专利名称：用于复合层压材料的铺层递减改进和相关方法
技术领域：
本主题大体而言涉及复合层压材料(composite laminate materials)，且更特定而言涉及用于减轻复合层压材料内应力集中的铺层递减改进(Ply drop modifications) 0
背景技术：
复合层压材料(“层压件”)大体上包括组装在一起的多个复合材料层或铺层以提供具有改进的工程性质的层压件。每个铺层通常包括由基质材料包围且在基质材料内支承的加强材料。关于纤维加强的层压件，加强材料通常包括高强度纤维(诸如玻璃或碳纤维)，且合适基质材料包括各种聚合物或树脂材料，诸如环氧树脂、聚酯或乙烯酯树脂。通常，已知的加强材料被设计成具有高静态强度和疲劳强度，且因此可向由层压材料形成的构件提供优良的刚度和强度。因此，层压件通常用于较宽范围的应用以生成结构和/或承载构件。举例而言，层压件通常用于风力涡轮机工业中以生成高强度转子叶片和其它转子叶片构件。同样，层压件用于制造航空构件、船、自行车架、直升飞机桨叶和需要增加的强度和刚度的各种其它构件。通常通过在合适工具或模具内一个在另一个的顶部组装多个铺层直到实现了所需厚度而制成层压构件。但是，取决于被制造的构件的所需配置，常常需要使得层压件的厚度逐渐减小。举例而言，可需要厚度逐渐减小来生成具有所需表面轮廓或形状的构件。为了提供这种厚度逐渐缩小，一个或多个缩短或终止铺层通常在层压件内的各个位置引入以形成铺层递减。每个铺层递减大体上代表层压件厚度的逐步减小，从而允许层压材料从厚的截面逐渐减小为更薄截面。在图1中示出层压材料10的构件的代表性实例，其包括铺层递减12的逐渐缩小效果的描绘。层压材料10通常包括一个在另一个顶部组装的多个相邻设置的内铺层14。 每个铺层14包括由基质材料18包围且在基质材料18内支承的多个纤维16(出于清楚目的，仅示出一个纤维)。如图所示，纤维16是单向的且在每个铺层14内的取向在纵向17。 层压件10也可包括覆盖铺层19 (诸如双轴纤维玻璃铺层)，其通常用作层压件10的外覆盖物。为了能使层压件10的厚度逐步减小或者递增变化，通常通过包括终止铺层20将铺层递减12限定于层压件10内。因此，如图1所示，终止铺层20可设置于覆盖层19与内铺层14之一之间，以便在层压件10内限定外铺层递减12。应了解可同样地通过将终止铺层20插入于相邻的内铺层14之间而形成内铺层递减。如图所示，铺层递减12大体上限定于终止铺层20的端部且因此提供层压件10厚度的“缩减(drop-off) ”。图1还示出限定于终止铺层20与任何相邻铺层(诸如覆盖铺层19与内铺层14)之间的间隙22。此间隙22 通常是由于铺层递减12所致的厚度的突然减小造成且导致层压件10内基质材料填充的区域和/或空隙。现参看图2，示出了常规铺层递减12的配置。如图所示，终止铺层20大体上限定常规铺层递减12且包括在终止铺层20的纵向17延伸的多个单向纤维16。应了解，出于说明目的，纤维16被放大。举例而言，在层压材料10内的典型纤维16可具有小于10微米的直径。常规铺层递减12大体上特征为在终止铺层20上在横向25延伸的直边缘或直平面表面。因此，应了解通常穿过终止铺层20在横向切割或切削而生成铺层递减12的直边缘。 如在图2中特别地示出的那样，此直切割或切削直接穿过纤维16做出，导致纤维止于沿着铺层递减12的平面表面的各个点M。因此，在终止铺层20与相邻铺层14的外表面23之间生成直边缘的垂直递减。虽然常规铺层递减12的直边缘递减的确提供层压件10的高效厚度逐渐减小，但是这种几何形状也对层压件10的结构完整性具有不利的影响。特别是，常规直边缘铺层递减12生成层压件内的结构不连续性，这会在铺层递减12处引起显著的应力集中。如上文所示，间隙22(图1)通常生成于终止铺层20与任何相邻铺层之间。因此，与铺层递减12 相邻生成低强度区域，其可导致层压件10失效，诸如由于在基质材料18内的裂缝形成和传播。当在层压件随后的加工期间间隙22被不充分地填充基质材料时尤为如此且孔隙或空隙保留在完成的层压件中。但是，即使在间隙22被适当地填充基质材料时，仍可在铺层递减12处生成低强度区域。特别是，基质材料的静态和疲劳强度的量值通常小于加强材料强度的100倍或更多。