用于复合结构的多向强化成形编织预成形件的制作方法

专利名称：用于复合结构的多向强化成形编织预成形件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于强化复合材料的编织预成形件，具体涉及用于复合结构的多向强化成形编织预成形件。通过引用结合与在此提及的任何产品有关的所有的专利、专利申请、文档、参考文献、制造商指 示、叙述、产品说明书以及产品手册通过引用与本申请结合，并可被用来实施本发明。
背景技术：
当前普遍使用强化复合材料来生产结构性部件，尤其是在期望有重量轻、坚固、坚 硬、耐热、自支撑以及可适于成形和整形的所需特性的应用中。例如在航空、航天、卫星、娱 乐(如赛艇和赛车)以及其它的应用中使用这种部件。通常，这种部件由埋入基质材料中的强化材料组成。强化部件例如可由玻璃、碳、 陶瓷、芳族聚酰胺(aramid)、聚乙烯和/或具有期望的物理、热学、化学和/或其它特性的其 它材料制成，在这些特性之中主要的特性是对抗应力失效(stress failure)的高强度。通 过利用这种(最终成为完成的部件的组成构件的)强化材料，可以将这些强化材料的期望 特性(如非常高的强度)赋予完成的复合部件。通常，构成的强化材料可被编织、编结、以 非编织的方式或其它方式定向地形成强化预成形件所需的结构和形状。通常，特别注重确 保最有效地利用所选择的构成强化材料的特性。通常，这种强化预成形件与基质材料组合 以形成期望的完成部件或产生用于最终生产完成部件的日常存储(working stock)。在已经构造了期望的强化预成形件之后，基质材料可被加到和加入预成形件中， 使得强化预成形件以通常方式变成被埋入基质材料中并且基质材料填充强化预成形件的 组成构件之间的空隙区域。基质材料可以是多种材料中的任一材料，上述多种材料例如为 环氧树脂、酚醛树脂(phenolic)、聚酯(polyester)、陶瓷、碳和/或同样具有期望的物理、 热学、化学和/或其它特性的其它材料)。被选用作基质的材料可与强化预成形件的材料相 同或不同，并可具有或不具有类似的物理、化学、热学或其它特性。然而，基质材料与强化预 成形件的材料通常是不同的材料或者不具有类似的物理、化学、热学或其它的特性，因为利 用复合材料首先要达到的目的是在完成的产品中实现多个特性的组合，这是仅通过使用一 种构成材料无法实现的。如此组合的强化预成形件和基质材料随后可在同一操作中通过热 固或其它已知的方法被固化和稳定，并随后进行其它的操作以得到期望的部件。在此值得 注意的是，在基质材料被如此固化之后，固体化的大量基质材料随后通常非常坚固地粘着 到强化材料(例如，强化预成形件)。因此，完成的部件上的应力可特别地通过其用作纤维 之间的粘合剂的基质材料，而被有效地传递到强化预成形件的构成材料并由强化预成形件 的构成材料承受。通常，期望形成具有除简单的几何形状以外的构造的部件，上述简单的几何形状 例如(实质上的)板、薄板、矩形或正方形实体等。实现该目的的一种方式是将这几种基础 几何形状组合成期望的更复杂的形状。通过将如上所述制造的强化预成形件以相对于彼此的一定的角度(通常为直角)结合，来实现这样一种典型的组合。连结强化预成形件的这种 角度设置的通常目的是产生期望的形状以形成包括一个或多个端壁的强化预成形件，或增 强所得到的强化预成形件与复合结构的组合(在其受到外力如压力或张力时会对抗挠曲 或损伤)。在任一情况下，相关的构想是使构成部件之间的各个接合点尽可能地坚固。假设 强化预成形件自身需要非常大的刚度，则接合点的弱部会构成结构“链”中的“薄弱环节”。在现有技术中，美国专利4，847，063披露了一种围绕对称轴线的中空的碳/碳复 合制品，其中耐热的心轴被成形为产生期望的内表面构造，并且一层或多层热稳定碳丝被 编结在心轴的表面上。随后上述的多层被浸入可碳化的液体浸渍剂中，并且浸泡后的层和 心轴的组件被热处理以使浸渍剂碳化。美国专利第5，070，914号涉及一种用作复合材料的强化纺织织物的三轴纺织织 物，其中，使弹性模量为同向同性，并使织物在不改变定向角度的情况下变形为三维构造。 织物包括从纺织织物的中心沿径向延伸的大量斜纱和在斜纱之间沿圆周方向螺旋编织的 环纱。各个相邻的斜纱相互交织，并且环纱被编织在交织的斜纱之间，使得这种交织出现在 各个相邻的螺旋编织的环纱卷之间。在插入环纱之后和使交替的斜纱上下运动之前执行交 织步骤。美国专利5，619，903披露了一种用于复合结构的编结的预成形件，其具有纵向轴 线和多条结构性纤维编结线。具有比结构性纤维线的刚度更大的刚度的细长件(拉挤成型 的杆)被缠结到平行于编织件(三轴编结管(braided tube))的纵向轴线的编结线中。