包括防水阻隔层的复合材料的制作方法

包括防水阻隔层的复合材料的制作方法
【专利说明】包括防水阻隔层的复合材料
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求于2013年7月26日提交的名称为"包括防水阻隔层的复合材料 (COMPOSITEMATERIALINCORPORATINGWATERINGRESSBARRIER)" 的美国临时专利申请序 列号61/858, 967的优先权，所述美国临时专利申请在此以引用的方式整体并入。 发明领域
[0003] 本发明涉及一种用于包括防水阻隔层的复合材料的构造。更具体地，本发明涉及 一种可用于飞机的构造中的复合材料，其中复合材料包括由复合材料层夹在中间的蜂窝芯 构造。
[0004] 相关技术的描述
[0005] 传统上，飞机已由金属材料制造。具体地，飞机传统上已由铝合金制成，所述铝合 金结实且重量轻。
[0006] 在最近几年中，偏向于开发包括复合材料的飞机和飞机部件的构造。在许多情况 下，复合材料与其金属对应物相比趋于重量更轻。此外，在许多情况下复合材料与其金属对 应物相比趋于更结实。
[0007] 术语"复合材料"涵盖各种各样的不同材料。在讨论使用在飞机和其相关联部件和 组件的构造中的复合材料时，存在至少两种类型的通常被现有技术采用的复合材料。第一 种复合材料常常被称为"整体"复合材料。整体复合材料包括单向纤维织物（玻璃、碳等） 的多个层，所述层在树脂存在下模塑在一起以形成一体结构。第二种复合材料常常被称为 "蜂窝"复合材料，因为其通常包含被夹置在碳纤维织物层之间的蜂窝材料。如整体复合材 料的情况一样，蜂窝材料和碳纤维织物层在树脂存在下模塑在一起以形成一体结构。
[0008] 就蜂窝复合材料而言，蜂窝层（同许多蜂窝材料一样）非常结实但重量非常轻。如 本领域技术人员所显而易见的，蜂窝材料更常见地包括小的、六角形气穴。所述气穴减小了 包括蜂窝的材料的重量，这是蜂窝材料被使用在复合材料中的一个原因。然而，所述气穴提 供了可在构造蜂窝复合材料的过程中或之后积聚呈蒸汽或液体形式的水的部位。
[0009] 如下文更详细讨论的，存在可有助于水存在于蜂窝材料中的多种机制。两种主要 的机制包括：（1)在材料的制造（包括非金属的酚醛树脂蜂窝的后固化）过程中将水、空气 和挥发分夹带在复合材料中，和（2)在复合材料的使用寿命期间由于在使用时出现裂纹而 导致水进入。虽然两种机制都是潜在的问题，但是第二种机制可能是非常严重的问题，特别 是考虑到针对现代飞机设计的长使用寿命更是如此。
[0010] 在构造蜂窝复合材料的过程中，为了使树脂固化在材料中，蜂窝复合材料经受升 高的温度。虽然所述处理可能将一些水、空气和挥发分从复合材料逐出，但有可能的是，可 能保留了一些材料，特别是水。所述水可形成复合材料可由其开始渐进性劣化的部位。
[0011] 分别地，在制造复合材料过程中可能将裂纹（也称为"裂缝"）引入到复合材料中。 如本文所用，术语"裂纹"旨在涵盖但不限于微裂纹、裂缝、微裂缝、孔、微孔、多孔空气通道、 空隙、微空隙、路径、微路径、通道、微通道、弱化区等。应当理解，在复合材料中存在的水、空 气和挥发分在固化处理过程中可能试图从材料中逸出。在水、空气和挥发分试图逸出时， 其可能使得裂纹在复合材料中形成，所述裂纹在固化处理完成之后成为复合材料的固定部 分。
[0012] 此外，裂纹可在材料的使用寿命期间出现在复合材料中。例如可由于复合材料上 的冲击或其他力导致裂纹产生。
[0013] 裂纹提供了由其水可进入材料中并随后冷凝和/或积聚在蜂窝内的巢室中的部 位。如从前述中所显而易见的，积聚在蜂窝中的水可形成复合材料可由其开始渐进性劣化 的部位。
