专利名称：：编织预制件、复合材料、及其制造方法
技术领域：
：本发明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)，其能够织平并形成到它们的最終形状中，最終形状沿ー个或多个方向强化。相关申请引入所有专利、专利申请、文献、參考文件、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，并可被用于本发明的实践。
背景技术：
：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、聚こ烯之类的材料和/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カ破坏的大強度)的其他材料制造。通过使用这种强化材料(其最終成为所完成部件的组成元件)，強化材料的期望特性，例如非常高的強度，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強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，或生产用于最終生产被完成部件的工作储料(workingstock)。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ー种，例如环氧树脂、聚酯(POIyester)、こ烯基酷(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強化材料(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強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(parasiticbarrierply)来消除当一些复合材料与金属接触时会出现的腐蚀问题。这些阻挡层増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。因为窗框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，这些省道増加了需用以制造预制件的手工劳动并降低了所形成的复合材料的强度。已经开发出、并且目前正在例如波音787之类的飞行器上使用不需要直立腿的方案(例如，见美国专利公布第2008/0078876号和第2008/0169380)。这种更简单的几何形状能够使用挤压成型エ艺与片状成型复合材料例如Hexcel公司的HexMC来制造。然而，对于需要直立腿的结构而言，则仍需要一种这样的方法其能够在本体以及直立腿中设置连续纤維，并能够使得框架重量減少和/或性能提高。例如，WO2005115728涉及ー种用于制造安装于飞行器的外壳中的窗框的方法。该结构包括外凸缘、内凸缘和垂直设置到这两个凸缘并在这两个凸缘之间的垂直凸缘。
发明内容因此，本发明的ー个目的是，提供ー种形成三维预制件的方法，该三维预制件与现有技术的设计相比重量減少和/或性能提高。本发明的另一目的是，通过一体编织结构中的不同部分，例如主体和腿，来消除现有技术结构中的上述薄弱节点，所以所有界面上具有连续纤維。根据ー个示意性实施例，本发明为一种三维编织预制件，其包括一层或多层经线被操纵织物(warpsteeredfabric)。经线被操纵织物的一部分被挤压到模具内以形成直立腿。预制件可包括直立腿和本体部中的榫接部。主体部和直立腿是一体编织的，所以整个预制件上有连续纤维。经线被操纵织物的第一部分可包括被牵切(stretchbroken)碳纤维，经线被操纵织物的第二部分可包括传统碳纤维，经线被操纵织物的第三部分可包括被牵切碳纤维。可在配备有差动卷线机构的织机上编织经线被操纵织物。经线被操纵织物可为单层或多层织物。预制件可为飞行器窗框的一部分。另ー示意性实施例是ー种包括三维编织预制件的纤维强化复合材料，该编织预制件包括一层或多层经线被操纵织物。经线被操纵织物的一部分被挤压到模具内以形成直立腿。预制件可包括直立腿和主体部中的榫接部。本体部和直立腿是一体编织的，所以预制件上有连续纤維。经线被操纵织物的第一部分可包括被牵切碳纤维，经线被操纵织物的第二部分可包括传统碳纤维，经线被操纵织物的第三部分可包括被牵切碳纤维。可在配备有差动卷线机构的织机上编织经线被操纵织物。