尽管现有技术已在试图改进强化复合材料的结构整体性并取得了成功，但仍需要 对其进行改进或者通过与上述内容不同的方法解决问题。在这点上，一种方法可能是通过 专用机器形成编织的三维(“3D”)结构。另一方法可能是编织二维(“2D”)结构并将其 折叠成形，然而，这通常导致当预成形件被折叠时多个部分中发生扭曲。这种扭曲是因为纤 维在编织后的长度与折叠预成形件时纤维应该具有的长度不同而产生的。这造成编织后的 纤维长度过短的区域中的凹陷和波纹以及纤维长度过长的区域中的褶皱。这些扭曲引起不 期望的表面异常并降低部件的强度和硬度。尽管可通过切割和省道(darting)缓解扭曲， 但这样的步骤是不期望的，因为这需要大量劳动或者可能损害预成形件的完整性。因此，轴 向对称的3D预成形件是期望的，因为它们的强度与2D叠层的复合材料相比更大。这些预 成形件特别有利于需要复合件承受平面外载荷的应用，例如航天应用。其它的技术包括长丝卷绕(filament winding)，长丝卷绕是一种连续的纤维布置 技术，以此围绕心轴缠绕纤维。这种制造技术不能应用于所有的几何形状。例如，沿呈下凹 形状的表面会发生长丝搭桥。而且，利用长丝卷绕难以将材料均勻地覆盖在弯曲部分上。尽 管长丝卷绕是高度自动化的技术，但由于材料分配率低，长丝卷绕出形状复杂的多层叠层 可能需要相当多时间。丝束布置(Tow placement)是一种类似于长丝卷绕的技术，其中单束/多束或单 捆/多捆材料被分配到心轴上。与长丝卷绕不同，丝束的长度可以不连续并且丝束可沿下 凹表面布置。利用不连续的纤维束，材料可近似均勻地覆盖在弯曲部上并可保持期望的纤 维角度。然而，该过程可能缓慢并局限于被预浸泡的材料，并因此而很昂贵。美国专利5，394，906 (在下文中简称为“专利‘906”)涉及一种用于制造笔直或弯 曲的、平面或三维的织物以形成复合结构的设备。填充纱线被插到经纱层之间，并依据填充纱线的定向，利用倾斜的或弯曲的筘片(reed)紧凑化或“击打(beat-up) ”填充纱线。专利 ‘906还披露了 可利用圆锥形辊或圆锥形辊与圆柱形辊的组合使织物的经纱弯曲，从而实 现经纱的差别化织物拾取(differential fabric take-up)，以获得曲率半径恒定的经纱。 在又一实施例中，专利‘906还披露了夹杆织物拾取装置，其用于实现经纱的差别化拾取以 获得笔直的经纱、曲率半径恒定的弯曲的经纱、曲率半径不恒定的弯曲的经纱或笔直经纱 与弯曲经纱的多种组合。在另一实施例中，通过经由筘片的相邻筘丝(dent wire)交替地 插入纱线来形成弯曲的‘C’形凸缘，以实现凸缘的竖直编织。然而，这些特征需要利用倾斜 的或弯曲的筘片来将填充纱线插入经纱之间的定制设计的编织机器。该机器还需要对于其 ‘击打’机构的特殊设计，这种设计又取决于填充纱线在结构中的定向。仅为了得到特殊的 设计结构而制造特殊的编织机器不仅很昂贵，而且局限于特殊的设计。另外，与传统的编织 机器相比，这些机器的运行速度相对较慢，因为填充纱线的插入需顺沿倾斜的或弯曲的路 径，这大幅降低了织机速度。美国专利6，086，968 (在下文中简称“专利‘968”)提供了具有多种二维和三维形 状的编织材料。通过在机械编织加工过程中根据期望连续地改变经纤和/或纬纤或经纱和 /或维纱的密度和/或方向来构成编织材料。这些材料是围绕物体编织的，随后被用基质材 料浸渍。尽管对于许多非真正轴向对称的结构性应用而言，专利‘906和专利‘968比上述 的其它现有技术更优越，但仍需要增加额外的结构性特征来加强结构并提供在所有方向上 的机械稳定性。因此，仅使用传统的2D或3D编织预成形件不能充分地在所有方向上提供 所需的强度。因此，需要改进本技术的现状，以提供一种形成用于复合结构的多向强化形状 的编织预成形件的结构和方法，该复合结构在轴向对称和非轴向对称构造中的强度均得到 提尚。

发明内容
本发明涉及一种方法，其用于将利用诸如双轴编结、三轴编结、极向编织(polar weaving)、经纱导弓I编织(warp steering weaving)、轮廓编织(contourweaving)以及三维 编织的技术形成的织物组合，以得到被多向强化并易于匹配复杂曲率的叠层(例如，符合 涡轮风扇壳体、喷气发动机封闭环(containment ring)、飞机机身框架、飞机窗口框架以及 用于将机舱连接到飞机发动机的凸缘环)。本发明提供用于实质上轴向对称和非轴向对称 的复合结构的、强度提高的多向强化成形的编织预成形件。通过不同形式的织物的组合，可在不切割和省道各层的情况下得到预成形件。通 过省去这些切割和省道，改进了所得到的结构的强度和性能。