复合叠层结构及其制造和使用方法
【专利摘要】在此提供各种结构的子叠层模块，其包括至少第一层板和第二层板，该第一层板包括在第一方向上伸展的纤维，该第二层板包括在第二方向上伸展的纤维。该第二方向相对于第一方向偏离，其中这两个方向之间形成一个锐角。该锐角小于90°，并且在至少一个实施例中，该锐角大约为25°。在特定实施例中，该锐角确定了子叠层模块的不平衡结构。在特定实施例中，该第一和第二层板可以进一步相对固定，以形成无翘曲结构。还提供由各种实施例的子叠层模块形成的复合叠层结构，至少一种复合叠层结构是对称的。还提供用于制造子叠层模块和复合叠层结构的各种方法。
【专利说明】复合叠层结构及其制造和使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种复合叠层结构，特别地这些结构包含成角度的板方向以得到所需要的改进的物理性能，以及制造和使用这些结构的方法，
【背景技术】
[0002]传统的复合叠层结构通常是被设计用来模拟传统金属叠层材料的强度特征，这些限制使得些这结构形成的设计具有对称和平衡的板层。这些传统结构在被限制或者包含至少三层由黑碳纤维形成板层时，在本领域中通常被称为“黑铝”，这是由于他们包含碳组分和仿金属特征。
[0003]对称叠层包括一个沿其中心平面板层方向的对折或镜像的等价物，同时平衡的叠层包括数目相等的正(+)和负(_)方向的板层穿过他们的整体。这些限制能够传统的保留下来且未受争议的原因在于传统复合叠层结构将会在从凝固温度冷却下来时发生不希望的卷曲或者在操作温度改变时增大剩余应力。
[0004]对称叠层传统上由将多个具有不同方向的带层堆叠形成，并且通过将复合叠层沿着该结构的中平面排列成它本身的镜像的方式形成织物纤维板。由于容易产生错误，这种叠层工艺通常需要更多的时间和劳动，需要精确地对各个复合叠层进行排序，并且可能会产生不需要的板层数目，从而产生过多的工艺浪费和损失。进一步的，在锥化叠层外表面的过程中，对称叠层已经过去被证明是笨重的，由于即使在去除板层以形成锥体时至少一部分希望贯彻维持对称性。此外，由于基本上具有相同方向的独立或成对的对称板层在形成椎体的时候被去除，叠层的堆叠顺序和材料的强度特性也因此被改变。
[0005]平衡叠层，像上述对称叠层一样，传统上通过堆叠多个具有不同方向的板形成，这些板在多个精确方向上具有相对较大的夹角。例如，每个偏移轴板，如+45°板典型地与-45°板镜像匹配。此外，一个公知常识是，四板方向由-45°、0°、45°和90°合并而成。可选的，三板方向同样公认为0°、±45°。关键在于,正(+)角度板和负(_)角度板的数目保持相等。
[0006]在试图将叠层厚度最小化时，通常唯一办法是采用更薄的板，很难形成这种平衡和对称叠层。假设需要减去特定板数或组数而不能破坏所需要的平衡性和对称性，在这些结构中同样存在锥化的复杂性。进一步的，平衡叠层是正交的，其中在由弯曲和扭转时引起挠曲和旋转是不耦合的。这种结构反应类似于各向同性材料，如金属。
[0007]尽管不是本领域内所公认的，耦合的弯曲和旋转时可以提供所需要的形变特征，特别地，允许设计师可靠地预测由扭转引起的弯曲并使二者彼此相互作用，使得出现挠曲和/或旋转的减小程度不可能存在于正交并且各向同性材料之间。这不仅对于细长结构而言是有益的，例如，风涡轮刀片、直升机螺旋桨、飞机机翼和机尾等等，其中通过使用这种不平衡叠层的弯曲扭转耦合，可以使得在一个方向上减小尖端挠曲，对于许多其他应用而言也是有益的。
[0008]传统的复合叠层结构以往显示静态和疲劳特征，这些特征允许该结构在最终损坏之前形成和存在一定的微裂纹程度。这是因为，至少一部分，第一层板损坏(FPF)和最后一层板损坏(LPF)之间应力差异，是本领域所公知的，也是下文中将详细描述的。在许多应用中，这些微裂纹是允许存在的，使至少在这一方面，传统复合叠层结构可适用。然而对于特定的应用，不允许微裂纹的存在，需要选择性地设计结构，使得FPF和FPL之间的应力差异最小化。当然，由于至少前面所述的对称性和平衡性的限制，传统的复合叠层结构具有四个或更多铺层角度，这些通常不适用于那些特定应用。
