具有带有软化带的接头的复合罐及制造该罐的方法

具有带有软化带的接头的复合罐及制造该罐的方法
【专利摘要】一种复合树脂罐包括沿着接头接合到圆顶的壁。软化带位于所述接头中。
【专利说明】具有带有软化带的接头的复合罐及制造该罐的方法

【技术领域】
[0001] 本公开总体上涉及经受低温的复合材料结构，更具体地，涉及在空间探索和运载 火箭（launch vehicle)中使用以包含诸如处在低温下的推进剂这样的液体的罐（tank)。

【背景技术】
[0002] 可以特定设计某些结构用于在低温环境中使用。例如，航天器和运载火箭可以采 用罐来储存固体推进剂或液体燃料（诸如处在低温（通常低于-238华氏温度）下的液 态氢和/或液态氧）。为了降低航天器或运载火箭的重量，罐可以由通过一个或更多个接 头（joint)彼此附接的若干复合材料部件形成。在这样一个应用中，复合罐包括圆柱形外 壁，该圆柱形外壁具有通过经接合的搭接接头接合到圆顶形（dome-shaped)端部的边缘 (skirt)，该搭接接头具有Y形横截面。
[0003] 在大直径（例如，比约14到16英尺更大的直径）的复合低温罐中，接合接头中的 线载荷可以在该接头中导致不可接受的高水平的峰值应力，呈现出接头泄漏的可能性。为 了增加Y形接头的强度，可以在接头的凹口区域中放置软化带。软化带可以通过使得在结 构之间实现更平滑的载荷传递来减小出现在接合线中的剪应力峰值。这可以在环境温度下 使用由诸如橡胶这样的材料形成的软化带来实现，但是，在低温下，橡胶和许多其它传统材 料不会保持软性（soft)，而是硬化。一旦在低温下硬化，软化带就可能不再能够控制接头中 的剪应力。
[0004] 可以被用作软化带的已知的材料在低温环境下存在若干其它问题。例如，这样的 材料通常具有可能与具有相对低的热膨胀系数（CTE)的接头的其它复合材料组件不兼容 的CTE。CTE的这种不匹配可以在处于低温下的接头中产生不期望的热致应力。增加设计 有效的软化带的挑战是以下的事实：软化带必须在罐的其它复合树脂组件被热固化的温度 下保持稳定。另外，理想的是软化带能够被机械地加工成特定于特定接头应用的形状。
[0005] 因此，需要不会遭受由于在经接合的罐接头中的峰值应力所导致的泄漏的复合材 料结构（诸如大直径罐）。还需要用于制造在罐接头中使用软化带的复合罐的方法，该软化 带能够减小峰值应力并且在低温下保持有效。


【发明内容】

[0006] 所公开的实施方式提供了像适合于在低温环境中使用的罐这样的复合材料结构。 该罐可以被用在空间探索和运载火箭中以包含诸如处在低温下的推进剂这样的液体。该罐 可以包括通过经接合的搭接接头附接到圆顶端部的圆柱形罐壁。这些实施方式包括位于所 述接头中的每一个中用于减小该接头中的峰值应力的软化带。软化带在低温下保持柔性、 灵活和柔度（compliant)。软化带使由线载荷通过接头的传递所造成的应力线性化，并且在 用于罐壁和圆顶中的热固性树脂被固化的温度下保持稳定。
[0007] 根据一个所公开的实施方式，一种罐包括：复合罐壁；复合罐圆顶；以及接头，其 位于所述壁和所述罐圆顶之间。该罐还包括：软化带，其在位于所述罐和所述圆顶之间的所 述接头中。所述接头可以是Y形接头，并且所述软化带的横截面为楔形并接合到所述罐壁 和所述罐圆顶以用于控制所述Y形接头中的应力。所述软化带包括具有涂覆有塑性粘合剂 (plastic binder)的纤维的三维织物。所述三维纤维包括编织纤维、编结纤维和层叠纤维 层中的一个，并且所述纤维可以是石墨纤维。所述纤维沿着三条基本正交的轴线延伸。在 一个应用中，所述纤维具有在约2到15微米的范围内的直径。所述塑性粘合剂是聚合物， 该聚合物在室温和低温二者下是适形的。所述塑性粘合剂可以是含氟聚合物，该含氟聚合 物在低于约-150° F的温度下具有弹性柔度（elastic compliance)并且在高达约400° F 的温度下具有稳定性。所述三维织物是多孔的，并且所述纤维和所述塑性粘合剂在室温和 低温二者下是柔性的。
[0008] 根据另一个实施方式，提供了一种航天器运载火箭。该运载火箭包括：具有基本圆 柱形的壁和至少一个第一圆顶的复合树脂罐。所述壁沿着接头接合到所述圆顶。软化带位 于所述接头中以减小所述接头中的峰值剪应力。所述软化带包括：具有三维放置的纤维的 织物；以及位于在低温下是柔性的热塑性塑料的纤维上的涂层。所述织物是多孔的，并且所 述纤维在低温下是柔性的。所述壁和所述圆顶中的每一个都由具有固化温度的热固性树脂 形成的，并且所述热塑性塑料具有比所述热固性树脂的所述固化温度更高的熔点。所述热 塑性塑料可以是氟化乙烯丙烯。所述纤维是柔性的并在低温下相对于彼此可移动。
[0009] 根据又一个实施方式，提供了一种用于制造经受低温的罐的方法。该方法包括： 铺设复合树脂壁和至少一个复合树脂圆顶；沿着接头将所述壁接合到所述圆顶；制造软化 带；以及通过在所述壁和所述圆顶之间的所述接头中放置所述软化带来减小所述接头中的 峰值应力。制造所述软化带包括：提供织物；以及使用在低温下是柔性的热塑性粘合剂涂 覆所述织物。涂覆所述织物通过以下步骤来执行：将所述织物浸泡在包含热塑性粘合剂的 水溶液中；以及干燥所述织物。涂覆所述织物还包括：通过将所述经浸泡的织物放置到真 空中来从所述水溶液中去除气泡。涂覆所述织物还包括：熔化所述热塑性粘合剂。制造所 述软化带还可以包括：机械地加工经涂覆的织物。机械地加工经涂覆的织物可以采用冷加 工（cold working)工艺来执行。在所述接头中放置所述软化带包括：将所述软化带接合到 所述复合树脂壁和所述复合树脂圆顶。所述方法还可以包括：共同接合所述复合树脂壁、所 述复合树脂圆顶和所述软化带。