因此，本发明致力于编织预成形件，其利用织物制造技术(例如，轮廓编织、极向 编织、双轴编结、三轴编结、经纱导引编织以及三维编织)的组合，来生产基本上轴向对称 但可包括一些非轴向对称的强化部的结构。强化部设置于周向(loop dircetion) (0° )、 轴向(90° )以及相对于周向成士45°的方向。在诸如涡轮风扇壳体、喷气发动机封闭环、 飞机机身框架、飞机窗口框架以及用于将机舱连接到飞机发动机的凸缘环的应用中使用这 些预成形件。根据一个实施例，本发明是飞机窗口框架，其由包括双轴编结物、极向编织织物、轮廓编织织物的多构件预成形件以及填充这三个构件的叠层结构之间的间隙的三维编织 三角形构件的多构件预成形件形成。根据一个实施例，本发明是飞机机身框架，其由包括双轴编结物、轮廓编织织物的 多构件预成形件以及三维编织三角形构件的多构件预成形件形成。更具体地，本发明的一个实施例是一种预成形件，其被用来强化包括第一部分的 复合结构，该第一部分包括多层交替的轮廓编织织物和斜向织物，其中轮廓编织织物包括 与一层或多层纬纱交错编织的一层或多层经纱，其中一层或多层经纱保持轮廓编织织物中 的轮廓形状，其中斜向织物包括以倾斜的角度被交错编织到一层或多层经纱和纬纱的多条 纱线。预成形件还包括具有三维编织织物的第二部分，其中该第二部分被附接到第一部分。 预成形件还包括具有多层交替的极向编织织物和斜向织物的第三部分，其中，通过实施从 极向编织织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取而产生弯曲的经纱，以 将扁平弯曲的构造赋予极向编织织物而形成极向编织织物。本发明的另一实施例是一种以预成形件强化的复合结构，该复合结构包括第一 部分，具有多层交替的轮廓编织织物和斜向织物；其中轮廓编织织物包括与一层或多层纬 纱交错编织的一层或多层经纱，其中一层或多层经纱保持轮廓编织织物中的轮廓形状，其 中斜向织物包括以倾斜的角度被交错编织到一层或多层经纱和纬纱的多条纱线；以及基质 材料。预成形件还包括具有三维编织织物的第二部分，其中第二部分被附接到第一部分。预 成形件还包括具有多层交替的极向编织织物和斜向织物的第三部分，其中，通过实施从极 向编织织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取而产生弯曲的经纱，以将 扁平弯曲的构造赋予极向编织织物而形成极向编织织物。本发明的又一实施例是一种制造用于强化复合结构的预成形件的方法，其包括以 下步骤通过成层(layering)多层交替的轮廓编织织物和斜向织物来形成第一部分；其中 通过将一层或多层经纱与一层或多层纬纱交错编织来形成轮廓编织织物，其中一层或多层 经纱在被编织之后保持轮廓编织织物中的轮廓形状，其中通过将多条纱线以倾斜的角度交 错编织到一层或多层经纱和纬纱来形成斜向织物。该方法还包括以下步骤通过三维地编 织织物来形成第二部分；以及将第二部分附接到第一部分。该方法还可包括通过成层多层 交替的极向编织织物和斜向织物来形成第三部分的步骤，其中，通过实施从极向编织织物 的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取而产生弯曲的经纱，以将扁平弯曲的 构造赋予极向编织织物而形成极向编织织物。本发明的又一实施例是一种制造以预成形件强化的三维复合结构的方法，其包括 以下步骤通过成层多层交替的轮廓编织织物和斜向织物来形成第一部分，其中通过使一 层或多层经纱与一层或多层纬纱交错编织来形成轮廓编织织物，其中一层或多层经纱在被 编织之后保持轮廓编织织物中的轮廓形状，其中通过将多条纱线以倾斜的角度交错编织到 一层或多层经纱和纬纱来形成斜向织物；以及使用基质材料浸渍预成形件。该方法还包括 以下步骤通过三维地编织织物形成第二部分；以及将第二部分附接到第一部分。该方法 还可包括通过成层多层交替的极向编织织物和斜向织物来形成第三部分的步骤，其中，通 过实施从极向编织织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取而产生弯曲 的经纱，以将扁平弯曲的构造赋予极向编织织物而形成极向编织织物。因此，本发明的一个目的是省去对三维结构的各个强化织物或各强化层进行切割和省道的需要。本发明的另一目的是简化这类结构的制造并减少劳动需求。本发明的又一目的是提供一种三维预成形件，该三维预成形件被设计为对迄今可 获得的现有的预成形件和/或强化复合结构所作的替换和/或改进。本发明的又一目的是提供一种三维预成形件，该三维预成形件可被形成为纤维 (包括预成形件)未扭曲的形状。本发明的再一目的是提供一种制造可很容易地适于构成多种不同三维结构的强 化织物的方法。