形成层状复合材料结构的方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种形成层状复合材料结构的方法。
【背景技术】
[0002]在US2013/0266431中公开了形成层状复合材料结构的常规方法。该方法产生了具有主体和凸缘的复合材料结构，并且该方法被设计成防止板层材料在主体与凸缘之间的拐角的内侧上的扭曲(起皱或翘曲)。
[0003]在US 2009/0197050和WO 2014/031047中公开了形成层状复合材料结构的其他已知的方法。
【发明内容】
[0004]本发明的第一方面提供了形成层状复合材料结构的方法，该方法包括:将复合材料层的堆叠件组装在铺叠工具上，每个复合材料层包括纤维增强基质材料，复合材料层包括内复合材料层和外复合材料层;在堆叠件的组装期间，将一个或多个间隔件放置在堆叠件的选定部分中，每个间隔件包括间隔件基质材料，其中，每个间隔件被夹在相应的相邻成对的复合材料层之间，堆叠件的选定部分形成凸起部，并且外复合材料层在凸起部处具有比内复合材料层大的路径长度;在堆叠件的组装之后，在堆叠件中形成弯曲部，其中，外复合材料层朝向弯曲部的外侧并且内复合材料层朝向弯曲部的内侧，堆叠件中的弯曲部与凸起部重合;并且在弯曲部在堆叠件中形成期间或之后，使过量基质材料流出凸起部。
[0005]本发明提供了抑制复合材料层在弯曲部的内侧上的扭曲(起皱或翘曲)的替代性方法。间隔件或一系列间隔件被放置在堆叠件的选定部分中，使得堆叠件的选定部分(也就是说，包含间隔件(多个间隔件)的部分)形成凸起部，并且外复合材料层在凸起部处(当沿横向于弯曲部和凸起部的长度的横截面观察时)具有比内复合材料层大的路径长度。在堆叠件的弯曲之前的该更大的路径长度抑制内复合层材料在弯曲操作期间的扭曲。
[0006]在从属权利要求中呈现了本发明的各种可选的但为优选的特征。
[0007]过量基质材料可以沿复合材料层的方向流出凸起部。替代性地，过量基质材料可以流入在堆叠件中的弯曲部的外侧上与凸起部接触的垫料中，并且在过量基质材料已流入垫料中之后，包含过量基质材料的垫料被移除。
[0008]可选地，每个间隔件包括与复合材料层相同的基质材料，或者具有大致相同的固化温度的类似(但是化学性质不同)的材料。
[0009]可选地，间隔件基质材料和纤维增强基质材料两者都是环氧树脂。
[0010]间隔件基质材料和纤维增强基质材料可以是具有大致相同的固化温度的热固性材料，或者具有大致相同的熔化温度的热塑性材料。
[0011]通常，一个或多个间隔件包括在外复合材料层附近的外间隔件和在内复合材料层附近的内间隔件，并且外间隔件具有比内间隔件大的体积。例如，外间隔件可以具有比内间隔件大的宽度，和/或具有比内间隔件大的厚度。
[0012]通常，通过使堆叠件围绕模具的凸出拐角弯曲，来在堆叠件中形成弯曲部。弯曲部可以通过真空袋、刚性弯曲工具、或者任何其他适当的装置形成。
[0013]复合材料结构可以包括多种结构，例如包括飞行器机翼盒。
[0014]与外复合材料层相比，内复合材料层可以在堆叠件中定位成更靠近铺叠工具，反之亦然。
[0015]可选地，仅单个间隔件可以被放置在堆叠件的选定部分中，但是更典型地，一系列的两个或更多个间隔件被放置在堆叠件的选定部分中。
【附图说明】
[0016]现将参照附图描述本发明的各实施方式，在附图中:
[0017]图1示出了沿横向于堆叠件中的凸起部的长度的横截面观察的复合材料层的堆叠件的选定部分；
[0018]图2是复合材料层中的内复合材料层的示意性横截面图；
[0019]图3是在间隔件中的内间隔件安装在堆叠件中之前内间隔件的示意性横截面图；
[0020]图4示出了组装堆叠件的自动铺带头；
[0021]图5和图6示出了在模具上方弯曲以形成15°弯曲部的堆叠件；
[0022]图7示出了各种弯曲阶段；
[0023]图8和图9示出了在最终模具上的弯曲堆叠件；以及
[0024]图10(a)至图10(e)示出了形成飞行器机翼盒的部件的方法中的不同阶段。
【具体实施方式】
[0025]图1示出了根据本发明的实施方式的形成层状复合材料结构的方法的第一步骤。复合材料层I至9 一层接一层地铺设到铺叠工具10上以形成堆叠件。层包括在堆叠件的底部处的内复合材料层1、在堆叠件的顶部处的外复合材料层9、以及在内复合材料层与外复合材料层之间的中间复合材料层2至8。
[0026]每个复合材料层I至9由纤维增强基质材料制成。图2是内复合材料层I的示意性横截面图，其他复合材料层2至9是相同的。层I包括热固性环氧树脂基质材料11，该热固性环氧树脂基质材料11灌注有单向碳纤维12的片材(纤维12进出图2的横截面的平面)。这样的复合材料层通常被称为“预浸料坯(prepreg)”。纤维12的方向从一层至另一层发生变化使得堆叠件具有期望的物理特性。