[0009]因此，需要提供叠层结构及其制造和使用的方法，该结构能使上述平衡性和对称性叠层结构所产生的缺陷和限制最小化，能使微裂纹最小化，并且扩展第一层板的破坏包络线，所有这些特性不以牺牲物理特性为代价。
【发明内容】
[0010]简而言之，本发明的不同实施例示出了上述需要，并通过提供包含新型成角度板方向的叠层结构得到其他优点，获得所需的强化物理特性和促进制造工艺。
[0011]根据所述不同实施例的目的，提供了一种用于形成复合叠层的子叠层模块。该子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二方向相对于第一方向偏移；在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90°，并且确定该子叠层模块的不平衡结构，其中第一层板和第二层板相对固定为以无翘曲结构。
[0012]根据所述不同实施例的目的，还提供了另一种用于形成复合叠层的子叠层模块。该子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维，该第一层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；以及在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90°，并且确定该子叠层模块的不平衡结构。
[0013]根据所述不同实施例的目的，提供了一种复合叠层结构。该缝合叠层结构包括多个子叠层模块。每个子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二方向相对于第一方向偏移；在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90°，并且确定该子叠层模块的不平衡结构，其中第一层板和第二层板相对固定为以无翘曲结构。
[0014]根据所述不同实施例的目的，提供了一种复合叠层结构。该缝合叠层结构包括多个子叠层模块。每个子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维，该第一层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90°，并且确定该子叠层模块的不平衡结构。
[0015]根据所述不同实施例的目的，提供了一种制造用于形成复合叠层的子叠层模块的方法，该方法包括如下步骤:将第一层板放置于第一方向；将第二层板放置于第二方向，该第二方向相对于该第一方向偏离形成小于90°的锐角；将第二层板与第一层板重叠以形成不平衡结构；以及将第一层板与第二层板相互压合成为基本上无翘曲的结构。
[0016]根据所述不同实施例的目的，还提供了另一种制造用于形成复合叠层的子叠层模块的方法，该方法包括如下步骤:伸展包含多条纤维的第一粗纤维，以形成第一层板层；伸展包含多条纤维的第二粗纤维，以形成第二层板层；将该第一粗纤维的多条纤维放置于第一方向上；将该第二粗纤维的多条纤维放置于第二方向上，该第一和第二方向形成一个锐角，该锐角小于90°，并且形成该子叠层层面的不平衡结构；将第二层板层与第一层板层相邻重叠；以及将第一层板层和第二层板层压合成为无翘曲的结构。
[0017]根据所述不同实施例的目的，提供了一种制造用于形成复合叠层的子叠层模块的方法，该方法包括如下步骤:形成多个子叠层模块，每个模块包括:第一层板层，其包括在第一方向上伸展的纤维；第二层板层，其包括在第二方向上伸展的纤维；以及在第一方向和第二方向之间相对偏离形成一个锐角，该锐角小于90°，以及确定该子叠层模块的不平衡结构；将多个子叠层模块相邻重叠；将多个子叠层层面相互固定，以形成基本上无翘曲结构；以及依次叠加相对固定的多个子叠层层面，以形成复合叠层结构。