本发明的又一目的是提供一种制造织物或纤维预成形件的方法，该预成形件可保 持适当的纤维定向、整体几何形状以及层厚的均勻性。然而，提出的本发明不局限于该具体 的截面几何形状或0度、90度以及士45度的纤维定向。实际上，纤维角度可被设定为沿结 构的位置的函数，并且织物的宽度可随结构的长度改变。本发明的另一目的是简化大范围的预成形件的制造，其可用于使以前昂贵且结构 效率低或不可制造的复合结构部件变得成本较低且结构高效。通过本发明，这些和其它的目的和优点将变得明显。本发明旨在提供一种适合作 为三维复合结构的强化部的特殊设计的预成形件。纤维强化部是可在传统的编织机器上编 织，并随后在浸渍树脂之前折叠成最终形状而不会在纤维中产生不期望的扭曲的强化部。 该目的是通过在编织过程中调节纤维的长度，使得部分纤维在一些区域中较短而在其它区 域中较长来实现的。因此，当预成形件被折叠成在折叠处平滑过度的形状时，纤维可均勻分 布。例如参见美国专利6，446，675，该专利的内容通过引用结合在本申请中。而且，对本领 域的技术人员显而易见的是，尽管该参考文献涉及编织的预成形件，但其也可应用于诸如 编结或缝合连结的非编织物。为了更好地理解本发明、本发明的操作优点以及通过使用本发明而实现的具体的 目的，参照示出本发明的优选但非限制性的实施例的所附说明性内容。本公开文献中的术语“包括”可表示“包含”或者可具有在美国专利法中通常赋予 术语“包括”的含义。术语“主要由..·组成”(如在权利要求中使用的话)具有在美国专 利法中赋予它们的含义。在下面的文中描述本发明的其它方案，或者通过下面的描述(在 本发明的范围内)使本发明的其它方案变得明显。


包含附图以供更好地理解本发明，附图被并入到本说明书中并构成本说明书的一 部分。在此展示的附图示出了本发明的不同的实施例，并与文字描述一起用于说明本发明 的原理。在附图中图1(a)和图1(b)示出了制备根据本发明的一个实施例的多向强化预成形件的方 法中的步骤；图2示出了根据本发明的一个方案的多向强化预成形件；图3A和图3B示出了图2中所示的多向强化预成形件的剖视图；图4示出了根据本发明的一个实施例的多向强化的凸缘环预成形件；图5示出了图4中所示的多向强化预成形件的剖视图6(a)和图6(b)示出了根据本发明的一个实施例的多向强化预成形件的照片；图7示出了根据本发明的一个方案的多向强化预成形件；图8示出了图7中所示的多向强化预成形件的剖视图；图9示出了制备根据本发明的一个实施例的多向强化预成形件的方法中的步骤； 以及图10示出了制备根据本发明的一个实施例的多向强化预成形件的方法中的步骤。
具体实施例方式在下文中将参照示出本发明的优选实施例的附图更全面地描述本发明。然而，本 发明可用许多不同的形式实施，而不应被解释为局限于在此给出的图示的实施例。更准确 地说，提供这些图示的实施例，为的是使本公开文献变得详尽和完整并将本发明的范围完 全地传达给本领域的技术人员。在下面的描述中，在所有附图中相同的附图标记表示相同或相应的部件。另外，在 下面的描述中，应理解的是，诸如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”之类术语是方便性质的词 语，而不应被解释成限制性的术语。现在转到附图，根据一个实施例，本发明是制造多向强化纤维预成形件的方法；该 多向强化纤维预成形件用在高强度的应用中，例如复合的涡轮风扇壳体、喷气发动机封闭 环、飞机机身框架、飞机窗口框架或者将机舱连接到飞机发动机的凸缘环中。根据本实施例的方法利用两种或多种织物制造技术(例如轮廓编织、极向编织、 双轴编结、三轴编结、经纱导引编织、斜向编织以及三维编织)的组合，来制造基本上轴向 对称但也可包括一些非轴向对称特征的结构。将在下面的段落部分中更详细地描述术语 “经纱导弓丨”和“极向编织”。根据本发明的一个实施例，轮廓编织用于通过围绕心轴形成织物来生产轴向对称 的预成形件。例如，可利用被专门设计用于特殊形状的一组辊来形成预成形件。轮廓编织 利用特殊的拾取系统来生产具有长度不同的经纱纤维的预成形件。不同的经纱长度使所得 到的织物具有某种脱离织物平面的曲率。在轮廓编织的情况中，织物被设计为呈现特殊的 截面形状，例如图1(a)中所示的截面形状。在图2中示出了根据本发明的一个实施例形成 的多向强化结构或纤维预成形件的一个示例。图2示出了机身框架10 ；机身框架10的剖 视图示于图3A和图3B中(示出框架10的顶部和底部)。机身框架为典型的飞机设计中的 结构性构件。在机身中通常有许多这种框架，机身框架提供在飞机结构中的周向强化。框架10具有环形结构，其顶部和底部具有期望的宽度和厚度。通过轮廓编织连续 的织物来开始制造框架10的主要部分。