此外，直边缘铺层递减12产生终止铺层20内纤维16的突然终止。举例而言，如图2所示，当终止铺层20包括在铺层20的纵向17延伸的单向纤维16时，所有纤维16沿着铺层递减12的直平面边缘终止于点M处。这种配置显著地增加了在铺层递减12处的应力集中。特别是，大的层间剪切应力分量被引入，因为纤维16中每一个的拉伸荷载能力在铺层递减12处减小至零。由于纤维16的拉伸荷载能力减小至零，在铺层递减12处的剪切荷载转移至更弱的基质材料18。因此，常规直边缘铺层递减12导致铺层递减12处层压件10强度的显著减小，其可最终导致层压件10由于分层和/或基质材料18开裂而失效。因此，在本技术中将需要减小层压件内应力集中的铺层递减改进。
发明内容
本发明的方面和优点将在下文的描述中部分地陈述，或者可通过该描述变得明显，或者可通过实践本发明而学习。在一方面，本主题公开了一种复合层压材料。该复合层压材料包括多个相邻设置的铺层，其中铺层中的至少一个被配置为终止铺层(terminated ply)。此外，铺层递减由终止铺层限定。另外，至少一个铺层递减添加物(Ply drop additive)基本上与铺层递减相邻设置。在另一方面，本主题公开了一种制造复合层压材料的方法。该方法包括组装多个铺层以形成层化结构(layered structure)，其中铺层中的至少一个包括限定铺层递减的终止铺层。该方法还包括将至少一个铺层递减添加物定位成基本上与铺层递减相邻且加工该层化结构以实现铺层的粘附。参考下文的描述和所附权利要求，本发明的这些和其它特点、方面和优点将会更好地理解。附图合并于本说明书中并构成说明书的部分，附图示出本发明的实施例且与描述一起用于解释本发明的原理。
本发明的对于本领域技术人员而言的全面并可实施的公开内容(包括其最佳实 施方式)參考附图在说明书中陈述，在附图中图1示出包括铺层递减的层压复合材料的局部侧视图；图2示出常规铺层递减几何形状的透视图；图3示出根据本主题的方面的包括铺层递减改进的层压复合材料的实施例的透 视图；图4示出图3所示的层压复合材料的实施例的局部侧视图；图5示出根据本主题的方面的包括铺层递减改进的层压复合材料的另ー实施例 的透视图；图6示出图5所示的层压复合材料的实施例的局部侧视图；图7示出根据本主题的方面的包括铺层递减改进的层压复合材料的再一实施例 的透视图；图8示出图7所示的层压复合材料的实施例的局部侧视图；图9示出根据本主题的方面的包括铺层递减改进的层压复合材料的又一实施例 的透视图；图10示出根据本主题的方面的包括铺层递减改进的层压复合材料的还有的另ー 实施例的透视图；图11示出包括间隙接头的层压复合材料的局部侧视图。构件列表附图标记构件10常规层压件12铺层递减14内铺层16纤维17纵向18基质材料19覆盖铺层20终止铺层22间隙23相邻铺层外表面24纤维终端25横向26铺层递减影响深度38铺层宽度70间隙接头80铺层高度310、510、710、910、1010层压件312、512、712、912铺层递减
314、514、714、914316、516、716、916、1016318、518、718、918319、519、719320、520、720、920322、522、722323、523、723325、525340342、542344、544、744346380、780
相邻铺层纤维
基质材料覆盖铺层终止铺层间隙
相邻铺层的外表面横向带子空间高度纤维终端
在覆盖铺层与终止铺层之间的界 382、782
在终止铺层与相邻铺层之间的界
540 740 917
950、1050
纤维
基质材料强化剂纵向
扰乱的纤维终端
具体实施例方式现将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。以解释本发明的方式提供每个实例，并不限制本发明。实际上，对于本领域技术人员明显的是，在不偏离本发明的范围或精神的情况下可做出各种改进和变型。举例而言，作为一个实施例的部分示出或描述的特点可用于另一实施例以得到又一实施例。因此，预期本发明涵盖属于所附权利要求和其等效物内的这些改进和变型。本主题大体而言涉及复合层压材料(“层压件”)，其包括铺层递减改进，铺层递减改进被配置成减轻层压件内的应力集中。特别是，本主题涉及包括至少一个铺层递减添加物和/或具有无取向或扰乱的纤维终端的层压件。