[0014] 现有技术包括许多蜂窝复合材料实例，其中以下专利是代表性的。
[0015] 欧洲专利号0 722 825 (下文中称为" '825专利"）描述了与蜂窝芯结合的树脂转 移模塑。具体地，'825专利描述了使用中心蜂窝芯材料12构造的产品10。（ '825专利第 8栏第47-50行。）产品10包括被夹置在固化的预浸渍材料层16a、16b之间的粘合剂膜层 14a、14b。（ '825专利第8栏第50-54行。）已使用树脂转移模制品（"RTM"）树脂体系 浸渍的具有预成型纤维的固化层18a、18b位于预浸渍层16a、16b的外部。（'825专利第8 栏第54-58行。）
[0016] 国际专利申请公布号WO95/29807(下文中称为"'807申请"）描述了一种用于板 制造的预刻痕泡沫。'807申请描述了具有蜂窝芯元件32和边缘34的平坦的复合板，所述 板的两面都用预浸渍树脂的纤维薄板38覆盖。（'807申请第5页第9-14行。）
[0017] 美国专利号5, 685, 940 (下文中称为"'940专利"）描述了复合构造中的粘附系紧 板层。具体地，与现有技术结合，'940专利描述了Hartz型复合蜂窝夹层板100,所述板100 包括固定到中心蜂窝芯106的外面板102。（'940专利第4栏第29-37行。）'940专利还 描述了可采用非支撑膜粘合剂108、阻隔膜110和稀松布支撑的膜粘合剂112 (以所述顺序 施加）来防止材料诸如树脂进入到蜂窝芯106中。（'940专利第4栏第48-56行。）具体 地，如图3所示，在没有阻隔膜110情况下，树脂118可填充蜂窝芯106的巢室114。（'940 专利第4栏第53-57行。）
[0018] 美国专利号6, 679, 969 (下文中称为" '969专利"）描述了制造夹层板的方法，所 述夹层板具有限定在膨胀材料的膜12的任一面上的开式巢室芯10、干阻隔织物14和干纤 维的覆盖层16。（ '969专利第5栏第12-18行。）膨胀膜12在固化处理过程中膨胀为泡 沫以部分地填充开式巢室芯10中的巢室l〇a。（ '969专利第5栏第37-43行。）
[0019] 除使用阻隔层之外，现有技术似乎不能对以上提到的关于水进入的难题提供替代 性解决方案。
[0020] 应注意，针对现有技术阻隔层呈现出另一难题。在固化过程中，阻隔层可将水、空 气和挥发分夹带于阻隔层和蜂窝层之间的粘合剂层中。这可能弱化由粘合剂层形成的粘 结，这是应当避免的。此外，大多数阻隔层由热塑性材料制成，所述热塑性材料不能充分地 粘结到粘合剂和相邻层和/或结构。因此，针对包括所述阻隔层的复合材料构造，阻隔层呈 现出另外的工程挑战。
[0021] 在融合所述因素的背景下开发了本发明。
[0022] 发明概述
[0023] 本发明解决了针对现有技术提到的一个或多个缺陷。
[0024] 在一个可预期的实施方案中，本发明提供了包括具有顶面和底面的蜂窝层的复合 材料。蜂窝层包括在其中限定了多个巢室的多个壁。所述材料还包括相邻于蜂窝层的顶面 设置的第一粘合剂层、相邻于蜂窝层的底面设置的第二粘合剂层、相邻于蜂窝层的顶面上 的第一粘合剂层设置的第三粘合剂层、相邻于蜂窝层的顶面上的第三粘合剂层设置的第一 复合层、以及相邻于蜂窝层的底面上的第二粘合剂层设置的第二复合层。至少第三粘合剂 层具有在共固化时阻止沟槽在第一复合层内产生的粘性特性。
[0025] 在另一个可预期的实施方案中，复合材料还包括位于第二粘合剂层和蜂窝层的底 面上的第二复合层之间的第四粘合剂层。第四粘合剂层具有在共固化时阻止沟槽在第二复 合层内产生的粘性特性。
[0026] 可预期的是，第一粘合剂层可与蜂窝层的顶面接触。
