编织预制件、复合材料、及其制造方法

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)，其能够被编织平坦并形成其最终形状，最终形状沿一个或多个方向具有强化效果相关申请引入所有专利、专利申请、文献、参考文件、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、聚乙烯之类的材料和/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力破坏的大强度)的其他材料制造。通过使用这种强化材料(其最终成为所完成部件的组成元件)，强化材料的期望特性，例如非常高的强度，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强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，或生产用于最终生产被完成部件的工作储料(working stock)。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一种，例如环氧树脂、聚酯(POIyester )、乙烯基酯(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强化材料(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强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(parasitic barrier ply)来消除当一些复合材料与金属接触时会出现的腐蚀问题。这些阻挡层增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，如果不强化这些省道，则会降低复合材料的强度和刚度。
尽管这种方案允许形成期望形状，但是如图3 Ca)所示强化纤维将沿笛卡尔坐标系的主方向而不是如图3 (b)所示沿窗框的主方向取向。对于这个问题，典型的解决办法是使用强化纤维的所谓准各向同性叠层(layup)，使得预制件可在窗框的整个区域上具有均匀刚度。通用的是在0°、90°和±45°方向具有等比例纤维的叠层。然而，这个方案导致两个潜在问题。首先，准各向同性叠层仅具有均匀刚度属性。强度却可能不相对于主窗框坐标系均匀。其次，准各向同性叠层的刚度相对于借助0° /90°叠层能够达到的同轴刚度降低了。

发明内容
因此，本发明的一个目的是使得强化纤维与窗框的主方向一致，如图3 (b)所示，窗框的主方向平行于周边，并正交于局部曲率半径。这使得预制件相对于主坐标系统具有均匀的强度和刚度，并沿所生成结构的主方向使强度和刚度最大化。本发明的另一目的是提供一种用于制造复合材料窗框的方法，该复合材料窗框包括直立腿，并具有与窗户的主方向一致的强化纤维。本发明的又一目的是提供一种形成三维预制件的方法，与现有技术的设计相比，该三维预制件减轻重量和/或改善性能。根据一个示意性实施例，本发明提供一种三维编织预制件，其包括两层或更多层经线被操纵织物。每层经线被操纵织物包括省道部和未省道部。一个经线被操纵织物的省道部和另一个经线被操纵织物的未省道部彼此接合，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供均匀纤维。一个经线被操纵织物的未省道部加强另一个的省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层或多层织物。最终的预制件能够是飞行器窗框的一部分。另一示意性实施例提供一种包括三维编织预制件的纤维强化复合材料，该三维编织预制件包括两层或多层经线被操纵织物。经线被操纵织物包括省道部和未省道部。经线被操纵织物的省道部彼此接合，以便在预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。一个经线被操纵织物中的未省道部加强另一个经线被操纵织物中的省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括被牵切碳纤维和/或传统碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层或多层织物。复合材料能够是飞行器的窗框。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。
又一示意性实施例提供一种形成三维编织预制件的方法。该方法包括编织两层或更多层经线被操作织物的步骤。该方法还包括对经线被操纵织物的第一部分进行省道，并保留经线被操纵织物的第二部分未省道。该方法包括接合经线被操纵织物的省道部，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。该方法还包括以一个织物中的省道部来加强另一经线被操纵织物中的未省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括被牵切碳纤维和/或传统碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层或多层织物。预制件能够是飞行器窗框的一部分。本发明的又一示意性实施例提供一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。该方法包括编织两层或更多层经线被操纵织物的步骤。该方法还包括对经线被操纵织物的第一部分进行省道，并保留经线被操纵织 物的第二部分未省道。该方法包括接合经线被操纵织物的省道部和未省道部，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。该方法还包括以一个织物的省道部来加强另一经线被操纵织物的未省道部。经线被操纵织物的一部分能够包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。经线被操纵织物能够在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物能够是单层织物或多层织物。复合材料能够是飞行器的窗框。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来编织，即股对股(ply-to-ply)、通过厚度角联锁(angle interlock)、正交等图案。预制件可使用任何传统编织图案例如平纹、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。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，请参照随附的说明内容(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步理解本发明)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 (a)和图3 (b)分别不出在传统笛卡尔坐标系统和主窗框坐标系统下的椭圆形织物的示意图4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；图5 (a)至图5 (C)示出根据本发明的一个方案在形成三维编织预制件时涉及的步骤；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涉及的步骤。