一般而言，认为通过产生包括这种铺层递减改进中一个或多个的层压件，可实现层压件强度的显著增加，从而导致在铺层递减处应力集中的减轻。此外，这种强度增加可使得由本主题的层压件形成的构件具有减小的大小/厚度，而不会有损构件的结构完整性。因此，可实现显著的材料和成本节省。一般而言，本主题的改进的铺层递减将在本文中关于包括纵向延伸的单向纤维的层压件展开描述。由于包括单向纤维的铺层可大体上具有是双轴、三轴或垫铺层2至4倍的强度和刚度，由于在铺层递减处的纤维终端的从单向铺层转移到任何相邻基质材料的荷载可显著地高于从其它类型的铺层转移的荷载。因此，包括单向纤维的层压件可更加易于失效，因为更高的荷载转移到相对低强度的基质材料造成基质材料开裂或分层。类似逻辑应用于使用碳纤维作为加强材料。由于碳铺层大体上比纤维玻璃铺层更强，显著更大的荷载在铺层递减处从碳铺层转移到相邻的基质材料。因此，可特别地需要将本主题的改进的铺层递减应用于包括单向碳纤维的层压件。但应了解所公开的技术的范围无需限于包括单向碳纤维的层压件。而是，本主题普遍地应用于本领域已知的任何类型和/或配置的复合层压材料。因此，本公开可应用于包括任何合适类型的铺层(诸如织物铺层或者预浸渍铺层)且包括任何合适加强和基质材料的层压材料。同样，包含于层压件内的粘附可通过任何合适制造过程制成，诸如熔渗过程、真空袋模制预浸渍过程、树脂转移模制过程、真空辅助树脂转移模制过程或其它合适过程。此外，用于本主题的层压材料内的加强材料可为编织的或非编织的且可以任何合适角度和/或取向设置于每个铺层内。举例而言，合适铺层取向可包括单向、双轴、三轴和类似取向。另外，本文所述的改进的铺层递减可应用于内铺层递减和外铺层递减，以及下文参看图11所描述的拼接或间隙接头。现参看附图，图3至图8示出包括铺层递减添加物的复合层压材料的各种实施例。 一般而言，认为可通过与铺层递减相邻插入铺层递减添加物而实现层压件内应力集中的显著减轻。特别是，铺层递减添加物可用于填充限定于铺层递减处的间隙22 (图1)且因此向此原本低强度区域提供增加的强度。此外，通过至少部分地填充间隙，可防止在铺层递减处的基质材料内裂缝形成和/或传播。本主题的铺层递减添加物也可用于加强设置于终止铺层内的纤维的纤维终端。因此，可在铺层递减处增加该层压件的剪切强度。特别地参看图3和图4，示出根据本主题的方面的包括铺层递减添加物340的层压复合材料310的一个实施例。特别是，图3示出限定铺层递减312的终止铺层320的透视图，其中铺层递减添加物340与铺层递减312相邻设置。图4示出层压件310的局部侧视图，特别地示出铺层递减添加物340设置于部分地由铺层递减312限定的间隙322内。如图3和图4所示，本主题的层压件310通常包括多个相邻设置的内铺层314和用作层压件310的外覆盖物的覆盖铺层319。铺层314中每一个可包括由基质材料318包围且在基质材料318内支承的多个纤维316。此外，如图所示，内铺层314之一可被配置为终止铺层320。因此，终止铺层320大体上限定铺层递减312，铺层递减312被配置成使得层压件310的厚度344减小或以别的方式逐渐减小。层压件310还包括基本上与铺层递减312相邻设置的铺层递减添加物340。如图所示，铺层递减添加物340包括以基本上横向325在相邻铺层314的外表面323上延伸一条带子340。但是，在替代实施例中，带子340可被配置成在任何合适方向与铺层递减312 相邻地延伸。一般而言，带子340可被配置成至少部分地填充限定于铺层递减312处的间隙322。因此，带子340可在铺层递减312处提供增加的强度且也可防止基质材料318内裂缝形成和/或传播。带子340还可用于加强铺层递减312的边缘或表面以及设置于铺层递减312处的纤维终端346以便防止终止铺层320分层。带子340通常可包括本领域中已知的任何合适的带子。如本文所用的术语“带子” 可包括任何类型材料的条，无论是否向该材料施加了粘合剂。但是，在特定实施例中，带子 340可包括剪切为相对窄的条的粘合剂预浸渍带子(adhesive prepreg tapes)以便装配于限定于铺层递减312处的间隙322内。众所周知，粘合剂预浸渍带子可包括粘合剂基质材料(诸如任何合适聚合组合物)，其利用玻璃填料、碳填料或其它加强型填料加强。