经线被操纵织物可为单层或多层织物。复合材料可为飞行器窗框。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。又一示意性实施例是ー种形成三维编织预制件的方法。该方法包括编织经线被操纵织物的步骤以及布置一层或多层经线被操纵织物以形成预定形状的步骤。该方法可包括使一部分经线被操纵织物挤压到模具内，以便形成直立腿。该方法还可包括在预制件的主体部中形成榫接部的步骤。本体部和直立腿是一体编织的，所以预制件上有连续纤維。经线被操纵织物的第一部分可包括被牵切碳纤维，经线被操纵织物的第二部分可包括传统碳纤维，经线被操纵织物的第三部分可包括被牵切碳纤维。可在配备有差动卷线机构的织机上编织经线被操纵织物。经线被操纵织物可为单层或多层织物。预制件可为飞行器窗框的一部分。本发明的又一示意性实施例是ー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。该方法包括编织经线被操纵织物的步骤以及布置一层或多层经线被操纵织物以形成预定形状的步骤。该方法可包括使经线被操纵织物的一部分挤压到模具内，以便形成直立腿。该方法还可包括在预制件的主体部中形成榫接部的步骤。本体部和直立腿是一体编织的，所以预制件上有连续纤維。经线被操纵织物的第一部分可包括被牵切碳纤維，经线被操纵织物的第二部分可包括传统碳纤维，经线被操纵织物的第三部分可包括被牵切碳纤维。可在配备有差动卷纸机构的织机上编织经线被操纵织物。经线被操纵织物可为单层或多层织物。复合材料可为飞行器窗框。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。本发明的预制件能够使用任何用于经线的传统图案纤维来编织，即股对股(ply-to-ply)、通过厚度角联锁(angleinterlock)、正交等图案。预制件可使用任何便利的编织图案例如平纹、斜纹、缎纹等图案来编织。虽然碳纤维是优选的，但是本发明适用于实际上任何其他纤维，包括但不限于能够被牵切的那些纤维例如被牵切碳纤维、玻璃、陶瓷，以及不能被牵切或不需被牵切的那些纤维例如由PepinAssociates有限公司生产的Discotex。本发明的编织预制件的潜在应用包括任何利用带有刚性腿的波状外形框架(例如像飞行器的窗框之类)的结构应用。构成本发明的特征的各种新颖特征在随附的并构成本申请书的一部分的权利要求书中具体指出。为了更好地理解本发明、其操作优点和通过其使用而实现的特殊目的，请參照随附的说明内容(其中说明了本发明的优选的但非限制性的实施例)以及附图(其中对应的部件以相同的附图标记表示)。本说明书中的术语“包括”和“包含”可意味着“包括”和“包含”或可具有美国专利法中对术语“包括”或“包含”普遍给定的含义。如果在权利要求书中使用的话，术语“主要由……组成”或“主要由……构成”具有美国专利法中赋予它们的含义。本发明的其他方案在以下内容被描述或从以下内容是显而易见的(并在本发明的范围内)。附图(包括附图为的是供进一歩理解本发明)并入本说明书，并构成本说明书的一部分。本说明书提供的附图示出本发明的不同实施例，并与文字描述一起用来解释本发明的原理。在图中图I是飞行器窗框的示意图；图2是图I所示的飞行器窗框沿线2-2的截面图；图3是根据本发明的一个方案的使用“操纵”编织法生产的椭圆形织物的示意图4-图5示出根据本发明的一个方案在形成三维编织预制件时包括的步骤；而图6示出根据本发明的一个方案在形成三维编织预制件时包括的步骤。具体实施例方式现在将在下文中參照附图更完整地描述本发明，附图中示出本发明的优选实施例。然而，本发明可通过许多不同形式实施，且不应被解释为局限于在此提出的说明性实施例。而是，提供这些说明性实施例，为的是使本