轮廓编织的工序包括利用成形的心轴或类似部件 以一定的轮廓形状来供给经纱，使得织机上生产出来的织物即使在从织机取下之后也保持 该轮廓形状。经纱和填充纱(或纬纱)在织物中保持0°和90°的定向，从而提供在0°和 90°方向上的强化，其中，0°处于周向方向(垂直于径向)而90°为最终结构或框架10的 径向。通过轮廓编织，还可形成包括长度不同的经纱纤维的织物，因此，当织物被缠绕在心 轴上时织物倾向于呈现特殊的轴向对称的形状。依据期望的最终结构，心轴实际上可具有 任何期望的形状或尺寸。依据最终产品中是否需要连续的凸缘环，心轴可在环的一侧或两侧上设有或者不设有凸缘。这使得结构中的圆柱、环形和/或锥形部分可以组合成一个预 成形件。例如，在图2所示的机身框架上，设有构成外凸缘20的圆柱形部分和构成腿部30 的环形部分(示于图3B中)。类似地，图6(a)和图6(b)所示的普通的双凸缘环在两端设 有凸缘。在图4和图5中分别示出了这种双凸缘环的正视图和剖视图。轮廓编织的缺陷之一在于在结构中没有斜向或周向或径向的强化部。当预成形件 被加工成复合件时，通常需要这种强化部来提高抗剪强度和/或支承强度。在本发明中，如 图1(b)所示，此特征是通过当轮廓织物44缠绕在心轴上时在一层或多层轮廓织物44之间 插入一层或多层斜向织物42来实现的。斜向织物42可为连续的或不连续的，并可利用任 何便利的方法(例如裁剪传统的士45° 二维织物或切开士45°编结管)制造。与轮廓编织织物相比，斜向织物42并非倾向于呈期望的截面形状。然而，该织物 中的纤维可在围绕角部缠绕时进行“剪切(scissor)”以形成诸如凸缘的特征。这使纤维不 能形成真正的士45°强化部，但这种影响对于大多数实际应用而言相对较小，并且对于直 径非常大的结构而言可以忽略。由此，具有被插入的斜向层42的轮廓编织织物44会产生具有类似于叠层复合件 的截面的轴向对称结构50。由此，该叠层复合结构具有各向同性的构造(即，在0°、90°、 +45°以及-45°方向上等量的纤维)，但是本发明不局限于这种构造。对于真正轴向对称的应用，可利用轮廓编织织物44和/或斜向织物42形成如上 所述的附加特征，例如内凸缘60、圆周加固件或中间连接环。然而，许多结构性应用并非真 正的轴向对称，在此情况下，可利用三维编织预成形件(例如图3B和图3B中所示的Pi预 成形件40)，将附加的结构特征添加到预成形件。对称的Pi预成形件40的使用仅作为示例 示出，实际上可通过三维编织形成的任何形状都可用于该目的。通过设置附加的三维编织 预成形件而形成的特征需要在周向方向上的拼接部(splice)，但通常可将该拼接部设置在 结构的较轻承载部45上以避免严重的强度损伤。可根据之前提及的美国专利第6，446，675 号中披露的方法形成Pi预成形件40。轮廓编织织物、斜向织物以及Pi预成形件可由诸如碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻 璃纤维、棉花、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙烯之类材料或本技术领域中公知的任何其 它的材料制成。可利用诸如树脂膜渗法(RFI)、树脂传递模塑或化学蒸发过滤之类树脂填充 方法，用基质材料(例如环氧树脂、聚酯、乙烯酯、陶瓷以及碳)浸渍最终的结构，由此形成 三维的复合结构。因此，本发明的一个实施例是一种以编织预成形件强化的三维复合结构及其形成 方法，该三维复合结构包括第一部分，具有多层交替的轮廓编织织物和斜向织物；其中轮 廓编织织物包括与一层或多层纬纱交错编织的一层或多层经纱；其中一层或多层经纱保持 轮廓编织织物中的轮廓形状，其中斜向织物包括以倾斜的角度交错编织或编结到一层或多 层经纱和纬纱的多条纱线；以及基质材料。复合结构还包括具有三维编织织物的第二部分， 其中第二部分被附接到第一部分。本发明的主要优点在于1)相对于柱面坐标系，根据本发明的预成形件具有周向 方向和轴向方向上的连续的强化部以及位于相对于周向方向成士45°的强化部。这提高了 所得到的复合部件的强度和硬度；2)预成形件构造为呈现期望的形状而不需要切割和省 道，从而消除了周向纤维中的不连续。这减少了制造预成形件所需的人工劳动并提高了强度。其它的优点包括3)保持沿弯曲部分的期望的纤维定向；4)材料从内径部位到外径部 位沿弯曲的部分均勻地覆盖；5)形成所需的截面几何形状；以及6)成本效益。根据另一实施例，本发明是将经纱导引编织、极向编织、轮廓编织、双轴编结、三轴 编结和/或三维编织组合以得到易于匹配复杂弧度的叠层(例如飞机窗口框架)的方法。