[0010] 根据本公开的一个方面，提供了一种罐。该罐包括：复合罐壁；复合罐圆顶；接头， 其位于所述壁和所述罐圆顶之间；以及软化带，其在位于所述罐和所述圆顶之间的所述接 头中。有利地，所述接头是Y形接头，并且所述软化带具有楔形横截面并接合到所述罐壁和 所述罐圆顶以用于控制所述Y形接头中的应力。有利地，所述软化带包括三维织物，该三 维织物具有涂覆有塑性粘合剂的柔性纤维。优选地，所述纤维包括沿着三条基本正交的轴 线延伸的纤维。优选地，所述纤维包括具有在约2到15微米的范围内的直径的纤维。优选 地，所述塑性粘合剂是聚合物，该聚合物在室温和低温二者下是适形的。优选地，所述塑性 粘合剂是含氟聚合物，该含氟聚合物在低于约-150° F的温度下具有弹性柔度并且在高达 约400° F的温度下具有稳定性。优选地，所述三维织物是多孔的，并且所述纤维和所述塑 性粘合剂在室温和低温二者下是柔性的。
[0011] 根据本公开的一个方面，提供了一种飞行器运载火箭。该飞行器运载火箭包括：复 合树脂罐，该复合树脂罐包括：基本圆柱形的壁和至少一个第一圆顶；接头，所述圆柱形壁 沿着该接头接合到所述圆顶；以及软化带，其位于所述接头中用于减小所述接头中的峰值 剪应力。有利地，所述软化带包括：具有三维放置的纤维的织物；以及位于在低温下是柔性 的热塑性塑料的纤维上的涂层。优选地，所述织物是多孔的，并且所述纤维在低温下是柔性 的。优选地，所述壁和所述圆顶中的每一个都由具有固化温度的热固性树脂形成的，并且所 述热塑性塑料具有比所述热固性树脂的所述固化温度更高的熔点。优选地，所述热塑性塑 料是氟化乙烯丙烯。优选地，所述纤维是柔性的并在低温下相对于彼此可移动。
[0012] 根据本公开的一个方面，提供了一种用于制造经受低温的罐的方法。该方法包括： 铺设复合树脂壁和至少一个复合树脂圆顶；沿着接头将所述壁接合到所述圆顶；制造软化 带；以及通过在所述壁和所述圆顶之间的所述接头中放置所述软化带来减小所述接头中的 峰值应力。有利地，制造所述软化带的步骤包括：提供具有柔性纤维的三维织物；以及使用 在低温下是柔性的热塑性粘合剂涂覆所述柔性纤维。有利地，涂覆所述纤维的步骤通过以 下步骤来执行：将所述织物浸泡在包含热塑性粘合剂的水溶液中；以及干燥所述织物。优 选地，涂覆所述纤维的步骤还包括：从所述水溶液中去除气泡。优选地，去除所述气泡的步 骤通过以下步骤来执行：通过将所述经浸泡的织物放置到真空中。优选地，涂覆所述纤维的 步骤还包括：熔化所述热塑性粘合剂。优选地，制造所述软化带的步骤还包括：机械地加工 经涂覆的织物以使所述纤维松散。优选地，机械地加工经涂覆的织物的步骤采用冷加工工 艺来执行。有利地，在所述接头中放置所述软化带的步骤包括：将所述软化带接合到所述复 合树脂壁和所述复合树脂圆顶。有利地，所述方法还包括：共同接合所述复合树脂壁、所述 复合树脂圆顶和所述软化带。
[0013] 这些特征、功能和优点可以在本公开的各种实施方式中独立地实现，或者在其它 实施方式中可以被组合，其中，参照下面的描述和附图能够看出进一步的细节。

【专利附图】

【附图说明】
[0014] 公开的实施方式的特性的新颖特征在所附权利要求书中进行了阐述。然而，这些 公开的实施方式以及优选使用模式、其进一步的目的和优点将通过在结合附图阅读时参考 本公开的实施方式的以下详细描述而最好地理解，其中：
[0015] 图1是示出了可在实施方式中实现的航天器制造和维护方法的图的图示；
[0016] 图2是示出了可在实施方式中实现的航天器的图的图示；
[0017] 图3是示出了根据所公开的实施方式的航天器的图的图示；
[0018] 图4是根据所公开的实施方式的航天器的图的图示；
[0019] 图5是根据所公开的实施方式的运载火箭的横截面部分的图的图示；
[0020] 图6是根据所公开的实施方式的接头的图的图示；
[0021] 图7是示出了根据所公开的实施方式的软化带的图的图示；
[0022] 图8是示出了根据所公开的实施方式的三维预型件（preform)的图的图示；
[0023] 图9是示出了根据所公开的实施方式的软化带的图的图示；
[0024] 图10是根据所公开的实施方式的用于产生Y形接头的过程的流程图的图示；
[0025] 图11是根据所公开的实施方式的用于产生用于罐的Y形接头的过程的流程图的 图示；
[0026] 图12是根据所公开的实施方式的用于在复合低温罐和复合材料边缘之间产生Y 形接头的过程的流程图的图示；
[0027] 图13是根据所公开的实施方式的用于产生软化带的过程的流程图的图示；
[0028] 图14是具有涂覆有塑性粘合剂的纤维的三维织物预型件的另选实施方式的立体 图的图示，为清楚起见，某些交叉纤维被放大；
[0029] 图15是沿着图14中的线15-15截取的剖面图的图示；
[0030] 图16是在被涂覆有塑性粘合剂之前形成织物预型件的一部分的交叉纤维的立体 图的图不；
[0031] 图17是类似于图16的图示，但示出了被涂覆有塑性粘合剂后的纤维，虚线表示由 接头载荷所造成的经涂覆的纤维的移位部分；
[0032] 图18是在图3、图5和图6中所示的Y形接头中的沿着其长度的剪应力的曲线图 的图示；
[0033] 图19是使用图14中所示的织物预型件制造软化带的方法的流程图的图示；
[0034] 图20是通过棍乳成形机（roll forming machine)传送的织物预型件的示意图的 图示；
[0035] 图21是形成在两个模具（die)之间的织物预型件的侧视图的图示；以及
[0036] 图22是用于制造在低温环境中使用的罐的方法的流程图的图示。

【具体实施方式】
[0037] 更具体地参照附图，可以在如图1中所示的航天器制造和维护方法100以及如图 2中所示的航天器200的情况下来描述本公开的实施方式。首先转到图1，根据一个所公开 的实施方式描述了例示航天器制造和维护方法的图。
[0038] 在预生产期间，示例性的航天器制造和维护方法100可以包括图2中的航天器200 的规范和设计102以及材料采购104。在生产期间，进行图2中的航天器200的组件和部件 (subassembly)制造106以及系统集成108。此后，图中2的飞行器200可以经历认证和交 付110以便投入使用112。虽然由客户在使用，但是图2中的航天器200被安排日常维护和 服务114,其可以包括修改、重新配置、翻新和其它维修或保养。