[0018]根据所述不同实施例的目的，还提供了另一种用于形成复合叠层结构的子叠层模块，该子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上伸展的纤维；第二层板，其包括在第二方向上伸展的纤维，该第二方向相对于第一方向偏离；以及在第一方向和第二方向之间相对偏离形成一个锐角，该锐角小于30°，其中该第一层板和第二层板相对固定形成无翘曲结构。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]现在将参考附图，概括性地描述本发明的实施例，所述附图并不一定按比例绘制，其中:
[0020]图1示出了现有技术中的一种对称叠层结构；
[0021]图2示出了不同实施例中的一种不对称、不平衡的叠层结构10 ；
[0022]图3示通过至少两个子叠层模块15，示出了一种图2中的叠层结构的典型构造；
[0023]图4示出了可通过配置类似图2中的叠层结构而获得的一种均一化程度，；
[0024]图5是一个曲线图，示出了图1中的叠层I和图2的叠层结构10之间翘曲的降低程度;
[0025]图6A示出了各种实施例中遇到弯曲和扭转力时的不平衡层叠；
[0026]图6B示出了相对于图1中不对称叠层结构的至少一个板的不平衡角度的各种弯曲扭转耦合值的曲线图；
[0027]图7是一个曲线图，示例性的示出了与不同应用率相结合的扭转和弯曲运动下使偏离值最甚至为O的悬臂式不平衡板；
[0028]图8是分别示出了现有技术中对称叠层结构中的微裂纹区，以及根据本发明实施例中图2中的不对称、不平衡叠层结构10中的示例的无微裂区
[0029]图9示出了根据各种实施例中不对称子层叠结构的无翘曲织物层的缝合过程；以及
[0030]图10示出了制造图1中不对称叠层结构的改进型机器。
【具体实施方式】
[0031]现将参照附图，在下文中更充分地描述本发明的各个实施例，其中示出了本发明中实施例的一部分而非全部。实际上，本发明的实施例可以以许多不同的形式来体现，并且不限于此处所述的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将满足适用的法律要求。除非另有指明，术语“或”在本文中，表示选择和连接关系。相同的数字指代相似的元件。
[0032]
[0033]在一般情况下，本发明的不同实施例中包含与一个或多个控制叠层结构及其制作方法的各种公认的约束条件。我们将会看到，即使在最优条件下，这些约束条件经常在复合材料的完整性和优点之间做出妥协，同时也使叠层强度的预测极为困难。典型的约束条件包括但不限于:对称性、平衡性、板数，帘板间相对最大角度和规定的百分之十(10% )，这些将在下面进一步描述。
[0034]一般来说，“对称性”要求叠层结构的层状组分在沿着叠层结构的平面中轴翻转或对折时完全相同。以这种方式，对称的叠层结构相对于其平面中轴呈现出其自身的反射或镜像。“平衡性”，至少在切线方向满足对称性时，进一步要求在叠层结构中，对于任意数目的分立的板层方向，其正(+)方向板层和负(_)方向板层必须成对出现。换句话说，为了保持平衡性，正方向板层数目和负方向板层数目必须相等。
[0035]另外，当满足现有技术需要时，叠层结构中平衡性的要求只适用于一个独特的预先定义的参考轴，不能用于任何其他轴(例如，它是不固定的)。对于特定的应用，平衡的层叠结构仍然具有优势，如那些将经历完全可逆的负载(例如飞机的机身，因为，比如说，飞机必须能够同样地进行左转和右转)，在至少两个相反的方向上希望具有对称的挠曲和/或旋度。事实上，由于平衡性是完全可逆扭转元件和切割负载的固有要求，板层方向是可调节的，因而可通过一定的方式被选择以满足这方面特别的设计标准。然而，在其他各种应用中，可能只希望在某个特定方向上的挠曲和/或旋度最小化且不消除其他潜在的优良特征(例如，升降机等)。在这种可替代应用中，不平衡的叠层结构可以是优选的。