具体实施例方式现在将在下文中参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，全部附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，应理解诸如“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“第一”、“第二”或类似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(jet engine containment ring)、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一结构或类似结构。根据一个示意性实施例的方法使用了一种独特的纺织品制造工艺，其或被称为“经线操纵(warp steering)”。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(straight weaving)、极向编织(polar weaving)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示出根据本发明的一个方案，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可在一个平面上是平的，并在X-Y平面呈弯曲形状。在这种排布中，每个经纱或经线纤维32能够具有不同的轨道长度，类似于围绕跑道的线，同时每条纬纱或纬纱纤维34总是垂直或正交于织物的边缘。这就是说，在这种织物中，每条经纱或经线纤维32能够具有不同的路径长度，类似于围绕跑道的线，同时每条纬纱或纬线纤维34总是垂直或正交于织物的边缘。也就是说，在这种织物中，经线纤维32可沿周向连续，而纬线纤维34总是相对局部曲率半径沿径向取向。根据一个示意性实施例，该技术可用来制造复合材料窗框10，例如关于图I描述的窗框，其包括例如直立腿20和任选的“榫接部” 15在内的特征。根据该实施例的方法使用了两个独立的编织织物22、24，每个编织织物具有例如像图5 Ca)所示的未省道部26和省道部28。一个织物24可设计成采用窗框10的主体(在该区域中没有省道)的或多或少平面椭圆状的形状。另一织物22可设计成采用没有省道的直立腿的椭圆锥形状。例如，如图5 (b)所示，当这两个织物22、24组合时，每个织物的未省道部26加强另一织物的省道部28。例如，如图5 (c)所示，所生成的预制件35将沿框架10的所有部分的周向和径向具有一些连续纤维。关于图5 (C)所示的预制件，织物22、24能够被编织成全宽框架10。由此生产均匀厚度的部件。然而，对本领域技术人员显而易见的是，这些织物中的任一个能够被编织成仅包括未省道部26。在这种情况下，窗框10的由全宽织物的未省道部26构建的部分将与通过将全宽织物的省道部与部分宽度的未省道织物组合来制造的部分的厚度不同。
根据该示意性实施例的预制件能够是单层或多层。例如，被操纵织物30或35的多个连续层能够被置于彼此的顶部以构建成期望厚度的层叠预制件40 (如图6所示)。如果需要额外的强度和/或刚度，则其中的纤维沿离轴(off-axis)方向(相对于局部曲率半径)取向的额外的织物层可被散布在被操纵织物层之间。可选地，可将被操纵织物编织成一种多层织物，该多层织物中的两层或更多层由期望图案中的一条或多条经纱和/或纬纱来整体保持。能够使用任何便利的用于经线纤维的图案来编织织物，即股对股、通过厚度角联锁、正交等图案。织物本身能够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，但是本发明可实际上适用于任何其他纤维，包括但不限于能被牵切的那些纤维。例如，如果需要，被牵切碳纤维(“SBCF”)能在预制件的选定区域中被用作周向纤维。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，以产生所期望的椭圆形形状的窗框。在被操纵的织物30中，经线纤维可沿周向连续，而且纬线纤维总是相对于局部曲率半径沿径向来取向。尽管目前设想不需要额外的工具来使织物符合或使织物模塑成期望的三维形状，但是如果需要，可使用额外的工具，例如像成型工具和/或挤压装置之类。在织物被模塑以获得期望的三维形状之后，可使用传统的树脂注入法，例如树脂传递模塑(resin transfermolding)，将预制件35加工成复合材料。例如，根据一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。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类型的纤维，例如碳、尼龙、人造丝、玻璃纤维、棉、陶瓷、芳香族聚酰胺、聚酯和金属纱或纤维。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、芳香族聚酰胺和聚乙烯之类的材料制成，或由任何其他本领域中公知的材料制成。最终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(chemicalvapor infiltration),浸有基体材料,例如像环氧树脂、双马来酰亚胺、聚酯、乙烯基酯、陶瓷和碳之类材料，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 多个经线被操纵织物。
2.如权利要求I所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物包括未省道部。
3.如权利要求2所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物包括省道部。
4.如权利要求3所述的预制件，其中，所述经线被操纵织物的省道部彼此接合，以便沿所述预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。
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一部分包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。
8.如权利要求4所述的预制件，其中，一个经线被操纵织物中的未省道部加强另一经线被操纵织物中的省道部。
9.如权利要求I所述的预制件，还包括一层或多层织物，其中的纤维沿离轴方向取向，所述一层或多层织物散布在多个所述经线被操纵织物之间。
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，至少一个经线被操纵织物是多层织物。
12.如权利要求11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纱或经线纤维和纬纱或纬线纤维形成的，所述经纱或经线纤维和所述纬纱或纬线纤维选自碳、SBCF、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 编织多个经线被操纵织物。
19.如权利要求18所述的方法，还包括以下步骤省道所述经线被操纵织物的第一部分。
20.如权利要求19所述的方法，还包括以下步骤使所述经线被操纵织物的第二部分保持为未省道。
21.如权利要求20所述的方法，还包括以下步骤接合所述经线被操纵织物的省道部，以便沿所述预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。
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包括传统碳纤维和/或被牵切碳纤维。
25.如权利要求21所述的方法，还包括以下步骤以另一个经线被操纵织物中的省道部加强一个经线被操作织物中的未省道部。
26.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。
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，至少一个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纱或经线纤维和纬纱或纬线纤维形成的，所述经纱或经线纤维和所述纬纱或纬线纤维选自碳、SBCF、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。
全文摘要
公开了三维编织预制件、含预制件的纤维强化复合材料、及其制造方法。编织预制件包括两层或更多层经线被操纵织物。经线被操纵织物包括省道部和未省道部。一个经线被操纵织物的省道部与另一个经线被操纵织物的未省道部彼此接合，以便沿预制件的所有部分的周向和径向提供连续纤维。一个经线被操纵织物的未省道部加强另一经线被操纵织物的省道部。经线被操纵织物可在配备有差动卷线机构的织机上编织。经线被操纵织物可为单层或多层织物。最终的预制件可为飞行器窗框的一部分。
文档编号D03D3/08GK102648080SQ201080053866
公开日2012年8月22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 申请人:奥尔巴尼工程两合公司