因此， 合适的粘合剂预浸渍带子包括环氧树脂或乙烯酯粘合剂预浸渍带子。在其它实施例中，带子340可包括连续原丝毡(continuous strand mat, CSM)带子的窄条。举例而言，合适的 CSM带子可包括连续编织纤维带子，诸如编织纤维玻璃带子。此外，在某些实施例中，CSM带子也可利用任何合适的基质材料(诸如环氧树脂)浸渍。—般而言，该条带子340可基本上与铺层递减312相邻设置。在一实施例中，该条带子340可基本上直接与铺层递减312相邻设置。举例而言，如图4所示，带子340可定位成在铺层递减312处与终止铺层320接触。或者，如图3所示，带子340可远离终止铺层 320定位使得在带子340与终止铺层320之间限定空间342。还应了解该条带子340通常可具有任何合适的尺寸。但是，在本主题的各种实施例中，可优选的是，带子340具有能使之装配于限定于铺层递减312处的间隙322内而不会更改层压件310的所需锥形的尺寸。举例而言，在一实施例中，带子340可被配置成具有相对大的截面积以使得该间隙322内由带子340所占据的空间量最大。或者，带子340可被配置成具有相对小的截面积使得该带子340仅填充该间隙的一小部分。在此实施例中，应了解多条带子340可一个在另一个顶部堆叠或者可另外相邻地设置以便基本上填充该间隙322。还应了解尽管带子340被图示为具有基本上矩形的截面，但是带子340可大体上具有任何合适的截面。举例而言，在一实施例中，可需要带子340具有部分地成角度的截面以匹配或以别的方式对应于铺层递减312处覆盖铺层319的锥形或轮廓。此外，在各种实施例中，该条带子340无需基本上垂直于相邻铺层314的外表面 323设置。特别是，一条或多条带子340可以相对于相邻铺层314的外表面323的各种合适角度定位于间隙322内。还应了解，在本主题的若干实施例中，带子340可沿着其长度限定一个或多个孔、板条(slats)、间隙、凹槽或类似物(未图示)。这些孔、板条、间隙或凹槽可被配置成在层压件310的随后加工期间提供在该带子上、在该带子周围和穿过该带子的基质材料流动通路。此外，如图3和图4所示，该条带子340被描绘为完全设置于限定于铺层递减312 处的间隙322内。但是，在替代实施例中，带子340可被配置成使得其至少部分地设置于终止铺层320与任何相邻铺层之间。一般而言，认为通过将带子340的至少一部分定位于终止铺层320与相邻铺层之间，可减小在相邻铺层之间生成的层间剪切应力且因此防止层压件分层。因此，在一实施例中，该条带子340可位于层压件310内使得部分带子340设置于终止铺层320与相邻铺层之间，诸如在终止铺层320与覆盖铺层319之间的界面380处或者在终止铺层320与相邻内铺层314之间的界面382处，且其余带子340延伸到在铺层递减312处生成的间隙322内且至少部分地填充该间隙322。在不同实施例中，带子340可在靠近铺层递减312的位置完全设置于终止铺层320与相邻铺层之间(诸如在界面380、382 处)。现参看图5和图6，示出根据本主题的方面的包括铺层递减添加物540的层压复合材料510的另一实施例。特别是，图5示出限定铺层递减512的终止铺层520的透视图，其中铺层递减添加物540与铺层递减512相邻设置。图6示出层压件510的局部侧视图，特别地示出铺层递减添加物540设置于部分地由铺层递减512限定的间隙522内。如图5和图6所示，本主题的层压件510通常包括多个相邻设置的内铺层514和用作层压件510的外覆盖物的覆盖铺层519。铺层514中每一个可包括由基质材料518包围且在基质材料318内支承的多个纤维516。此外，如图所示，内铺层514之一可被配置为终止铺层520。因此，终止铺层520大体上限定铺层递减512，铺层递减312被配置成使层压件510的厚度减小或以别的方式逐渐减小。层压件510还包括基本上与铺层递减512相邻设置的铺层递减添加物M0。如图所示，铺层递减添加物540包括以基本上横向525在相邻铺层514的外表面523上延伸的纤维束540。但是，在替代实施例中，纤维束540可被配置成在任何合适方向与铺层递减512 相邻延伸。一般而言，纤维束540可被配置成至少部分地填充限定于铺层递减512处的间隙522。