[0039] 航天器制造和维护方法100的过程中的每一个可以由系统集成商、第三方和/或 运营商来执行或进行。在这些示例中，运营商可以是客户。出于该描述的目的，系统集成商 可以包括但不限于任何数目的航天器制造商和主系统分包商；第三方可以包括例如但不限 于任何数目的销售商、分包商和供应商；并且运营商可以是国家、租赁公司、军事实体、服务 机构等。
[0040] 现在参照图2,描述航天器的图，其中，实施方式可以被实现。在该示例中，航天器 200可以通过图1中的航天器制造和维护方法100来生产。航天器200可以包括具有多个 系统204和内部206的结构202。系统204的示例包括例如但不限于一个或更多个推进系 统208、电气系统210、液压系统212和环境系统214。可以包括任意数目的系统。此外，在 某些实施方式中，所述系统中的某些可以是不需要的。例如，当航天器200采取运载火箭的 形式时，环境系统214可能是不必要的。
[0041] 本文中所实现的装置和方法可以在图1中的航天器制造和维护方法100的多个阶 段中的任何一个的过程中被使用。例如，在图1中的组件和部件制造106中生产的组件或 部件可以以与当航天器200在图1中的投入使用112中时生产组件或部件的方式相似的方 式来制造或生产。
[0042] 此外，作为示例但不限于此，可以在生产阶段（诸如图1中的组件和部件制造106 以及系统集成108)期间利用一个或更多个装置实施方式、方法实施方式或其组合。这些实 施方式可以基本上加快航天器200的组装或降低航天器200的成本。
[0043] 在这些实施方式中，实施方式可以被实现为将推进系统208中的组件附接到航天 器200中的结构202。不同的实施方式可以被应用到将航天器200内的任何结构附接到其 它实施方式中的任何其它结构。
[0044] 不同的实施方式考虑到，可能需要增加航天器与包含高于相对于各种力的当前水 平的推进剂的罐的结构之间的当前可用的接头的强度。接头上的力可以包括例如但不限于 在航天器与罐的结构之间的接头处的剪力。当前的罐可以是通常使用焊接接头的金属罐。 在这些示例中，接头可以采取Y形接头的形式。复合罐可以被用于提供金属罐上的重量节 省。然而，使用这些类型的复合罐，Y形接头具有使用当前可用的Y形接头的设计和技术可 能无法实现的增加的强度。
[0045] 不同的实施方式可以使用软化带来扩大两个结构之间的经接合的Y形接头的强 度。例如，但不限于，当前可用的大型固体火箭发动机可以在Y形接头中使用橡胶软化 带。不同的实施方式考虑并认识到，困难可以存在于找到用于软化带的适当的材料，该材料 可以用于不同的工作温度。使用低温罐，这些温度可以是非常低的温度，例如但不限于低 于-238华氏温度。这些温度也可以被称作低温。
[0046] 不同的实施方式认识到，适当的材料可以在不同的工作温度下保持软性。如目前 用在固体火箭发动机使用的橡胶材料可能不能在低温下使用，因为这些材料可能变得太 硬。所需的材料可以然而在低温下保持相对于粘附体（adherend)的软性。被粘物可以是 通过接合剂（adhesive)物质附接到另一个主体的主体。
[0047] 不同的实施方式还考虑并认识到，软化带可以具有可匹配或在粘附体的某些阈值 极限内以防止由热致应力导致的接头故障的热膨胀系数。
[0048] 因此，不同的实施方式提供了一种用于增强或形成接头（诸如，例如但不限于Y形 接头）的方法和装置。在这些不同的实施方式中，可以存在三维预型件，其中，塑料基体浸 渍到三维预型件中以形成软化带。这种软化带能够在材料具有液体形式的温度以及该材料 在室温下具有气体形式的温度下保持柔性。换句话说，这些不同的实施方式可以使用在气 体具有液体状态或形式的温度下。作为示例，但不限于，软化带能够在低温下保持柔性。低 温可以是空气的成分可液化的温度。低温可以是例如低于约-150摄氏度的温度。
[0049] 现在参照图3,根据另一个实施方式描述例示了航天器的图。航天器300是图2中 的航天器200的示例。在该示例中，航天器300可以包括结构302和结构304。结构302可 以是为航天器300中的其它组件提供框架或其它支撑的航天器的结构。在该示例中，结构 304可以是例如但不限于罐306。当然，结构304可以是可位于待附接到结构302的航天器 300内的任何其它组件。
[0050] 结构302的表面308可以被附接到结构304的表面310以形成接头312。在这些 示例中，接头312可以采取Y形接头314的形式。在这些示例中，可以通过将表面308接合 到表面310来进行附接。接合可以是用于将组件或结构相互紧固的工艺。在这些示例中，可 以以多种不同的方式来执行接合。接合可以包括例如但不限于使用接合剂、焊接、紧固件、 固化工艺或某些其它适当的工艺。
[0051] 不同实施方式可以被应用到任何类型的结构接头，诸如，例如但不限于将邻近最 短的、最硬的载荷路径的峰值加载到接头中并且随后朝更长、更软的载荷路径减小的接头。 任何广泛的剪力承载搭接接头可能趋于在接头的边缘处比在远离这些边缘处更迅速地传 递载荷。这种情况可能是贯穿结构的载荷分布与可用载荷路径的相对刚度成正比的结果。
[0052] 给定相同的横截面面积，短载荷路径可能比长载荷路径更硬。这种情况可以在接 头端部处产生常见的剪力峰值现象。如果能够在这样的接头的开始以外产生附加的软载荷 路径，则总载荷的一部分就可以通过该附加的路径被传递，从而降低待由初始接头承载的 载荷并减小剪力峰值。这可能是软化带的特征。
[0053] 某些接头中的改进可以是使软化带逐渐变细，使得次级载荷路径的刚度可以随着 载荷接近初始接头不断增加。这个特征可以导致剪力在整个接头上以一致低水平更均匀地 传递。可以出现这种传递，而不是简单搭接接头的突然剧增剪力特性，或者可以通过使用均 匀厚度的软化带来产生两个更适中的剪力峰值。
[0054] 在这个描述的示例中，可以将带316附接到在接头312中和/或邻近接头312的表 面308和表面310。带316可以用作软化带以增加接头312相对于可以被施加到接头312 的力的强度。这些力可以包括例如但不限于结构302和结构304上的剪力。在这些示例中， 剪力可以是在线318的方向上施加到结构302和结构304的力。