[0027] 还可预期的是，第二粘合剂层可与蜂窝层的底面接触。
[0028] 此外，一旦固化，则可预期第三粘合剂层就与第一粘合剂层形成化学键。
[0029] 类似地，一旦固化，则可预期第四粘合剂层就与第二粘合剂层形成化学键。
[0030] 在一个可预期的实施方案中，第一复合层可与第三粘合剂层接触。
[0031 ] 在另一个可预期的实施方案中，第二复合层可与第四粘合剂层接触。
[0032] 蜂窝层的壁可由悬浮在树脂基质中的芳族聚酰胺纤维制成。
[0033] 第一复合材料和第二复合材料也可以由悬浮在树脂基质中的碳纤维制成。
[0034] 在采用碳纤维的情况下，可将碳纤维织造到堆叠在彼此上的多层碳纤维织物中。
[0035] 可预期的是，第三粘合剂层和第四粘合剂层可包含2-丁酮、四溴双酚A、环氧树 月旨、双氰胺和二氨基二苯砜。
[0036] 还可预期的是，第三粘合剂层和第四粘合剂层为膜粘合剂。
[0037] 第三粘合剂层和第四粘合剂层可具有约225-350°F(105_175°C)的固化温度。
[0038] 第三粘合剂层和第四粘合剂层可具有约0. 030-0. 080psf(145-390gsm)之间的重 量和约0. 005-0. 013英寸（0. 13-0. 33mm)之间的厚度。
[0039] 或者，第三粘合剂层和第四粘合剂层可具有约0·03-0. 05psf(145-245gsm)之间 的重量。如果是这样的话，则第三粘合剂层和第四粘合剂层在75°F(24°C)下可具有约 5770-6000psi(39. 8-4L4MPa)之间的搭接剪切强度。
[0040] 在一个可预期的实施方案中，第三粘合剂层和第四粘合剂层在组成上相同。
[0041 ] 在另一个可预期的实施方案中，第一粘合剂层和第二粘合剂层在组成上相同。
[0042] 可预期的是，第一粘合剂层在第一时间段时胶化并且第三粘合剂层在第二时间段 时胶化。可预期第一时间段和第二时间段在彼此的± 15%、± 10%、±7%、±6%、±5%、 ±4%、±3%、±2%或±1%中的至少一个的范围内。
[0043] 可预期的是，第一粘合剂层在固化周期期间具有第一最小粘度；第三粘合剂层在 固化周期期间具有第二最小粘度；并且第二最小粘度是第一最小粘度的至少两倍大。
[0044] 在以1°F/min(0. 56°C/min)的速率加热时，第三粘合剂层和第四粘合剂层在固化 周期期间可具有约2200P的最小粘度。
[0045] 或者，在以3°F/min(或1. 68°C/min)的速率加热时，第三粘合剂层和第四粘合剂 层在固化周期期间可具有约1500P的最小粘度。
[0046]另外，在以5°F/min(或2. 80°C/min)的速率加热时，第三粘合剂层和第四粘合剂 层在固化周期期间可具有约1420P的最小粘度。
[0047] 可预期的是，第三粘合剂层和第四粘合剂层具有约167min(±10%)的胶化时间。
[0048] 或者，第三粘合剂层和第四粘合剂层可具有约127min(±10%)的胶化时间。
[0049] 另外，第三粘合剂层和第四粘合剂层可具有约119min(± 10% )的胶化时间。
[0050] 本发明还提供一种制造复合材料的方法，所述方法包括提供具有顶面和底面的蜂 窝层，所述蜂窝层具有在其中限定了多个巢室的多个壁；提供相邻于蜂窝层的顶面的第一 粘合剂层；提供相邻于蜂窝层的底面的第二粘合剂层；提供相邻于蜂窝层的顶面上的第一 粘合剂层的第三粘合剂层；提供相邻于蜂窝层的顶面上的第三粘合剂层的第一复合层；提 供相邻于蜂窝层的底面上的第二粘合剂层的第二复合层；以及固化蜂窝层、第一粘合剂层、 第二粘合剂层、第三粘合剂层、第一