因此，纤维束540可被配置成在铺层递减512处提供增加的强度且也可防止基质材料518内裂缝形成和/或传播。纤维束还可被配置成通过提供基本上与铺层递减512相邻设置的一个或多个横向延伸的纤维而增加层压件510的剪切强度，其大体上用于通过向层压件510提供额外的加强和强度而减轻层压件510内的应力集中。本主题的纤维束540通常可包括本领域中已知的任何合适纤维束。如本文所用的术语“纤维束”可包括单个纤维或多个编织、编结或非编织的纤维。因此，在各种实施例中， 纤维束540可包括粗纱或纱线束。举例而言，纤维束540可包括多端或单端纤维玻璃粗纱。 此外，在本主题的特定实施例中，纤维束540可包括膨体粗纱(bulked roving)、膨体纱线 (bulked yarn)或变形粗纱(texturized roving)。一般而言，纤维束540可基本上与铺层递减512相邻设置。在一实施例中，纤维束 540可基本上与铺层递减512直接相邻设置。举例而言，如图6所示，纤维束540可抵靠铺层递减512定位以便与终止铺层520接触。或者，如图5所示，纤维束540可定位于距终止铺层520 —定距离处使得在纤维束540与终止铺层520之间限定空间M2。另外，应了解纤维束540通常可具有任何合适的尺寸。但是，在本主题的各种实施例中，可优选的是，带子 540具有能使之装配于限定于铺层递减512处的间隙522内而不会更改层压件510的所需锥形的尺寸。举例而言，在一实施例中，纤维束540可被配置成具有相对大的截面积以使得该间隙522内纤维束540所占据的空间量最大。在替代实施例中，纤维束540可被配置成具有相对小的截面积使得该束540仅填充该间隙的一小部分。在此实施例中，应了解多个纤维束540可基本上与铺层递减512相邻设置以便基本上填充该间隙522。此外，尽管纤维束540在本文中被描绘为具有基本上圆形的截面，但是应了解本主题的纤维束540大体上可具有任何合适截面，诸如椭圆形或矩形截面。现参看图7和图8，示出根据本主题的方面的包括铺层递减添加物740的层压复合材料710的再一实施例。特别是，图7示出限定铺层递减712的终止铺层720的透视图，铺层递减添加物740与铺层递减712相邻设置。图8示出层压件710的局部侧视图，特别地示出铺层递减添加物740设置于部分地由铺层递减712限定的间隙722内。如图7和图8所示，本主题的层压件710通常包括多个相邻设置的内铺层714和用作层压件710的外覆盖物的覆盖铺层719。铺层714中每一个可包括由基质材料718包围且在基质材料718内支承的多个纤维716。此外，如图所示，内铺层714之一可被配置为终止铺层720。因此，终止铺层720大体上限定铺层递减712，铺层递减712被配置成使得层压件710的厚度减小或以别的方式逐渐减小。层压件710还包括基本上与铺层递减712相邻设置的铺层递减添加物740。如图所示，铺层递减添加物740包括基质材料强化剂(matrix material strengthener) 740，基质材料强化剂740在基本上与铺层递减712相邻的整个区域上分布。一般而言，基质材料强化剂740可被配置成至少部分地填充限定于铺层递减712处的间隙722。因此，基质材料强化剂740可被配置成增加基质材料718的强度，其可在层压件710加工期间(例如，在熔渗加工、真空袋模制加工和类似加工期间)熔渗或以别的方式插入到间隙722内。通过向基质材料718提供额外强度，显著地减轻在铺层递减712处或邻近处的基质材料718内裂缝形成或传播的可能性。基质材料强化剂740通常可包括可用于填充限定于铺层递减712处的间隙722以便增加基质材料718和/或层压件710的强度的任何合适的填料材料。如本文所用的术语“基质材料强化剂”可包括被配置成强化基质材料718的强度的填料材料和被配置成使基质材料718变坚韧的填料材料，诸如下文所述的环氧树脂和橡胶改性剂中的许多。在一实施例中，基质材料强化剂740可包括任何类型粉末或粒子。举例而言，基质材料强化剂 740可包括多种无机粒子。合适无机粒子可包括多种硅石粒子(诸如熔凝硅石、研磨硅石或锻制硅石)，或者各种其它已知的无机粒子。