术语“经纱导引”表示用于经纱的差别化拾取系统，该差别化拾取系统将经纱‘导 引’成所需的形状，并可通过平直编织、极向编织或平直编织与极向编织的组合来得到实际 上可在织物或预成形件的X-Y平面中呈现任何形状的预成形件。图10中示出了这种经纱 导引织物的示例，其中，织物100在一个平面中为扁平的，并在X-Y平面中具有弯曲的形状。 在这种设置中，每个经纱可具有不同的轨迹长度。经纱导引和轮廓编织均利用特殊的拾取 系统来生产具有长度不同的经纱的织物。不同的经纱长度使所得到的织物具有一些弧度 (在用于经纱导引编织的织物平面内和轮廓编织的平面外)。在经纱导引编织的情况下，织 物被编织为其保持扁平，而在轮廓编织中，织物被设计为其呈现特殊的截面形状。根据一个实施例，本发明是如图7中所示的机身窗口框架15。图8中示出了组成 这种多构件结构或窗口框架15的构件的截面图。结构15包括用于其制造的四种不同的织 物形式。这些形式的组合使预成形件得以被制造而无需对各层进行切割和省道。通过省去 这些切割和省道，提高了所得到的结构的强度和性能。结构或框架15包括上包缠部25、内包缠部35、外包缠部55以及间隙填充物65。 上包缠部25是交替叠置的斜向织物层与极向编织织物层或轮廓编织织物层。斜向织物可 为连续的或非连续的，并可利用任何便利的方法(例如裁剪传统的士45° 二维织物或切开 士45°的双轴编结管)来制造。如图9所示，以与上包缠部25的平面内几何形状匹配的曲 率半径来编织极向编织织物70，其中经纱纤维或经纱72沿径向被定向并且填充纤维或填 充纱线74沿周向方向被定向。具体地，极向编织是用于使结构中的经纱弯曲同时使填充纱 线74保持适宜的定向的方法，这是通过改变织物拾取系统实现的。具体地，织物70是用差 别化织物拾取系统(例如利用图9中所示的圆锥和/或圆柱形辊75)编织的。与辊的直径 较大的部分相比，圆锥形辊的直径较小的部分在辊每次转动中拖拽较少的经纱(即织物)。 经纱72的这种差别化拾取使得织物弯曲，由此使织物70形成极化形状；可通过将经纱交错 编织在一起或利用现有技术中公知的其它端部连结方法，将织物70的长度方向的边缘连 结。依据期望的最终结构，极向织物70可被编织为圆形形状并被成形为诸如椭圆或跑道形 的环形形状。如果使用经纱导引编织，则可以直接编织成环形形状而不需要任何额外的成 形操作。通过将双轴编结物置于多层极向编织织物70上或相反，可实现由多向纤维定向 形成的0度、90度以及士45度强化部的均勻分布，由此形成两个或多个层的叠层。如上所 述，通过对编织物进行的剪切动作，由编织层组成的编结物与表面弧度匹配。现在转到图8，如在前面的实施例中所述，外包缠部55和内包缠部35彼此相似之 处在于，两者均由交替的斜向织物层和轮廓编织织物层构成。斜向织物可为连续的或非连 续的，并可利用任何便利的方法(例如裁剪传统的士45° 二维织物或切开士45°的双轴编 结管)来制造。在这种情况下，轮廓编织能够与部件的形状匹配，而无需进行切割或省道操 作。与极向织物相同，轮廓织物提供0度、90度的强化，编结物提供士45度的强化。结构或 框架15还可包括间隙填充物65，如图8所示，该间隙填充物65可为填充上包缠部25、内包缠部35以及外包缠部55之间的间隙的三维编织三角形构件。其它形式的介质(例如非编 织的织物)也可用作间隙填充物，然而，本发明不局限于仅使用三维编织的织物和/或非编 织的织物。轮廓编织织物、斜向织物、编结织物、极向编织织物、经纱导向织物以及三维编织 织物可由诸如碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃纤维、棉花、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙 烯之类材料或本技术领域中普遍公知的任何其它的材料制成。可利用诸如树脂膜渗法 (RFI)、树脂传递模塑或化学蒸发过滤之类树脂填充方法，用基质材料(例如环氧树脂、聚 酯、乙烯酯、陶瓷以及碳)浸渍最终的结构，由此形成三维的复合结构。因此，本发明的一个实施例是以预成形件强化的三维复合结构及其制造方法，该 三维复合结构包括第一部分，具有多层交替的轮廓编织织物和斜向织物，其中轮廓编织织 物包括与一层或多层纬纱交错编织的一层或多层经纱，其中一层或多层经纱保持轮廓编织 织物中的轮廓形状，其中斜向织物包括以倾斜的角度被交错编织或编结到一层或多层经纱 和纬纱的多条纱线；以及基质材料。复合结构还包括具有三维编织织物的第二部分，其中第 二部分被附接到第一部分。复合结构还包括第三部分，第三部分包括多层交替的极向编织 织物和斜向织物；其中，通过实施从极向织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化 织物拾取或经纱导引而产生弯曲的经纱，以将扁平弯曲的构造赋予极向编织织物而形成极 向编织织物。