发明内容彻底且完整，并将本发明的范围完全表达给本领域技术人员。在以下描述中，图中相同的附图标记表示相同或对应的部件。另外，在以下描述中，应理解如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”等这样的术语仅是方便的词语，不应被解释为限制性的术语。现在转到附图，根据一个实施例，本发明在于提供一种制造三维编织预制件的方法，该三维编织预制件用于高强度应用，例如像飞行器窗框、复合材料的涡轮式风扇壳、喷气发动机包容环(jetenginecontainmentring)、飞行器的机身框或将短舱附接到飞行器引擎的凸缘环。尽管本说明书描述的优选实施例涉及飞行器窗框，但是本发明不限于此。例如，本说明书描述的编织预制件或方法可用于制造以上列出的任ー结构或类似结构。根据ー个示意性实施例的方法使用了ー种独特的纺织品制造エ艺，其或被称为“经线操纵(warpsteering)”。术语“经线操纵”指的是用于经纱的差动卷线系统，该系统将经纱“操纵”成所需形状，并允许直织(straightweaving)、极向编织(polarweaving)或其组合以生产能够实际上在织物或预制件的X-Y平面上采用任何形状的预制件。图3示出根据本发明的ー个方案，使用“操纵”编织法生产的这种经线被操纵的椭圆形织物30的示例；其中，椭圆形织物30可在ー个平面上是平的，并在X-Y平面呈弯曲形状。在这种排布中，每个经纱32能够具有不同的轨道长度，类似于围绕跑道的线，同时每条纬纱34总是垂直或正交于织物的边缘。这就是说，在纬纱34可与一条或多条经纱32交织的那些点处，不管经纱32的曲线轨道如何，纬纱34总是正交于一条或多条经纱32。根据ー个示意性实施例，该エ艺可被用来制造复合材料窗框，例如參照图I描述的窗框，其包括例如直立腿20和“榫接部”15之类的特征，但不需要为传统材料所需的省道。根据本实施例的方法使用被牵切碳纤维(“SBCF”)作为选定区域的周缘纤维，使得直立腿和榫接部能够一体形成于预制件内。結果，编织预制件将沿框架的周向和径向具有连续纤维。根据该方法，能够在使用可编程差动卷线机构的织机上执行被操纵编织，以产生窗框的所期望的椭圆形形状。在被操纵的织物30中，经线纤维可沿周向连续，而且纬线纤维相对于局部曲率半径总是沿径向来取向。织物的多个连续层能够被置于彼此的顶部以构成期望的厚度。如果需要额外的強度和/或刚度，还可将其中纤维沿离轴方向(off-axisdirection)(仍然相对于局部曲率半径)取向的额外的织物层散布在被操纵的织物层之间。可选地，被操纵的织物可编织成多层织物，其中，多层织物中的两层或更多层通过期望图案中的一条或多条经纱和/或纬纱整体保持。织物可使用任何用于经线纤维的便利图案来编织，即股对股、通过厚度角联锁、正交等图案。织物自身可使用任何传统编织图案例如平纹、斜纹、缎纹等来编织。尽管碳纤维是优选的，本发明可应用于实际上任何其他类型的纤维，包括但不限于能够被牵切的那些类型的纤维，例如被牵切碳纤维、玻璃、陶瓷和不能被牵切或无需被牵切的那些类型的纤维。例如，本发明中使用的纤维可以是Discotex(—种由PepinAssociates公司生产的不连续纤维束)，其在被织入纺织结构时，允许纺织结构沿強化方向拉伸，从而容许由简单的预制件初始形状形成复杂形状。Discotex是通过将强化纱线或纤维束切成离散长度并使切出的纱线或纤维束对齐以形成不连续的纤维束来制造的。这种纤维束由多段长的、不连续且重叠的強化纤维束(这些強化纤维束与对齐的连续纤維和外包装纤维组合)组成。在纺织操作期间，需要对齐的连续纤维和外包装纤维来处理DiscoTex纤维束，但是对齐的连续纤维和外包装纤维也可被用作基体的前体材料。在后续加工步骤不需要连续纤维的情况下，可去除连续纤维以生产全不连续的纺织材料。DiscoTex织物的拉伸允许快速制造复杂外形，同时保留纤维取向和纤维体积分数(fibervolumefraction)。能够消除(省略)对织物进行人エ劳动强度大的切割和省道，而且该技术适用于任何类型的强化线(纱)，包括玻璃纤维、碳纤维和陶瓷纤維。应注意，初始的预制件或织物30是平的。然而，三维预制件的最終形状可使用成型エ艺来形成，以产生直立腿、榫接部和沿主轴线大体弯曲的形状。这样的成型取决于沿被操纵织物的经线方向使用SBCF，这将允许织物按需要沿周向伸长，因此预制件平坦不起皱。纬线方向上可使用传统纤维，织物的宽度可设定为横截面的总弧长。在ー些需要纬线伸长的局部几何结构中，如果需要，则可沿纬线方向使用SBCF。当使用SBCF时，实际成型エ艺可被设计成确保所需的总伸长量不超过纤维的屈服伸长极限。根据ー个实施例，上述方法可如图4和图5所示地实施。在该实施例中，在织物的一部分36中例如可使用SBCF作为经线纤维，而在织物的另一部分38中使用传统碳纤维经线来形成编织预制件30。部分36例如可以是椭圆形预制件的内周区域，同时部分38例如可以是外周区域。