或者，基质材料强化剂740可包括多种有机粒子(诸如多种弹性体-改性的环氧化物改性剂、弹性体改性的乙烯酯改性剂、端羧基改性剂(carboxyl-terminated modifiers)、其它橡胶聚合改性剂)，或本领域中已知的任何其它合适有机粒子。此外，应了解基质材料强化剂740可包括不同粒子的组合，诸如两种或两种以上的有机粒子、两种或两种以上的无机粒子或者有机粒子或无机粒子的混合物的多种情况。此外，在一实施例中，基质材料强化剂740可以干燥形式施加且在层压件710组装期间在与铺层递减712相邻的区域中分散或铺展。在替代实施例中，基质材料强化剂740 可与任何合适的分散剂混合且喷射或以别的方式分配到相关区域内。举例而言，任何合适的聚合组合物(诸如树脂)可与有机或无机粒子混合以形成液体喷射以允许基质材料强化剂740直接喷射到与铺层递减712相邻的区域内。此外，如图7和图8所示，基质材料强化剂740被描绘为完全设置于限定于铺层递减712处的间隙722内。但是，在替代实施例中，基质材料强化剂740可至少部分地设置于终止铺层720与任何相邻铺层之间。一般而言，认为通过将基质材料强化剂740的至少一部分定位于终止铺层720与相邻铺层之间的位置，可减小在相邻铺层之间生成的层间剪切应力且因此可以防止层压件分层。因此，在基质材料强化剂740包括多种粒子的实施例中，粒子的一部分可设置于间隙722内，且其余粒子可分散于终止铺层720与相邻铺层之间，诸如在终止铺层720与覆盖铺层719之间的界面780处或者在终止铺层720与相邻内铺层714 之间的界面782处。在另一实施例中，所有粒子可在靠近铺层递减712的位置完全设置于终止铺层720与相邻铺层之间(诸如在界面780、782处)。尽管大体上孤立地描述了本主题的铺层递减添加物，但是应了解两个或两个以上的铺层递减添加物可组合地用于填充限定于铺层递减处的间隙或者另外强化该层压件。举例而言，在一实施例中，一条或多条带子340可与至少一种基质材料强化剂740组合以便减轻层压件内的应力集中。同样，在另一实施例中，一个或多个纤维束540可结合至少一种基质材料强化剂740使用。还应了解本主题的发明人认为通过使设置于铺层递减处的纤维终端扰乱或无取向，可实现层压件的应力集中的显著减轻。特别是，认为在铺层递减处的剪切强度可通过使纤维的纤维终端铺展或无取向而显著地增加。举例而言，通过扭结、梳理或以别的方式扰乱
11纤维终端的取向，可抑制纤维的纵向能力，其可导致在铺层递减的该区域中在终止铺层与任何相邻铺层之间的层间剪切应力量值减小。现参看图9和图10，示出根据本主题的方面的包括具有无取向或扰乱的纤维终端 950、1050的终止铺层920的层压复合材料910、1010的两个实施例的透视图。如图所示，复合层压材料910、1010包括设置于相邻内铺层914的顶部上的终止铺层920。终止铺层920 大体上限定铺层递减912，铺层递减912被配置成使得层压件910、1010的厚度减小或以别的方式逐渐减小。此外，终止铺层920包括由基质材料918包围且在基质材料918内支承的多个纤维916、1016。纤维916、1016中的每一个大体上在终止铺层920的纵向917延伸且限定在铺层递减912处的纤维终端950、1050。如在图9和图10中特别地示出的那样，使纤维916、1016的纤维终端950、1050无取向或以别的方式从其原始纵向取向扰乱。举例而言，如图9所示，纤维终端950均勻地弯曲、成角度、扭结或以别的方式被扰乱使得每个纤维终端950大体上在基本上相同的方向上延伸。具体而言，每个纤维终端950弯曲或以别的方式被扰乱以便相对于铺层递减912 的平面或表面和相对于纵向917成大约90度。但应了解纤维终端950可大体上均勻地弯曲或被扰乱以便相对于原始纵向取向/方向917以任何角度和/或方向延伸。与图9的实施例相对比，图10所示的终端1050随机地弯曲、成角度、扭结或以别的方式被扰乱。因此， 纤维终端1050大体上相对于纤维1016的原始纵向取向/方向917以各种角度和以各种方向定向。应了解纤维916、1016的取向无需在终止铺层920内的纵向以使得纤维终端950、 1050扰乱或无取向为有效应力消除。举例而言，本主题的纤维的取向可便于以45度角在铺层递减的方向上延伸。在此实施例中，可通过在铺层递减处均勻地或随机地扰乱纤维终端远离其原始45度取向而减轻层压件的应力集中。