因此，通过利用本发明中描述的方法，可得到下面的复合结构1.完全被轮廓编织的并包括一层或多层轮廓编织预成形件的轴向对称结构，例如 封闭环；2.包括一个或多个轮廓编织织物层和被设置在轮廓编织织物层之间的一个或多 个斜向层的轴向对称结构，例如凸缘环；以及3.由具有或不具有附加斜向层的一个或多个轮廓编织织物层以及附加构件组成 的轴向对称或非轴向对称的结构，例如窗口框架或机身框架。附加构件可包括利用三维编 织、极向编织和/或编结制成的凸缘、加固件和/或斜向层。因此，通过本发明可实现其目 的和优点，尽管在此披露并详细地描述了优选的实施例，但本发明的范围和目的不应局限 于此，而是应由所附权利要求的内容限定本发明的范围。
权利要求
1.一种用于强化复合结构的预成形件，包括第一部分，包括多层交替的轮廓编织织物和斜向织物； 其中所述轮廓编织织物包括与一层或多层纬纱交错编织的一层或多层经纱； 其中所述一层或多层经纱保持所述轮廓编织织物中的轮廓形状；并且 其中所述斜向织物包括以倾斜的角度被交错编织或编结到所述一层或多层经纱和纬 纱的多条纱线。
2.如权利要求1所述的预成形件，还包括 第二部分，包括三维编织织物；其中所述第二部分被附接到所述第一部分。
3.如权利要求2所述的预成形件，还包括第三部分，包括多层交替的极向织物和所述斜向织物；其中，通过实施从所述极向织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取 而产生弯曲的经纱，以将扁平弯曲的构造赋予所述极向织物而形成所述极向织物。
4.如权利要求1所述的预成形件，其中所述斜向织物为以士45度编织的扁平织物或被 切开的编结管。
5.如权利要求1所述的预成形件，其中所述复合结构为涡轮风扇壳体、喷气发动机封 闭环、飞机机身框架、飞机窗口框架或用于将机舱附接到飞机发动机的凸缘环。
6.如权利要求1所述的预成形件，其中所述预成形件是轴向对称的和/或非轴向对称的。
7.如权利要求1所述的预成形件，其中所述斜向织物是连续的或非连续的。
8.如权利要求3所述的预成形件，其中所述第一部分、第二部分以及第三部分由选自 碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃纤维、棉花、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙烯组成的组中 的材料制成。
9.一种以预成形件强化的三维复合结构，包括 第一部分，包括多层交替的轮廓编织织物和斜向织物；其中所述轮廓编织织物包括与一层或多层纬纱交错编织的一层或多层经纱； 其中所述一层或多层经纱保持所述轮廓编织织物中的轮廓形状； 其中所述斜向织物包括以倾斜的角度交错编织或编结到所述一层或多层经纱和纬纱 的多条纱线；以及 基质材料。
10.如权利要求9所述的复合结构，还包括 第二部分，包括三维编织织物；其中所述第二部分被附接到所述第一部分。
11.如权利要求10所述的复合结构，还包括第三部分，包括多层交替的极向织物和所述斜向织物；其中，通过实施从所述极向织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取 或经纱导引而产生弯曲的经纱，以将扁平弯曲的构造赋予极向织物而形成所述极向织物。
12.如权利要求9所述的复合结构，其中所述斜向织物为以士45度编织的扁平织物或 被切开的编结管。
13.如权利要求9所述的复合结构，其中所述复合结构为涡轮风扇壳体、喷气发动机封 闭环、飞机机身框架、飞机窗口框架或用于将机舱连接到飞机发动机的凸缘环。
14.如权利要求9所述的复合结构，其中所述预成形件是轴向对称的和/或非轴向对称的。
15.如权利要求9所述的复合结构，其中所述斜向织物是连续的或非连续的。
16.如权利要求11所述的预成形件，其中所述第一部分、第二部分以及第三部分由选 自碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃纤维、棉花、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙烯组成的组 中的材料制成。
17.如权利要求9所述的复合结构，其中以选自树脂膜渗法(RFI)、树脂传递模塑以及 化学蒸发过滤组成的组中的工艺形成所述复合结构。
18.如权利要求9所述的复合结构，其中所述基质材料选自环氧树脂、聚酯、乙烯酯、陶 瓷以及碳组成的组。