在此情况下，预制件30的外边缘40例如可被夹到成型工具45的顶部，而且预制件30可被挤压到阴模(femalemold)或成型工具表面42内。随着纤维从初始预制件的较小半径形成到最终部件的较大直径，部分36中的SBCF伸长。将预制件30挤压到阴模或成型工具表面52内可借助径向挤压或使用若干公知技术之ー来完成。一种这样的方法可使用被加压以在预制件30上得到均匀径向力的可充气(inflatable)工具。另一方法可使用多段工具(multiplesectiontooling)以在径向载荷下使预制件30移动并固定就位以供随后注摸。应注意，预制件的内边缘处的SBCF能够具有最高百分比的伸长率，而且最大伸长量取决于直立腿的高度、榫接部的深度、预制件的总宽度和最小局部曲率半径。图6示出根据另ー实施例的方法。在该实施例中，可形成例如在边缘部分36、36(椭圆形预制件或织物30的内周区域、外周区域)中沿经线方向使用SBCF，而在织物的中心部38使用传统碳纤维经线的编织预制件30。预制件30的将成为直立腿20的部分被实际编织成，使得其可在预制件的主体上被折叠。为确保直立腿20在成型期间不被周向挤压，此特征是必要的。预制件30可在包含传统经线纤维的区域22上被夹入工具内。然后榫接部15可通过将预制件36的左侧挤压到模具42内来形成，而直立腿20可通过将预制件30的右侧36向上和向外均匀地推到模具42内来形成。如较早前所述，借助径向挤压或使用若干公知技术之ー来完成将预制件30挤压到阴模或成型工具表面42内。一种这样的方法可使用可被加压以在预制件30上得到均匀径向力的可充气工具。另ー方法可使用多段工具以使预制件30在径向载荷下移动并固定就位以供随后注摸。应注意，位于预制件的内边缘的SBCF经线将具有最高百分比的伸长率，而且正是此特征通常将决定哪一成型方案是可行的。最大伸长量取决于直立腿的高度、榫接部的深度、预制件的总宽度和最小局部曲率半径。在织物被模塑以取期望的三维形状之后，预制件30可使用传统的树脂注入法，例如树脂传递模塑(resintransfermolding),被加工成复合材料。例如,根据ー个实施例的预制件能够被加工成如图I所示的飞行器窗框10。结构10包括之前实施例中描述的编织预制件。可制造预制件而无需各个股的切割和省道。消除这些切割和省道提高了所得到的结构的强度以及性能。本发明的预制件能够使用任何用于经线纤维的传统图案来编织，即股对股、通过厚度角联锁、正交等图案。虽然碳纤维是优选的，但是本发明可应用于实际上任何其他能够被牵切类型的纤维，例如碳纤维、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚酯和金属纱或纤維。本发明的经线被操纵织物可由多种材料制成，例如由像碳、尼龙、人造丝、聚酯、玻璃纤维、棉、玻璃、陶瓷、芳香族聚酰胺和聚こ烯之类的材料制成，或由任何其他本领域中公知的材料制成。最終结构可使用树脂浸溃法，例如树脂传递模塑或化学气相渗透(chemicalvaporinfiltration),而浸有基体材料,例如像环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酷、こ烯基酷、陶瓷和碳之类，由此形成三维复合材料结构。尽管在此以飞行器的窗框作为示例来进行说明，但是本发明的编织预制件的潜在应用包括任何利用带有加固腿的外形框的结构应用。尽管在此详细描述了本发明的优选实施例及其更改，但是应理解，本发明不限于这个精确实施例和更改，本领域技术人员可实现不背离如随附权利要求书限定的本发明的精神和范围的其他更改和变型。权利要求1.一种三维编织预制件，包括一层或多层经线被操纵织物。2.如权利要求I所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物的一部分被挤压到模具内以形成直立腿。3.如权利要求2所述的预制件，其中，所述预制件包括所述直立腿和/或位于本体部中的榫接部。4.如权利要求3所述的预制件，其中，所述本体部和直立腿是一体编织的，由此所述预制件上具有连续纤维。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第一部分包括沿经线方向被牵切碳纤维或不连续纤维束，或任何沿经线方向能够被牵切或不能被牵切的类型的纤维。8.