为了实现图9所示的均勻的无取向或扰乱，应了解每个纤维916的纤维终端950 可大体上被梳理、轧制或以别的方式在单个方向被机械地干扰。同样，图10所示的随机无取向或扰乱可通过以下步骤来实现利用气枪吹纤维终端1050，利用锤子撞击纤维终端 1050或以别的方式在各种随机方向机械地干扰纤维终端1050。应了解在其中本主题的终止铺层包括预浸渍铺层的实施例中，可需要在扰乱纤维的同时加热以便实现纤维终端均勻或随机的无取向。还应了解本主题的铺层递减改进也可应用于拼接或间隙接头。包括间隙接头70 的层压材料10在图11中示出。一般而言，层压件10包括一个在另一个顶部堆叠的多个相邻设置的内铺层14和用作层压件10的外覆盖物的覆盖铺层19。每个铺层14通常包括由基质材料18包围且在基质材料18内支承的加多个纤维16(出于清楚目的，仅示出一个纤维)。此外，如图所示，间隙接头70限定于层压件10的两个终止铺层20之间。通常在用于生成层压件10的成卷铺层材料用完时生成这种接头70。因此，其余铺层的长度可不足以覆盖在工具或模具内所需的距离。为了覆盖其余距离，必须将第二卷铺层插入于该模具内。 因此，如图11所示，间隙接头70可限定于两个相邻设置的铺层之间。此外，由于铺层中的每一个为终止铺层20，每个终止铺层20内的纤维16的拉伸荷载能力在间隙接头70处减小至零，从而在接头70处引入应力集中。因此，应了解本文所述的铺层递减改进中的一个或多个可应用终止铺层20中的每一个以减小间隙接头70处的应力集中。
另外，应了解本主题的应用并不限于本文所述和所示的单个铺层递减配置。举例而言，其它形式的铺层递减配置可包括交错或一个在另一个顶部设置的多个铺层递减。特别是，两个、三个或三个以上的终止铺层可相邻设置以生成多个铺层递减。本领域技术人员应了解本文所述的铺层递减改进可应用于这些多铺层递减。此外，应了解本文所述的各种实施例无需孤立地利用。而是，可利用所公开的铺层递减的任何合适组合来减轻层压材料内的应力集中。举例而言，在一实施例中，两个或两个不同的铺层递减添加物可与铺层递减相邻设置。在另一实施例中，终止铺层可包括均勻且随机分布的纤维终端。在另一实施例中，一个或多个铺层递减添加物可结合无取向纤维终端使用。本主题也涉及制造层压件复合材料的方法。在一实施例中，该方法可包括组装多个铺层以形成层化结构，铺层中的至少一个包括限定铺层递减的终止铺层。该方法还包括将至少一个铺层递减添加物基本上与铺层递减相邻设置且加工该层化结构以实现铺层的粘附。如上文所示，铺层的粘附可利用本领域中任何合适的制造过程来实现。举例而言，合适过程可包括(但不限于)熔渗过程、真空袋模制预浸渍过程、竖直转移模制过程、真空辅助树脂转移模制过程和其它类似过程。本书面描述使用实例来公开本发明(包括最佳实施方式)，且也能使本领域技术人员实践本发明，包括做出和使用任何装置或系统和执行任何合并的方法。专利保护范围由权利要求限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质不同的等效结构元件，那么其它实例预期在权利要求的保护范围内。
权利要求
1.一种复合层压材料(310、510、710)，包括多个相邻设置的铺层(314、514、714)，所述铺层(314、514、714)中的至少一个被配置为终止铺层(320,520,720)；以及由所述终止铺层(320,520,720)限定的铺层递减(312,512,712),其中，至少一个铺层递减添加物(340、M0、740)基本上与所述铺层递减(312、512、 712)相邻设置。
2.如前述权利要求1所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述至少一个铺层递减添加物(340、M0、740)被配置成填充由所述铺层递减(312、512、71幻部分地限定的间隙(322、522、722)。
3.如前述权利要求中任一项所述的复合层压材料(310、510，710)，其特征在于，所述至少一个铺层递减添加物(340、M0、740)至少部分地设置于所述终止铺层(320、520、720) 与相邻铺层(314、514、714)之间。