[0036]“板层数目”这一约束条件产生了上述对称性和平衡性的问题，二者同时满足需要用到比其他方面更多的板层数目。试考虑，例如，在构建一个复合叠层结构时用到了四个板层方向，那么至少需要4个板层以保持平衡性，同时至少需要8个板层才能得到对称性。在板层数目限制的同时，传统的叠层结构进一步被一种10%规则所限制。由于在本领域中公认的，这一规则要求每个板层方向必须构成总叠层结构的至少百分之十。在一个非限制性的例子中，一个被限制的[0° /±45° /90° ]层叠结构包括20个板，其中的16个板位于±45°上。这对于这样的层叠结构，为了满足10%的规定，其余四个板中的两个必须被准确的定向在O度，余下的两个板被定向在90°。因此，这种叠层有10%在0°，80%在±45°，10%在90°。可以看出，10%的规定显著地影响着叠层结构的最小厚度和规格，以及与要满足平衡性和对称性所需要的最小板层数目。这种最小规格不仅由预期负载要求决定，但也要考虑操作、有小强度或其他非结构要求，适用于特定的应用。
[0037]在各种各样的应用中，特别是高负荷结构的应用，其中重量、厚度和叠层结构的完整性总是关键的设计因素，如上文所述的常规约束条件已经经常被证明是累赘。作为响应，本发明的各种实施方式中去除了这些约束中的一个或多个，包括代替可能导致一定程度的弯曲扭转耦合的不对称和不平衡的结构特点，至少关于分立的子叠层模块，如下文所述。弯曲扭转I禹合为控制由结构基于弯曲和扭转力的组合表现出来的挠曲提供了 一种可靠的和可预测的机制。
[0038]由于上述的不对称和不平衡性，某些实施例中采用更少的板进一步产生改进的均一性，往往关键于尽可能的减少重量和厚度而不牺牲结构的完整性。如将在下面进一步详细描述的，改进的对称性，有利于方便计算层叠结构的结合效应强度，并在锥化时保持材料特征保持不变。在这些和还有其他各种实施例中，通过抛弃如四个板层角度和百分之十(10% )规则这些传统约束条件，叠层结构中板层方向的数目达到最小化。其结果是，这些和其他实施例提供了一种更快、更有效、并且不容易出错的层叠结构工艺，通常情况下利用子叠层模块，接着进一步改进了锥化结构的设计和堆叠过程。
[0039]这样的子叠层模块，如将在下面进一步详细描述的一样，通常包括预先定义的一个或一组具有多个方向的独立板层。子层叠体模块可通过烘干的方法提供，或可选的，采用预浸处理的方法提供，如将在下文中进一步描述的一样。每个子叠层模块，虽然包括多个单独的板层方向，仍被视为一个单一的单元，用于组装完成的叠层产品。通过这种方式，如将在下文中进一步详细描述的，子层叠模块的功能即为装配完成的叠层产品的基本构建。子层叠模块可以包括任何所需数量的板层，只要它们包含多个板层方向。然而，这是希望在独立的子叠层模块中使板层数目最小化，这将在下文中进一步详细描述。
[0040]本发明的各种实施例还可以包括不平衡的结构特征。在这些和其它实施例中，这可能会或可能不会包括上述某些功能，特定板层角度方向的选择还要考虑结构的刚度和强度。这些参数的可预测性得以改善，因为至少某些实施例中选择板层方向，其中因施加结合弯曲和扭转元件而产生的变形是可控的，导致而产生的变形施加相结合的弯曲和扭矩是可控的，这一特征在平衡(例如，正交和/或各向同性的)结构中是不存在的。
[0041]这些特征中的每一个，与他们的优点相对应，将在下文中在必要时参照附图被更详细地描述。
[0042]不对称结构特点
[0043]首先参照图1，示出了现有技术中的一个对称叠层结构I。正如可以从该图中更好地理解，对称叠层结构I通常由至少4个板层方向构成，分别为-45°、0°、45°和90°。结构I中示出的所示四个板层方向依次通过板层2a、2b、2c和2d的相对方向实现。在示意性示出的实施例中，在中平面6的上方和下方该板层序列至少重复三次，如下文所述。可选的，三板层方向也司空见惯，且通常取消90°方向而采用0°、+45°、-45°的取向配置。值得注意的是，这样的配置始终保持的正(+)方向和负(_)方向板层的数量相等，也是一个常见的行业惯例。这样的配置通过将板层2a、2b、2c和2d堆叠为两个板层组方向7a、7b来进一步保持对称性，每组方向都以所形成的结构I的中平面6作为中心。以这种方式，在完全形成时，板层相对于中平面轴6显示为彼此的镜像，从而保持对称性，如前文所述。对于某些应用，先前所描述的类型中的子叠层模块5，可以被纳入在对称叠层结构I中，每一个通常包括至少四个板层，即2a、2b、2c和2d。当然，应该理解的是，其他的现有技术的配置(图中未示出)通常包括具有八(8)到十(10)个，或者更多板层的子层叠模块，不仅实现平衡性是必要的，实现对称性也是必要的。这样的约束条件，正如所预期的，往往会在不需要更大厚度来承受负载的地方造成相对较厚的叠层结构。