19.一种制造用于强化复合结构的预成形件的方法，包括以下步骤 通过成层多层交替的轮廓编织织物和斜向织物来形成第一部分；其中通过使一层或多层经纱与一层或多层纬纱交错编织来形成所述轮廓编织织物； 其中所述一层或多层经纱在编织之后保持所述轮廓编织织物中的轮廓形状； 其中通过将多条纱线以倾斜的角度交错编织或编结到所述一层或多层经纱和纬纱来 形成所述斜向织物。
20.如权利要求19所述的方法，还包括以下步骤 通过三维地编织织物来形成第二部分；以及 将所述第二部分附接到所述第一部分。
21.如权利要求20所述的方法，还包括以下步骤通过成层多层交替的极向编织织物和斜向织物来形成第三部分； 其中，通过实施从所述极向编织织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物 拾取而产生弯曲的经纱，以将扁平弯曲的构造赋予极向编织织物而形成所述极向织物。
22.如权利要求19所述的预成形件，其中所述斜向织物为以士45度编织的扁平织物或 被切开的编结管。
23.如权利要求19所述的预成形件，其中所述复合结构为涡轮风扇壳体、喷气发动机 封闭环、飞机机身框架、飞机窗口框架或用于将机舱连接到飞机发动机的凸缘环。
24.如权利要求19所述的预成形件，其中所述预成形件具有轴向对称和/或非轴向对 称的构造。
25.如权利要求19所述的预成形件，其中所述斜向织物制造为连续的或非连续的。
26.如权利要求21所述的预成形件，其中所述第一部分、第二部分以及第三部分由选 自碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃纤维、棉花、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙烯组成的组 中的材料制成。
27.一种制造以预成形件强化的三维复合结构的方法，包括以下步骤通过成层多层交替的轮廓编织织物和斜向织物来形成所述预成形件的第一部分； 其中通过使一层或多层经纱与一层或多层纬纱交错编织来形成所述轮廓编织织物； 其中所述一层或多层经纱在编织之后保持所述轮廓编织织物中的轮廓形状；其中通过将多条纱线以倾斜的角度交错编织到所述一层或多层经纱和纬纱来形成所 述斜向织物；以及用基质材料浸渍编织的所述预成形件。
28.如权利要求27所述的方法，还包括以下步骤通过三维地编织织物来形成所述编织的预成形件的第二部分；以及将所述第二部分附接到所述第一部分。
29.如权利要求28所述的方法，还包括以下步骤通过成层多层交替的极向编织织物和所述斜向织物来形成第三部分；其中，通过实施从所述极向织物的一个侧边到相对侧边对多条经纱的差别化织物拾取 或经纱导引而产生弯曲的经纱，以将扁平弯曲的构造赋予极向织物而形成所述极向织物。
30.如权利要求27所述的方法，其中所述斜向织物为以士45度编织的扁平织物或被切 开的编结管。
31.如权利要求27所述的方法，其中所述复合结构为涡轮风扇壳体、喷气发动机封闭 环、飞机机身框架、飞机窗口框架或用于将机舱连接到飞机发动机的凸缘环。
32.如权利要求27所述的复合结构，其中所述预成形件具有轴向对称和/或非轴向对 称的构造。
33.如权利要求27所述的复合结构，其中所述斜向织物制造为连续的或非连续的。
34.如权利要求29所述的预成形件，其中所述第一部分、第二部分以及第三部分由选 自碳、尼龙、人造纤维、聚酯、玻璃纤维、棉花、玻璃、陶瓷、芳族聚酰胺以及聚乙烯组成的组 中的材料制成。
35.如权利要求27所述的复合结构，其中所述浸渍选自树脂膜渗法(RFI)、树脂传递模 塑以及化学蒸发过滤组成的组。
36.如权利要求27所述的复合结构，其中所述基质材料选自环氧树脂、聚酯、乙烯酯、 陶瓷以及碳组成的组。
37.一种以预成形件强化的三维复合结构，包括三种或多种不同类型的材料编织形式。
全文摘要
本发明涉及易于匹配复杂弧度的多向强化纤维预成形件，例如涡轮风扇壳体、喷气发动机封闭环、飞机机身框架、飞机窗口框架以及用于将机舱连接到飞机发动机的凸缘环。本发明提供用于实质上轴向对称和非轴向对称的复合结构的、强度提高的多向强化成形编织预成形件。本发明是用于强化复合结构的预成形件及其制造方法，该预成形件包括轮廓编织织物部、双轴编结部、三轴编结部或斜向织物部和/或极向编织织物部。预成形件可选择性地包括三维编织部。通过不同形式的织物的组合，可在不切割和省道各层的情况下生产预成形件。通过省去这些切割和省道，改进了最终结构的强度和性能。
文档编号D03D15/00GK101998905SQ200980112731
公开日2011年3月30日 申请日期2009年2月9日 优先权日2008年2月11日
发明者乔纳森·戈林, 史蒂夫·比德尔, 唐纳德·罗斯 申请人:奥尔巴尼工程两合公司