4.如前述权利要求中任一项所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述至少一个铺层递减添加物(340、M0、740)包括至少一条带子(340)。
5.如前述权利要求4所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述至少一条带子(340)包括至少一条粘合剂预浸渍带子或者至少一条连续原丝毡带子。
6.如前述权利要求1至3中任一项所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于， 所述至少一个铺层递减添加物(340540、740)包括至少一个纤维束(540)。
7.如前述权利要求6所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述至少一个纤维束640)横向于所述终止铺层(520)的纵向设置。
8.如前述权利要求6或7所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述至少一个纤维束640)包括至少一束粗纱或纱线。
9.如前述权利要求1至3中任一项所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于， 所述至少一个铺层递减添加物(340 540、740)包括至少一种基质材料强化剂(740)。
10.如前述权利要求9所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述至少一种基质材料强化剂(740)包括多种有机或无机粒子。
11.如前述权利要求中任一项所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述终止铺层(320,520,720)包括多个纤维(316、516、716)，所述纤维(316、516、716)具有在所述终止铺层(320、520、720)内的取向，所述纤维(316、516、716)的至少一部分的取向在所述铺层递减(312、512、712)处被扰乱。
12.如前述权利要求11所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述纤维 (316、516、716)的至少一部分的取向在所述铺层递减(312、512、712)处被均勻地扰乱。
13.如前述权利要求11所述的复合层压材料(310、510、710)，其特征在于，所述纤维 (316、516、716)的至少一部分的取向在所述铺层递减(312、512、712)处被随机地扰乱。
14.一种制造层压复合材料(310、510、710)的方法，所述方法包括组装多个铺层(314、514、714)以形成层化结构，所述铺层(314、514、714)中的至少一个包括限定铺层递减(312、512、712)的终止铺层(320,520,720)；将至少一个铺层递减添加物(340、M0、740)基本上与所述铺层递减(312、512、712)相邻设置；以及加工所述层化结构以实现所述铺层(314、514、714)的粘附。
15.如前述权利要求14所述的方法，其特征在于还包括扰乱设置于所述铺层递减 (312、512、712)处的多个纤维终端(950、1050)的取向。
全文摘要
本申请涉及用于复合层压材料的铺层递减改进和相关方法。其中，公开了一种复合层压材料(310、510、710、910、1010)。该复合层压材料(310、510、710、910、1010)包括多个相邻设置的铺层(314，514、714、914)。该铺层(314，514、714、914)中的至少一个被配置为终止铺层(320、520、720、920)。此外，铺层递减(312、512、712、912)由该终止铺层(320、520、720、920)限定，其中，该铺层递减(312、512、712、912)包括被配置成减轻该复合层压材料内的应力集中的改进。
文档编号B32B3/02GK102310594SQ201110192519
公开日2012年1月11日 申请日期2011年6月29日 优先权日2010年6月29日
发明者H·D·德里弗, P·J·弗里茨, S·A·基里亚基德斯 申请人:通用电气公司