[0044]现在参照图2，示出了各种实施例中不对称、不平衡的叠层结构10。从该图中可以最好地理解，该叠层结构10，在某些实施例中，包括多个第一板层12a、多个第二板层12b、第一方向13 (也如图3所不)和第二方向14 (也如图3所不)。所述多个第一板层12a,根据某些实施例，被相应的多个第二板层12b分隔。多个第二板层12b中的每一个在图1中未加任何标记，以便区别于加上对角线标记的第一板层12a。
[0045]多个第一板层12a中的每一个，根据各个实施例，相对于多个第二板层12b都沿第一方向13取向(也如图3所示)。所述多个第二板层12b中的每一个可以是依次沿第二方向14取向，正如参考至少图3将要在下面进一步详细描述的。以这种方式，可以在第一和第二板层各自的方向之间形成铺层角19 (如图3所示)，使得铺层角对应于它们之间方向的夹角。至少在图示的实施例中，铺层角19的角度是25°，而在其它实施例中的铺层角19的角度在从10°至40°的范围内，适用于特定的应用。在其它实施例中，该范围可以是从约15°?30°，这取决于弯曲扭转耦合所希望的结果，这将在下面进一步详细描述。弯曲扭转耦合的剪切耦合分量通常在铺层角为30°时达到最大值。在其它实施例中，应该理解的是，铺层角19可以是任何不同的锐角(例如，小于90° )，将在下文参考不平衡和叠层结构10的不平衡结构特点进行进一步详细描述。此外，根据各种实施例，铺层角19可以是连续变量，这意味着铺层角值不限于离散的整数值。
[0046]叠层结构10，类似于现有技术的叠层结构中，可根据各种实施例，进一步包括一个中平面轴16。在某些实施例中，至少在图2所示，层叠的第一和第二板层12a，12b，需要不沿中平面轴16对称。换句话说，如前所述，在整个叠层结构10中，多个第一板层12a的被相对应的多个第二板层12b的每一个分隔。与此相反，作为最好的理解，通过比较图1和图2，多个板层2d中的至少两个的位置彼此直接相邻(例如，没有任何其它板层2a、2b和/或2c分隔)。通过这种方式，根据各个实施例，层叠的第一和第二板层12、12b通常是不对称的。
[0047]返回到图2，根据各种实施例的层叠结构体10可以沿着一个单一的方向17被堆叠。与图1中现有技术中非均一的叠层结构I相比，该板层必须在沿7a、7b两个方向被堆叠，使其保持以中平面轴6为中心，叠层结构10的板层12a、12b仍然可以按顺序堆叠，而不考虑它们的方向或相它们与中平面轴线16的相对位置。在某些实施例中，将在下面进一步详细描述，板层可能不会被单独连续层叠，子叠层模块(参见图2和下文说明书的记载)，每个包括两个或两个以上的板层，是连续堆叠的。因为单独的子叠层模块可以被连续堆叠，相比于现有技术中的对称的配置所需的劳动和时间密集的工艺，这样的配置提供了一个显著的成本优势，并且创建一个均一结构。能够连续堆叠板层(或子叠层模块，如下文所述)也使放置板层时的错误风险最小化，同时促进使得锥化和板层去除过程更加容易，也将在下面进一步描述。
[0048]为了进一步优化成本，根据各种实施例的叠层结构10还可以进一步包括多个子叠层模块15，如前面所定义和描述的。每个子叠层模块15，至少在图2所描绘的，通常可以包括至少一个第一板层12a和一个第二板层12b，每一个通常具有不同的排列方向，如本文其他地方描述的。在某些实施例中，子叠层模块15构成了形成的叠层结构10的基本构造块，并且，以这种方式，在制造过程中一般被视为单一单元。换句话说，作为基本构造块，根据各种实施例，子叠层模块15可预先组装，使得它们能通过“单轴层叠”的过程直接堆叠在另外一个顶部，这将大幅减小再构过程。
