述添加剂加入树脂材料中进一步包括加入选自以下的添加剂:烷烃，其具有9个或更多碳原子，其在一个大气压下的沸点在约250 T(华氏度)到约950 °F范围内的温度；在一个大气压下的沸点在约392 T到约500 °F范围内的温度的苯基丙烯类；和在一个大气压下的沸点在约422 T到约980 °F范围内的温度的多环芳烃；以及三酰甘油酯。
15.根据权利要求13所述的系统，其中所述树脂材料进一步选自以下:环氧树脂、环氧胺树脂、聚酰亚胺树脂、双马来酰亚胺树脂、酚醛树脂、有机硅树脂以及它们的组合。
【文档编号】C08J9/00GK103665416SQ201310384540
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月29日 优先权日:2012年8月31日
【发明者】K·D·胡芬德 申请人:波音公司