[0055] 在不同的实施方式中，带316可以包括三维预型件320和塑料基体322。三维预型 件320可以是三维结构，并且可以采取三维织物324的形式。该织物可以是例如但不限于 包括以下项中的至少一个的织物：编织纤维、编结纤维和层叠织物层和/或某些其它适当 的材料。当使用纤维时，这些纤维可以包括例如但不限于石墨纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、金 属纤维或任何其它适当的结构纤维。
[0056] 如在本文中使用的，当短语"……中的至少一个"与多个项的列表一起使用时，其 意味着可以使用这些项中的一个或更多个的不同的组合并且可能需要该列表中的各项中 的仅一个。例如，"项A、项B和项C中的至少一个"可以包括例如但不限于项A、或者项A和 项B。该示例还可以包括项A、项B和项C、或者项B和项C。
[0057] 塑料基体322可以包括可在罐306的工作温度下保留或提供柔性的任何塑料材 料。罐306的工作温度可以是处在低温或接近低温的温度。在这些示例中，塑料可以是任 何合成的或半合成的聚合材料或产品。聚合可以是在化学反应中一起反应的单体分子以形 成直链或聚合物链的三维网络的工艺。可以使用的示例类型的塑料包括例如但不限于氟碳 化合物和聚氨酯橡胶。可以使用的氟碳化合物的一个示例是Teflon?聚合物。Teflon?是杜 邦公司的注册商标。
[0058] 以这种方式，罐306可以使用被形成的、在其内可以存在带316的接头312附接到 结构302。带316的使用可以提供额外的增强，以增加强度来抵抗各种力（诸如，例如但不 限于可以被施加到结构304和罐306的剪力）。
[0059] 提供图3中的航天器300的图示来例示针对各种实施方式的一种实现。该图示并 不意味着暗示对可以实现不同实施方式的方式在架构上或物理上的限制。例如，结构302 和结构304可以是除了航天器300以外的另一载具内的结构。例如，结构可以是存在于飞 行器中的结构。在其它实施方式中，航天器300可以采取航天器的形式，诸如，例如但不限 于航天飞机、运载火箭、航天飞机和运载火箭的组合、或者能够太空旅行的某些其它适当的 载具。
[0060] 现在参照图4,根据实施方式描述了航天器的图。在该示例中，运载火箭400是图 3中的航天器300的一种实现的示例。运载火箭400具有前部部分（forward section)402 和后部部分（aft section)404。运载火箭400可以具有纵向轴线406。运载火箭400是航 天器的示例，其中，可以实现图3中的Y接头314。部分408可以是运载火箭400的一部分 的示例，其中，可以被找到和/或实现Y形接头314。
[0061] 现在参照图5,根据实施方式描述了运载火箭的横截面部分的图。在该图中，示出 了运载火箭400的部分408沿着纵向轴线406的横截面。
[0062] 在本示例中，箭头501指向运载火箭400的向前部分，而箭头503指向运载火箭 400的后部部分。
[0063] 在该说明性示例中，运载火箭400中的罐504可以包括圆顶506、圆顶508和壁 510。在这些示例中，壁510可以是圆柱形的壁。壁510可以被附接到前部边缘512和后部 边缘514。壁510可以位于前部边缘512和后部边缘514之间。在该示例中，壁510可以是 罐504的受压部分，而前部边缘512和后部边缘514可以位于罐504的未受压部分处。
[0064] 前部边缘512和后部边缘514是罐504可以被附接到的结构的示例。在这些示例 中，这些不同的结构可以是圆柱形状，其中，在图5中只可以看到一个横截面。在该描述的 示例中，可以存在Y形接头520和Y形接头522。Y形接头520可以由圆顶506、壁510和前 部边缘512的交叉形成。Y形接头522可以由圆顶508、壁510和后部边缘514形成。在这 些示例中，Y形接头520和Y形接头522在围绕轴524的圆周方向上可以是连续的。
[0065] 在这些实施方式中，罐504可以采取复合低温罐的形式。罐504可以容纳推进剂， 诸如，例如但不限于液态氢和/或液态氧。在该示例中，罐504可以容纳液态氢。在该示例 中，罐504的直径可以大于约16英尺。在下面在图6中示出了部分530中的Y形接头520 的更详细的图示。
[0066] 现在转到图6,根据进一步的实施方式描述了接头的图。如部分530中所示，前部 边缘512可以包括外侧壳体（skin)600、芯（core)602和内侧壳体604。在该示例中，外侧 壳体600和内侧壳体604可以面板（face sheet)，芯602位于这些面板之间。芯602可以 是低密度结构元件。除了其它用途以外，芯602可以被用于传递外侧壳体600和内侧壳体 604之间的载荷。芯602可以采取各种形式。例如，芯602可以具有凹槽（flute)、蜂窝或 其它适当的形式。在这些示例中，凹槽结构可以是用于芯602的所期望的结构。
[0067] 在该说明性示例中，Y形接头520可以被形成在圆顶506、壁510和前部边缘512 的交叉处。Y形接头520可以具有软化带606,该软化带606位于Y形接头520中或靠近Y 形接头520。软化带606可以被接合到内侧壳体604和罐504。
[0068] 在不同的实施方式，软化带606可以连同内侧壳体604到罐504的接合一起共同 接合到内侧壳体604和罐504。换句话说，这些不同的组件可以同时被共同接合到彼此。在 这些示例中，共同接合可以采取一种或更多种固化工艺的形式，其中，在软化带606、内侧壳 体604和罐504中的复合材料组件可以被固化以将这些组件相互接合。
[0069] 出于描述不同的实施方式可以实现的一种方式的目的，提供了罐504的图示。在 不同的实施方式中，软化带606可以被应用于其它的罐和/或边缘几何形状。例如，虽然罐 504被示出具有圆柱形壁，但是可以使用其它的罐结构。作为示例，可以使用用于壁510的 锥形壁。另外，其它的罐可能不容易对称。不管罐504的结构或形状，都可以使用Y形接头。