[0049]在至少这些包括子叠层模块15的实施例中，如图2所示，“单轴层叠”比使用现有技术中叠层结构I的传统四轴层叠法快7倍，虽然应当理解，可以实现不同程度的提高效率，可适用于对于特定的应用。替代实施例中，如将在下面进一步详细描述的，可能涉及到旋转(例如，翻转或折叠)每一个其他子叠层模块15以形成一个平衡的叠层(例如，[0° /土铺层角19/0° ]的配置)，实现了完全可逆的扭转元件或完全负载(例如，具有从-1到+1的幅值)，适用于特定的应用中。通过这种方式，基本构造块，即每个子叠层模块15可用于某些实施例中，通过单轴层叠工艺，不仅形成如图2所示的不平衡的叠层结构，也可形成平衡的叠层结构。在其它实施例中，当铺层角19是45°时，如在子叠层模块[0/45]中，子叠层模块5可翻转和旋转成为[-45/90]配置。根据各种实施例，通过层叠这两个子叠层模块(一个旋转和一个不旋转的)，可得到一个准各向同性的叠层结构[0/±45° /90° ]。根据在某些实施例，由于至少一个子叠层模块旋转了 90度，这样的结构可通过“单轴层叠”的方式形成。然而，应该理解，在任一这些和另一些实施例中，例如叠层工艺，通常得到相对可比较的和适用的效率，至少部分避免了“离轴层叠”(例如，在+铺层角19或-铺层角19的方向)。
[0050]特别参照图3，根据各种实施例，在所述至少两个子叠层模块15中示出了一个示例性的叠层结构10的结构。在图的3左侧，示出了第一模块15，它包括一个单独的第一板层12a和一个单独的第二板层12b。机器1000，通常理解，从至少图10可以看到有一个机器方向17，可对准子叠层模块15的整体轴。在某些实施例中，沿机器方向17可以是与至少一个板层(例如，图3中的第二板层12b)轴线对应于的0°轴，从而进一步提高了模块15的成本和效率的优势。这种机器方向17通常会在这些具有25°的铺层角的实施例中造成一个[0/25]的机器配置。然而，应该理解，在其他实施例中，机器方向17不必是沿0°轴方向，适用于特定的应用。在一个非限制性的例子中，机器方向17可沿60°轴配置，在这些具有25°铺层角的实施例中形成了一个[60/85]的机器配置。最显著的，但应该理解，根据各实施例，配置角度之间的差异基本上与所需的铺层角19相关，与它们各自的值无关。
[0051]从图3中可理解,第一模块15可以与第二模块15合并，同样包括单独的第一和第二板层12a、12b。根据特定实施例，由此产生的的叠层结构10通过连续堆叠各个模块15形成，每个模块15具有至少一个与运行方向17对应的公共轴。尽管至少所述模块15包括两个不同的板层，在其他实施例中，可以设想，该模块可以包括彼此独立的板层12a、12b中的两个或更多个板层。然而，应当理解的是，模块15的厚度通常应该被最小化，并且包括两个独立的板层12a、12b，他们为整个叠层工艺提供了最高程度的灵活性和效率，这将在下文中进一步详细描述。
[0052]子叠层模块15的各种实施例中可以如前面所讨论的那样是预先形成的(例如，缝合的)，包括至少一个第一和一个第二板层12a、12b。至少从图3中可以进一步理解，这样的模块15的另一优点是他们的旋转(例如，翻转和/或折叠)能力，该旋转围绕他们的至少一个与运行方向17 (如图所示，作为一个非限定的例子，第二板层12b的轴是0°轴)对应的公共轴。以这种方式，对于那些试图保持平衡的实施例，将进一步详细描述如下，子叠层模块15可以被翻转，或可选地，只是相对于这个轴折叠，使得第一板层12a的轴独立的沿正(+)和负(_)两个方向。作为一个非限制性的例子，其中第一板层12a沿25°角被定向，将子叠层模块的一层折叠或旋转到它本身上，会形成一个沿在-25。角被定向的第一板层，从而保持最终形成的具有一个[0/+25° /-25° /0]配置的层叠结构体10的整体平衡，适用于特定的应用中。
[0053]应该理解的是，在某些具有旋转模块的实施例中，在任何层数的翻转或折叠之前，必须缝合在该模块(将在下面进一步描述)内的板层，此后必要地缝合两个旋转的模块。当然，它也应该可以理解为，某些实施例中可能不要求平衡，在这种情况下，只有正(+)(或者，可选地，只有负(_))方向的板层12a可以被利用。因此，在至少这些实施例中，子叠层模块15的旋转(例如，翻转或折叠)，是不必要或者甚至是不希望的。另外，在另一些实施例中，它可用于大多数子叠层模块15以保持不平衡，而由此形成的整个层叠结构则通过旋转(例如，折叠或翻转)该模块的确定比例保持平衡，如前文所述。