如权利要求7所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物的第二部分包括沿所述经线方向的传统碳纤维。9.如权利要求8所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物的第三部分包括沿经线方向被牵切碳纤维或不连续纤维束，或者任何沿所述经线方向能够被牵切或不能被牵切的类型的纤维。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，所述经线被操纵织物是多层织物。12.如权利要求8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线和纬线纱或纤维形成的，所述经线和纬线纱或纤维选自碳、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。18.一种形成三维编织预制件的方法，所述方法包括以下步骤编织经线被操纵织物以及布置一层或多层所述经线被操纵织物以形成预定形状。19.如权利要求18所述的方法，还包括使所述经线被操纵织物的一部分挤压到模具中，以便形成直立腿的步骤。20.如权利要求19所述的方法，还包括以下步骤在所述预制件的本体部形成榫接部。21.如权利要求20所述的方法，其中，所述本体部和直立腿是一体编织的，由此所述预制件上具有连续纤维。22.如权利要求21所述的方法，其中，所述预制件是窗框的一部分。23.如权利要求22所述的方法，其中，所述预制件是飞行器窗框的一部分。24.如权利要求18所述的方法，其中，所述经线被操纵织物的第一部分包括沿经线方向被牵切碳纤维或不连续纤维束，或任何沿经线方向能够被牵切或不能被牵切的类型的纤维。25.如权利要求24所述的方法，其中，所述经线被操纵织物的第二部分包括传统碳纤维。26.如权利要求25所述的方法，其中，所述经线被操纵织物的第三部分包括沿经线方向被牵切碳纤维或不连续纤维束，或者任何沿所述经线方向能够被牵切或不能被牵切的类型的纤维。27.如权利要求18所述的方法，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。28.如权利要求18所述的方法，其中，所述经线被操纵织物是多层织物。29.如权利要求28所述的方法，其中，所述经线被操纵织物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。30.如权利要求18所述的方法，其中，所述经线被操纵织物是通过交织多个经线和纬线纱或纤维形成的，所述经线和纬线纱或纤维选自碳、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。31.一种形成纤维强化复合材料的方法，所述方法包括以下步骤根据权利要求18形成三维编织预制件。32.如权利要求31所述的方法，还包括以下步骤在基体材料中浸溃所述预制件。33.如权利要求32所述的方法，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。34.如权利要求32所述的方法，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。35.如权利要求I所述的预制件，还包括一层或多层其中的纤维沿离轴方向取向的散布在多个所述经线被操纵织物之间的织物。36.如权利要求18所述的方法，还包括以下步骤在所述多个经线被操纵织物之间，散布一层或多层其中的纤维沿离轴方向取向的织物。全文摘要公开了一种三维编织预制件、含预制件的纤维强化复合材料及它们的制造方法。编织预制件包括一层或多层经线被操纵织物。一部分经线被操纵织物被挤压到模具内以形成直立腿(20)。预制件包括直立腿和本体部中的榫接部(15)。本体部和直立腿是一体编织的，所以预制件上有连续纤维。一部分经线被操纵织物包括沿经线方向的被牵切碳纤维，另一部分包括传统碳纤维。可在配备有差动卷线机构的织机上编织经线被操纵织物。经线被操纵织物可以是单层或多层织物。预制件或复合材料可以是飞行器窗框(10)的一部分。文档编号B29C70/22GK102666050SQ201080053418公开日2012年9月12日申请日期2010年9月29日优先权日2009年10月1日发明者乔纳森·戈林,克雷格·罗尔斯申请人:奥尔巴尼工程两合公司