[0070] 现在参照图7,根据实施方式描述例示了软化带的图。在所例示的示例中，软化带 606按照立体图被示出。该示例中的软化带606的图示仅是软化带606的一部分。软化带 606可以是圆形的形状，以遵循壁510的周界（perimeter)。软化带606的尺寸可以根据特 定的实现而改变。在该示例中，软化带606的端部700可以在部分708具有约0. 2英寸的 厚度。在这些示例中，端部702可以具有薄至可用来防止在Y形接头520中引入应力梯级 (riser)的厚度。在这些说明性示例中，基于制造和/或处理容易，端部702的厚度可以与 实用的一样薄。
[0071] 相对于软化带606在Y形接头520中的使用，如部分710中所示的从端部700到 端部702,软化带606可以具有约4英寸的长度。另外，在这些示例中，软化带606可以围绕 罐504的整个圆周延伸。软化带606的其它尺寸可以根据特定的实现而改变。当然，软化 带606可以具有待放置在结构之间的接头中的Y形部分或其它空间内所需的任何尺寸。虽 然针对软化带606示出了恒定的和/或一致的横截面，但是横截面可以根据接头的结构而 改变。
[0072] 软化带606可以以适合在如图6中所示的Y形接头520内的方式而成形。在该示 例中，软化带606可以具有楔形形状，其中，软化带606在端部700处比在端部702可以更 厚。
[0073] 软化带606的侧面705上的搭接面（faying surface) 704可以被接合到图6中的 内侧壳体604,而软化带606的侧面707上的搭接面706可以被接合到图5中的罐504。软 化带606可以与形成如图6中所示的Y形接头520的其它组件被共固化。
[0074] 现在参照图8,根据实施方式描述了三维预型件的图。预型件800是图3中的三维 预型件320的示例。
[0075] 在该说明性示例中，预型件800可以是编织的三维石墨纤维预型件。当然，其它类 型的材料和其它类型的结构也可以被用于预型件800。可以在预型件800中使用的材料的 其它示例包括例如但不限于玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、聚乙烯纤维和其它适当的结构。 预型件800可以由编结纤维或者层叠的或层状的织物形成。织物材料的层叠可以随后使用 z形钉扎（z-pinning)被保持在一起，其中，可以在高压荃中使用压力将钉（pin)插入并推 入到织物的层叠内。作为另一个示例，可以在由箭头802所指示的第三维中将用于预型件 800的织物材料彼此缝在一起。
[0076] 现在参照图9,根据实施方式描述了例示软化带的图。在该示例中，预型件800可 能已经被注入塑料基体900。可以使用适合于将塑料基体900放置到预型件800中的任何 方法或工艺来将塑料基体900内的塑料材料放置到预型件800中。
[0077] 在这些示例中，塑料基体900可以是能够在当材料通常可以在环境温度下处于气 态时该材料可以处于液态的温度下保持柔性的任何塑料材料。在这些示例中，环境温度可 以是航天器周围的环境的温度。换句话说，当航天器在地面上时，环境温度可以是该航天器 周围的空气的温度。
[0078] 预型件800和塑料基体900的这种组合形式软化带902。随后，可以使用某些其它 适当的工艺来将软化带902机械地加工、切割和/或成形为一形状（诸如用于在Y形接头 中使用的图6中的软化带606)。
[0079] 预型件800可以抑制软化带902过度热收缩，该过度热收缩可以与高膨胀系数相 关联。这些高膨胀系数可能是软化带基体材料（诸如用于塑料基体900的那些软化带基体 材料）的特点，该软化带基体材料可以在低温下保持柔性。在任何方向上的过度收缩都可 以在软化带902和任何相邻结构之间的接合线中产生热致应力。这些类型的应力可以弱化 接头。其结果是，软化带902可以与预型件800 -起被构造以提供三维增强，而不是两维增 强。
[0080] 接下来参照图10,根据实施方式描述了用于在结构中产生Y形接头的过程的流程 图。可以使用图10中所例示的过程来在第一结构和第二结构之间产生接头。
[0081] 该过程开始于将软化带放置到针对第一结构的接头区域中（操作1000)。软化 带能够在气体具有液态的温度下保持柔性。该过程接着铺设和/或布置第二结构（操作 1002)。此后，将软化带接合到第一结构和第二结构以形成接头（操作1004)，此后该过程结 束。可以使用各种机制（包括共固化、固化或其它适当的接合技术）来执行这种接合。
[0082] 参照图11，根据实施方式描述了用于产生用于罐的Y形接头的过程的流程图。图 11中所例示的过程可以是图10中的过程的一种实现的详细示例。可以使用图11中所例示 的过程来在复合低温罐和复合材料边缘之间产生Y形接头。
[0083] 该过程可以开始于铺设罐的圆顶和壁（操作1100)。此后，可以将软化带放置到接 头区域中（操作1102)。在操作1002中，可以使用粘合膜将软化带放置到该区域中。
[0084] 接下来，铺设边缘结构（操作1104)。可以在圆顶和壁可连同软化带一起所处的区 域上铺设边缘结构。接着固化组件（操作1106)，此后该过程结束。可以使用热和/或压力 来执行固化步骤。可以使用高压釜或某些其它适当的炉来执行这种固化。在其它实施方式 中，可以使用电子束来固化这些组件。固化操作1106的结果可以是与图5中的接头520相 似的接头。
[0085] 现在参照图12,根据实施方式描述了用于在复合低温罐和复合材料边缘之间产生 Y形接头的过程的另一个流程图。
[0086] 该过程可以开始于在工具上铺设罐壁的圆顶和内侧面板并且固化该铺设（操作 1200)。圆顶可以是例如但不限于圆顶506,而罐壁的面板可以是壁，诸如，例如但不限于图 5中的壁510。在这些示例中，工具可以是用于不同复合材料组件成形的模具（mold)。