[0054]应当指出，根据这些包括子叠层模块15的不同实施例，上述叠层(如，堆叠)的优势同样适用于试图在最终形成的叠层结构10上形成锥化表面时。参照图1，可以看出，在现有技术的叠层结构I上形成一个锥化表面，具有它的多个板层、多个板层方向以及中平面对称性，不仅时间和劳动密集，也非常容易出错。特别是，如果一个“顶”层板被放置，则需要放置一个(底部)板以保持对称性；若没有进一步放置将导致结构失衡。另外，没有进一步放置将永久的改变结构I的结构配置，潜在的对与之相关的强度特性产生不利影响。因此，需要去掉额外的板层，通常情况下限制长度和椎体可实现的程度。
[0055]还需要进一步考虑的是，锥化传统结构时，特别是关于独立板层放置的顺序，以及连续的放置之间必须保持的距离。与此相反，在某些具有叠层结构10的实施例中，锥形表面可以通过放置连续的单独或多个子叠层模块15来形成，可适用于特定的应用。对称化，如将在下面进一步描述的，子叠层模块15可在叠层的外侧、操作侧或内侧放置而不考虑对称性。对于那些具有至少16个的子叠层模块15 (在下面进一步描述)的结构中，每个模块都具有0.125毫米的厚度，连续两个模块之间的总距离为1.0毫米。这些和其他实施例中的锥形模块还可以是线性的、非线性的、一维或二维的和/或直角的，其中每一个至少部分地促进了板层损耗程度的减小，否则通常会遇到角度定向的板层模块。
[0056]更进一步，忽视子叠层模块15的位置或数量的下降，叠层结构10的结构配置在整个过程中保持不变。对于图1中的非对称叠层，与图2中的对称(将在下面进一步描述)叠层一样，每个板层放置，例如，最外层-45°的板层的去除，将改变整体叠层结构的固有的配置。由于单独的板层被放置以进行锥化过程，叠层厚度及其特性也会发生改变。图1中传统的非对称设计通常通过在具有精确长度的板层粗纤维上连续准确的放置多个板层来避免这种变化的叠层特性。相反，当至少在图2中所示的各个实施例中的叠层结构10被锥化，每个连续的板层可被放置在任何地方，且使叠层结构保持不变。换句话说，在至少某些实施例中，整体的叠层特点随着板层长度变化，即使没有以往所需要的复杂的锥化过程。
[0057]现在转向图4，继续参考图1，示出了不对称叠层结构10的另外一个相关的优势，即均一性，其中包括，促进了前面所述的锥化过程。特别的，具有双角度和三角度的叠层结构10、110的各种实施例出在图4中被示出，大致相邻于相应的现有技术叠层结构1、210。三角度叠层结构110可参照前文所述的双角度叠层结构10，采用大体相同的配置，区别在于，根据多个实施例，结构110包括前文所述的模块15的“折叠结构”以保持平衡，这在其中是适用的。然而，应该理解，在另一些实施例中，与结构10相比，三角度的叠层结构110的配置可以是部分或全部不同。
[0058]回到图4，作为一个非限制性的例子，将结构110与结构I进行比较，可以看出，当被视为一个整体时，前者改进了均一性。事实上，根据某些实施例，反复交替出现的板层12a、12b实现了完全的均一'I"生。从实际角度看，完全的均一'I"生意味着该结构的结构强度特征在其他特征中是可预测的、可操作的且可作为整体通过叠层结构计算的。与此相反，现有技术中的非均一结构，这样的特性只能在一个板-板基础上处理，不仅产生误差和低效，但也是潜在的有损结构完整性，如前文所述的现有技术中的锥化过程。
[0059]图4中的双角度实施例，用尽可能少的三十二次(32)重复(例如，32个单独的板层)实现接近完全的均一性。在这些包括子叠层模块15的实施方案中，均一性可以通过尽可能少的十六(16)个模块(值得注意的是，仍有32个单独的板层)实现。然而，应当理解，可以通过均一化所需的任意重复数目预测的其他的实施例，与现有技术相比，提供了相对薄和成本优势。在这方面，应该理解的是本发明的各种实施例中，至少部分地基于子叠层模块和不平衡双角度配置，实现具有更薄的叠层结构的完整的均一性，否则在可适用于现有技术中由于至少部分先前所述的限制。