[0027]在该示例中，内复合材料层I是与铺叠工具10接触的堆叠件的最内层。可选地，与铺叠工具10接触的堆叠件的最内层可以替代性是内复合材料层I与工具10之间的非复合材料层(比如释放层)。类似地，堆叠件的最外层可以是铺设在外复合材料层9的顶部上的非复合材料层(例如通气层)。
[0028]在堆叠件的组装期间，一系列间隔件被放置在如在图1中示出的堆叠件的选定部分中。每个间隔件由间隔件基质材料制成，该间隔件基质材料与复合材料层中的纤维增强基质材料11相同。也就是说，间隔件基质材料是具有与纤维增强基质材料11大致相同的化学组分、熔化温度和固化温度的热固性环氧树脂。此外，在该示例中，每个间隔件包括不具有增强纤维的纯间隔件基质材料。
[0029]图3是间隔件20中的一个间隔件放置在堆叠件中之前的截面图，其他间隔件是类似的。通过下述方式来安装间隔件20:剥离位于间隔件的一侧上的防护层19的一侧，将间隔件手动地放置在层压件上并且接着剥离位于间隔件的第二侧上的第二防护层18。
[0030]在每对相邻的复合材料层I至9之间夹有一个或多个间隔件，使得图1中示出的堆叠件的选定部分(即，包含间隔件的部分)形成了具有平坦基部14和凸弯曲顶端15的凸起部13ο
[0031]图1标记有厚度方向T和宽度方向W。堆叠件的厚度(也就是说，堆叠件沿厚度方向T的深度)在凸起部13处增大而在凸起部的两侧上减小。凸起部13具有宽度Wb和横向于其宽度的长度(未示出，进出图1的平面)。凸起部13的长度比其宽度Wb大很多。
[0032]每对相邻的复合材料层在夹在其之间的间隔件(多个间隔件)的两侧上彼此接触。因此，例如两个第一复合材料层I和第一复合材料层2在图1的左侧上接触，然后由间隔件20隔开，接着在间隔件20的右侧上重新接触。
[0033]外复合材料层9在凸起部13处具有比内复合材料层I大的路径长度(当沿如图1中的横截面观察时)。在该示例中，复合材料层I至9的路径长度从内复合材料层I至外复合材料层9单调地增加。
[0034]复合材料层在凸起部13处的最小曲率半径沿相反的方向单调地增加。也就是说，外复合材料层9在凸起部的顶端15处具有小的曲率半径，并且内复合材料层I具有大(可能是无限的)的曲率半径(是平坦的)。
[0035]在图1的示例中存在九个复合材料层I至9和十三个间隔件。由于这些间隔件都类似，因此将仅对一些进行详细描述。每对相邻的复合材料层由一个或多个间隔件隔开。放置在每对复合材料层之间的间隔件的数量根据在堆叠件中的位置而变化。在该示例中，单个间隔件被夹在三对第一复合材料层中的每对复合材料层之间，然而，一对间隔件被夹在剩余成对的复合材料层中的每对复合材料层之间。间隔件的内间隔件标记为20，并且外部的一对间隔件标记为22、23。
[0036]间隔件的尺寸也根据其在堆叠件中的位置而变化。具体地，间隔件的宽度(沿堆叠件的与凸起部的长度和厚度垂直的宽度方向W)从堆叠件的基部至顶部增加。由于间隔件具有相同的长度和厚度，因此间隔件的体积也相应地增加。
[0037]在替代实施方式(未示出)中，可以在每对复合材料层之间放置有仅单个间隔件，并且间隔件的厚度(沿堆叠件的厚度方向Τ)从堆叠件的基部至顶部增加。
[0038]在另一替代实施方式中，与在堆叠件中的每一对相邻的复合材料层之间具有一个或多个间隔件不同，一些相邻对的复合材料层可以在其之间不具有间隔件，例如在两个最内复合材料层之间。
[0039]图4示出了铺设复合材料层堆叠件的自动纤维布置(AFP)头32。仅示出了两个中间复合材料层7、8，以及定位在两个中间复合材料层7、8之间的一对间隔件35。应当指出的是，与图1中的具有相同宽度的一对间隔件22、23相比，图4中的间隔件35具有不同的宽度。在将外复合材料层9直接地铺设到层8上的过程中示出了AFP头32(在这种情况下，层8与层9之间不存在间隔件)。
[0040]AFP头32以恒定速度V平行于平坦的铺叠工具10移动，并且同时以供给速度S供给层9。供给速度S随着AFP头32横穿凸起部13而变化。供给速度S在凸起部的两侧上是相同的，并且供给速度S在凸起部处因围绕凸起部13的弯曲路径而增大。替代性地，供给速度S可以保持恒定并且速度V在凸起部处减小，以在凸起部处沉积额外的复合材料。
[0041]在堆叠件如在图1中示出的已经被铺设在工具10上之后，垫料30a被放置成与凸起部的顶端接触，如在图5中示出的。接着，承载垫料30a的堆叠件被转移至模具40，如在图5中示出的，其中，凸起部的基部14位于模具的弯曲凸出拐角的正上方。真空袋41被铺设到组件上并且真空袋41在其边缘处密封至模具40。接着，模具40与真空袋41之间的体积被排空，从而将堆叠件围绕模具的拐角拉下以在堆叠件中形成弯曲部，如在图6中示出的。
[0042]外复合材料层9(凸起部的顶端15)朝向弯曲部的外侧，并且内复合材料层1(凸起部的基部14)朝向弯曲部的内侧。因为将凸起部的基部14仔细初始定位在模具的弯曲凸出拐角正上方，所以堆叠件中的弯曲部而与凸起