[0087] 该过程可以在软化带上的搭接面704和706上放置膜粘合剂（film adhesive)(操 作1202)。操作1202中的软化带可以是软化带，诸如，例如但不限于图7中的软化带606。 在这些示例中，搭接面704和706是待接合到另一结构的一结构的表面。换句话说，当两个 结构被相互接合时，相互接触以形成接头的表面可以被称作搭接面。
[0088] 该过程接着可以对罐的圆顶和内侧面板上的接合剂布置软化带（操作1204)。该 过程接着可以使用局部加热毯来固化将软化带接合到罐的接合剂（操作1206)。在操作 1206之后，可以将软化带接合到罐壁。随后可以在罐壁上的适当位置将软化带修整成最终 形状（操作1208)。该过程接着可以布置边缘工具并将该边缘工具附接到罐工具（操作 1210)。
[0089] 该过程接着可以在边缘512的内壁的搭接面704和706上放置膜粘合剂（操作 1212)。该过程接着可以铺设该边缘的内壁并将组件固化在适当的位置（操作1214)。
[0090] 接下来，可以在边缘512和芯602的搭接面704和706上放置接合剂（操作1216)。 芯602可以是位于结构的壁的两个面板之间的结构元件。该过程接着可以铺设壁夹层芯和 外侧面板并将组件固化在适当的位置（操作1218)，此后该过程结束。在操作1218中，外侧 面板可以是例如图6中的外侧壳体600。
[0091] 现在参照图13,根据实施方式描述了用于产生软化带的过程的流程图。可以使用 图13中所例示的过程来产生用于在图11和图12中的操作中使用的软化带。
[0092] 该过程可以开始于形成三维预型件（操作1300)。在这些示例中，可以使用例如但 不限于将编织纤维、编结纤维、层叠材料并进行z形钉扎、或某些其它适当的工艺来执行操 作 1300。
[0093] 接下来，可以将塑料基体注入到三维预型件中（操作1302)。在这些示例中，塑料 基体可以是Td'lorr?聚合物。使用这种类型的聚合物，干粉可以被放置到三维预型件上并加 工成预型件。例如，操作1302中的注入可以包括使预型件振动并且随后施加热和压力来执 行到预型件中的注入。可以使用高压釜来执行操作1302中的热和压力。
[0094] 可以使预型件成形（操作1304)。在操作1304中，可以使用某些其它适当的工艺 来将预型件机械地加工、切割和/或成形为用于在Y形接头中使用的形状。该过程可以蚀刻 软化带的表面、搭接面704和搭接面706 (操作1306)。该蚀刻可以是酸蚀刻,，Tcrlra-ach? 氟碳蚀刻剂是用于为接合氟碳化合物表面做准备的市售蚀刻剂的示例。Tertm-Etch?氟碳 蚀刻剂可以从 W. L. Gore and Associates, Inc?得到，并且 Tertra-Etch? 是 W. L. Gore and Associates, Inc.的商标。可以使用该蚀刻来使得粘合膜能够附接到预型件的表面上。该 过程接着可以将粘合膜附接到软化带的每个侧面、侧面708和侧面707 (操作1308)，此后该 过程结束。接合带（adhesive strip)可以使得软化带能够在固化工艺期间附接并固化到 罐的边缘和圆顶。
[0095] 现在关注图14,图14例示了可以被放置在两个结构的表面之间的接头（诸如前面 描述的罐圆顶506与槽壁510之间的接头520 (图6))中的软化带1400的进一步的实施方 式。软化带1400起到控制接头520中的应力的作用，并且包括注入了塑性粘合剂的三维多 孔织物预型件1424。具体而言，软化带1400使接头520中的应力线性化，从而减小即使处 在低温下的接头520中的峰值应力。
[0096] 三维织物预型件1424包括被编织、编结、分层或以其它方式放置在一起的纤维 1402,使得纤维预型件1424在结构上是自支承的并且具有相对较高的应变能力。放置构成 的纤维1402以即使当在低温下受到应力时为纤维预型件1424提供韧性（resiliency)。纤 维1402可以包括但不限于碳纤维，所述碳纤维沿着基本正交的轴线1408、1410和1412来 放置，并且总体上成比例且均匀地分布在整个织物预型件1424,从而为纤维预型件1424提 供准各向同性的性质。然而在其它实施方式中，纤维1402不需要是正交、成比例或均匀分 布的。
[0097] 碳纤维的使用提供了具有高强度和相对低CTE的软化带1400,从而导致纤维预型 件1424是粘聚性的（cohesive)，可以被容易机械地加工成所期望的最终形状，并且能够在 罐的制造工艺期间来处理。可以使用其它纤维，包括但不限于玻璃纤维、芳纶纤维和金属纤 维，只要它们具有在低温下的必要强度和柔性即可。如本文所使用的，"低温"包括通常低于 约150华氏温度的温度。在一个实施方式中，可以使用具有在约2到15微米的范围内的直 径的纤维1402。
[0098] 当如下文所描述的烧结时，塑性粘合剂形成塑料涂层1414,该塑料涂层1414封装 纤维1402并且为纤维预型件1424提供足够的硬度，以使得该纤维预型件1424能够被机械 地加工成适合于该应用的最终期望的形状，同时提供软化带1400在低温下的弹性柔度和 柔度。塑性粘合剂可以包括前面描述的热塑性塑料中的任何一种，诸如但不限于FEP (氟化 乙烯丙烯），其具有约500华氏温度的熔点。其它的含氟聚合物的熔点也可以是适合的。针 对特定应用所选择的塑性粘合剂应当是弹性适形的并在室温和低温二者下具有足够的软 性和柔性，并且还应当在结构的复合材料热固性树脂组分被热固化的温度下保持稳定，该 温度通常可以是在约300到400华氏温度的范围内。另外，塑性粘合剂应当具有相当接近 于纤维1402的CTE的低CTE。选择纤维1402的材料和塑性粘合剂具有与在罐圆顶506和 罐壁510中所使用的复合树脂的CTE接近的CTE将使得接头520中的任何热致应力都最小 化。
[0099] 在图14中，织物预型件1424被示出为包括单独的基本正交纤维1402。然而，如 图15中所示，图14中所例示的纤维1402中的每一个都可以是包括多个相对小直径的互锁 纤维1402a的纱（yarn) 1402,该纱1402可能会被扭曲、接合或以其它方式连合在一起以形 成粘聚性的线（thread),有时在本领域中被称作"单线（single)"。因此，如本文中所使用 的，术语"纤维"意在包括单线纤维、纤维束或者单根纤维和纤维束的组合。
[0100] 参照图16,当最初被制造成三维预型件1424并且在此之前被涂覆有塑性粘合剂 时，正交纤维1402可以相交并彼此接触。如图17中所看到的，在纤维预型件1424被注入 了塑性粘合剂之后，所产生的塑料涂层1414环绕纤维1402并且可以封装交叉1416处的多 个纤维1402。然而，如图14中所示，在被涂覆有塑性粘合剂之前和之后二者，纤维1402之 间的间隔是以下这样的：织物预型件1424包含孔隙度1420,从而致使软化带1400是多孔 的。这种孔隙度有助于保持软化带1400在低温下的软性和柔性。
[0101] 参照图17,当载荷通过软化带1400传递时，坚固但有柔性的纤维1402可以相对于 彼此弯曲、折曲（flex)或以其它方式移动，从而吸收接头中的应力中的某些并减小峰值应 力。例如，当载荷通过接头520传递（图6)时，纤维1402可以单独地或一起移位或折曲到 由虚线1722所示的位置。当三维织物预型件1424中的单根纤维1402以这种方式移位时， 塑料涂层1414保持足够的软性和柔性，使得即使在低温下其也与纤维1402 -起折曲和移 动。
[0102] 图18例示了示出接头520(图6)中的应力t沿着其长度L的曲线图1800,其中， 软化带1400的长度表示为L1。虚线图线1810表示在没有使用软化带1400的接头520中 的应力，并且揭示了峰值应力1812出现在接头520的开始处。图线1804表示沿着软化带 1400的长度L1通过接头520传递的应力t。如从曲线图1800可看出，软化带1400有助 于控制和分发应力t，使得在接头的开始处的峰值应力t从在1812处所示的水平降到在 1806处所示的水平。
[0103] 现在关注图19,图19例示了用于制造软化带1400的方法的所有步骤。在1902处 开始，通过编织、编结或以其它适当的工艺来制造适当的三维织物预型件1424,其中，纤维 1402被组装在一起形成基本均匀的、自支承的结构。如前面所描述的，纤维1402可以包括 碳或者适合于应用并在低温下具有所需程度的强度和柔性的其它类型的纤维材料。随后在 1904处所示的一系列步骤中使用适当的塑性粘合剂来涂覆在步骤1902中所制造的织物预 型件1424。
[0104] 在步骤1906中，将三维织物预型件1424浸泡在塑性粘合剂材料（诸如但不限于 如前面所讨论的诸如FEP这样的热塑性塑料）的水溶液中。可以通过将塑性粘合剂的细干 颗粒引入到水或其它适当的液体载体中来做成水溶液，浓度取决于应用。塑性粘合剂的颗 粒可以在整个水溶液中保持分散，并且可以不沉降，从而避免了对溶液的定期搅拌或拌合 的需要。在1908处，可能有必要通过揉织物预型件1424来使水溶液进入织物预型件中， 这是由于这样的事实：纤维预型件1424可能被紧密编织，虽然是多孔的，但是可能不容易 使水溶液进入并彻底浸透该纤维预型件1424。织物预型件1424在水溶液中的这种"进入" 可以通过手工或使用导致织物预型件1424与水溶液之间的移动和搅拌的适当的机器来执 行。
[0105] 在步骤1910中，可以在将织物预型件1424仍浸泡在塑性粘合剂的水溶液中的同 时使该织物预型件1424经受真空，以便去除织物预型件1424内滞留的任何气泡并保证水 溶液彻底渗透织物预型件1424。气泡是不期望的，这是因为它们可以防止溶液弄湿纤维 1402。纤维预型件1424保持浸泡在水溶液中使该纤维预型件1424变得彻底渗透所需的时 间长度，使得所有的纤维1402都变湿。在步骤1912中，从水溶液中取出渗透的织物预型件 1424,并且随后使用任何适当的技术（包括但不限于简单的空气干燥）来干燥该织物预型 件1424。这个干燥过程导致水溶液中的塑性粘合剂颗粒互相粘附并粘附到纤维1402,从而 覆盖织物预型件1424的纤维1402。在步骤1914中，为了使塑性粘合剂的粘附粒子聚结成 统一的涂层，将经浸泡的织物预型件1424放置在炉中并在高到足以导致粘合剂颗粒的熔 化或烧结的温度下烘烤。在FEP被用作粘合剂材料时，可以在约620华氏温度的温度下实 现烧结。
[0106] 步骤1914中的烧结可以导致塑料涂层使织物预型件1424的纤维1402在交叉 1416处粘合在一起，从而使得该织物预型件1424没有期望的那么柔韧。为了实现在低温 下所期望的柔性和软性，可以在步骤1916中通过冷加工或形成加工来对经浸泡和烧结的 织物预型件1424进行机械地加工，正如将稍后更详细讨论的。经浸泡和烧结的织物预型件 的这种冷加工可能会使可以在纤维预型件1424的纤维1402之间（尤其是在交叉1416处） 创建的任何联结（bond)破裂，和/或可能会使塑料涂层1414断裂或开裂，从而使织物预型 件1424 "松散"，使得它更柔韧并且更适合于使处在低温下的接头520中应力线性化。
[0107] 如同在之前所描述的实施方式中的情况一样，在步骤1718中，可以使用任何适当 的加工技术将经涂覆的织物预型件1424机械地加工成与接头520的几何结构相匹配的形 状。在前面所讨论的圆顶形罐的情况下，织物预型件1424可以被机械地加工成锥形或楔形 的横截面，使得次级载荷路径的刚度随着载荷接近初始接头而不断增加。这个特征可以导 致剪力在整个接头上以一致的低水平更均匀地传递。
[0108] 现在关注图20,图20例示了一种用于冷加工扁平的、经浸泡的三维织物预型件 1424的技术。在该示例中，可以使用诸如辊轧成形机2002这样的装置来冷工作纤维预型 件1424并压缩它，以便使纤维1402和塑料涂层1414二者"松散"，如之前所描述的。辊轧 成形机1802可以包括在相反方向上旋转的一对辊2004。织物预型件1424被进给2006到 辊2004之间的辊隙（nip)2008中。根据辊2004的位置和结构，织物预型件1424可以被卷 成适合于应用的期望的轮廓或曲率。此外，根据应用，可以在冷加工纤维预型件1424之前 或之后对其进行机械地加工。
[0109] 图21例示了另一种用于同时冷加工织物预型件1424并使其成形为期望形状的技 术。在该示例中，使用分别具有匹配的模具表面2104和2106的一对匹配的模具2100和 2102来冷加工纤维预型件1424,而使其成形为期望的形状。可以在压机（未示出）中放置 匹配的模具2100和2102,并且将纤维预型件放置在模具2100和2012之间。压机使模具 2100中的一个移位2108,迫使纤维预型件1424进入第二模具2102,从而压缩并成形加工织 物预型件1424以使其成形。
[0110] 现在关注图22,图22例示了制造低温罐的方式的全部步骤，其中，软化带1400被 用来减小一个或更多个接头520中的峰值应力。开始于步骤2200,铺设复合树脂罐壁510 和罐圆顶506。罐壁510和罐圆顶506可以各自包括多层层叠的纤维增强的热固性树脂， 诸如但不限于使用诸如碳纤维这样的纤维增强的环氧基树脂或BMI (双马来酰亚胺）。在 步骤2202中，使用之前描述的并在图19中所示的过程来制造适当的软化带1400。在步骤 2204中，在铺设步骤2200的过程中在罐壁510和罐圆顶506之间的接头520中放置软化带 1400。软化带1400起到减小接头520中的应力（包括在低温下出现的那些应力）的作用。 在步骤2206中，共同接合罐圆顶506、罐壁510和软化带1400,如之前结合图10至图13所 描述的。
[0111] 流程图中所示的不同操作可以不包括可针对不同的实施方式执行的不同步骤的 全部。例如，可以在上文所例示的不同过程期间来执行其它操作，诸如，例如但不限于用于 接合、填隙、垫板电镀和其它适当的操作。此外，在某些实施方式中，根据特定的实现，操作 中的某些可以同时地或以不同的顺序来执行。
[0112] 因此，不同的实施方式提供了一种用于增加不同结构之间的接头的强度的方法和 装置。这些不同的实施方式可以包括三维预型件，而塑料基体被浸渍或浸泡到该三维预型 件中以形成软化带。这种软化带能够在环境温度下具有气体形式的材料具有液体形式的温 度下保持柔性。
[0113] 提供对不同的实施方式的描述是出于例示和说明的目的，并不旨在以所公开的形 式对实施方式进行穷尽或限制。对于本领域的普通技术人员来说，许多修改和变化将是明 显的。
[0114] 虽然不同的说明性实施方式示出了软化带在用于航天器的Y形接头中的用途，但 是这种软化带可以在除了航天器以外的其它物体中使用。例如，但不限于，软化带可以在用 于潜艇、航空器、建筑物、水坝、制造设施、发电厂、坦克、汽车或某些其它适当的物体中的结 构的接头中使用。
[0115] 此外，不同的实施方式相比于其它的实施方式可以提供不同的优点。选择并描述 所述实施方式或所选择的实施方式，以便最好地说明所述实施方式的原理和实际的应用， 并使得本领域的其它普通技术人员能够理解各种实施方式的公开和各种修改适合于预期 的特定应用。
【权利要求】
1. 一种罐306,该罐306包括： 复合罐壁510 ; 复合罐圆顶506 ; 接头520,所述接头520位于所述壁和所述罐圆顶之间；以及 软化带902,所述软化带902在位于所述罐和所述圆顶之间的所述接头中。
2. 根据权利要求1所述的罐，其中， 所述接头是Y形接头；并且 所述软化带的横截面为楔形，并且接合到所述罐壁和所述罐圆顶以控制所述Y形接头 中的应力。
3. 根据权利要求1或2所述的罐，其中，所述软化带包括三维织物，该三维织物具有涂 覆有塑性粘合剂的柔性纤维。
4. 根据权利要求3所述的罐，其中，所述纤维包括沿着三条基本正交的轴线延伸的纤 维。
5. 根据权利要求3或4中的任一权利要求所述的罐，其中，所述纤维包括具有在大约2 微米到15微米的范围内的直径的纤维。
6. 根据权利要求3、4或5中的任一权利要求所述的罐，其中，所述塑性粘合剂是聚合 物，该聚合物在室温和低温二者下是适形的。
7. 根据权利要求3、4、5或6中的任一权利要求所述的罐，其中，所述塑性粘合剂是含 氟聚合物，该含氟聚合物在低于大约-150° F的温度下表现出弹性柔度并且在高达大约 400° F的温度下表现出稳定性。
8. 根据权利要求3、4、5、6或7中的任一权利要求所述的罐，其中， 所述三维织物是多孔的；并且 所述纤维和所述塑性粘合剂在室温和低温二者下是柔性的。
9. 一种制造经受低温的罐的方法，该方法包括： 铺设复合树脂壁和至少一个复合树脂圆顶； 沿着接头将所述壁接合到所述圆顶； 制造软化带；以及 通过在所述壁和所述圆顶之间的所述接头中放置所述软化带来减小所述接头中的峰 值应力。
10. 根据权利要求9所述的方法，其中，制造所述软化带包括： 提供具有柔性纤维的三维织物；以及 用在低温下是柔性的热塑性粘合剂涂覆所述柔性纤维。
11. 根据权利要求9或10所述的方法，其中，涂覆所述纤维通过以下步骤来执行： 将所述织物浸泡在包含热塑性粘合剂的水溶液中；以及 干燥所述织物。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，制造所述软化带还包括：机械地加工经涂覆的 织物以使所述纤维松散。
13. 根据权利要求12所述的方法，其中，机械地加工经涂覆的织物由冷加工工艺来执 行。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述接头中放置所述软化带包括： 将所述软化带接合到所述复合树脂壁和所述复合树脂圆顶；以及 共同接合所述复合树脂壁、所述复合树脂圆顶和所述软化带。
【文档编号】F17C13/12GK104428578SQ201380035658
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年5月30日 优先权日:2012年7月3日
【发明者】M·J·罗宾逊, M·L·汉德, C·E·布莱文斯 申请人:波音公司