[0060]如将要在下面进一步详细描述的部分中描述的无翘曲结构，根据各种实施例，板层12a、12b可以各种不同的材料和方式形成。但是，在至少某些实施例中，板层12a、12b的厚度至少要小于传统的叠层结构1(例如，2a、2b、2c、2d)的板层厚度的板层的厚度，虽然这种在厚度上的区别没有详细的在各图中示出。这些板层12a、12b的减薄进一步使结构110实现完全的均一性，且具有如前所述的模块和/或板层重复数。
[0061]作为一个非限制性的例子，并且将在下面进一步详细描述，板层12a和12b可以各自具有约0.0625毫米的厚度，其中进一步给他们约75g/m2的重量。当然，更薄或更厚和/或更重或更轻的板层12a、12b有望在其它实施例中实现，这取决于各种考虑因素，如均一性，可适用于特定的应用中。
[0062]现在转向图5，示出了不对称叠层结构10、110的另一个优点，更具体地，即均一化。特别是，双角度和三角度的叠层结构10、110的各种实施例示出弯曲应变(例如，翘曲)的下降程度，这主要是由于比所示出的先有技术中的叠层结构I具有更长的固化时间。作为初始背景，现有技术中的叠层结构I记作[0/±45° ]，先前所述的限制条件要求板层的方向为0° ,45°和-45°。三角度叠层结构110被记作[0/±25° /0]，同样维持+25°和-25°板层的平衡。双角度的叠层结构10被记作[0/25° ]，这将导致不平衡的特征，如本文前面描述的。
[0063]在这些确定和其他的实施例中，弯曲应变或变形的程度，当叠层结构中包含有足够数量板层数目时长期趋近于零。这种关系是进一步与均一化程度相关，这大致对应于接近零的应变或变形。正如从图5中最左边的列中最好地理解，已经知道现有技术中的叠层结构I表现出了最小的翘曲，具有至少72个总厚度为4.5毫米的板层。三角度的叠层结构100(图5中间一列)显示出改进的特性，实现了最小的翘曲，具有约64个总厚度为4.0毫米的板层。与此相反，叠层结构10，如图5中最右边的列中示出，通过现有技术与三角度叠层达到可比较的特性，但仅具有32个板层(或可选地，16个子叠层模块层)和约2.0毫米的总厚度。因此，较少铺层角和/或更薄的板层在子叠层中实现了一个均一化的叠层结构，具有比现有技术更小的总厚度。
[0064]此外，考虑到均一性，现有技术的叠层结构I需要许多更具可比性的板层，高达72层，以大幅消除翘曲。如此高的板层数目，主要是由于先前所描述的对称性、平衡性和10%规则的限制，需要这样的叠层以具子叠层模块，每个(如两每个0° ,45°，-45°中的两个或两个以上)子叠层模块具有6个或更多的板层。由于对示意性的约12个子叠层模块，弯曲应力或翘曲达到最小化，这产生了下文所述的72个独立板层。叠层结构10克服这方面的不足之处，通过将其子叠层模块15的数目减小到两个(而不是6个)，导致仅仅用16个子叠层模块或32个板层，实现了最小的弯曲应变和翘曲。以这种方式，根据各种实施例，叠层结构10的厚度小于传统叠层结构I厚度的一半。至少在图示的实施例中，相对厚度约为2.0毫米和4.5毫米，但在另一些实施例中，各种不同的相对厚度也使可行的。如果没有这样的6个或多板层子叠层模块，这样的比较薄的层叠结构的厚度在这是可行的，另一些实施例中，通过利用无翘曲结构，这在某些实施例中，它本身进一步扩展和变薄，例如，通过机械加工工艺，将在下面进一步详细描述。
[0065]不平衡结构特点
[0066]至少从图3中可以理解，根据各种实施例，多个第一板层12a中的每一个可以相对于多个第二板层12b中的每一个沿第一方向13伸展，其中第二板层12b沿第二方向14伸展。以这种方式，第一和第二板层12a, 12b的相对方向定义一个铺层角19,该铺层角是可变的，这将在本文中进一步描述，以获得某些所需的结构特点。铺层角19的这种操作，可根据各种实施例，基本上将挠曲、旋转以及复合材料膨胀的长期风险最小化，该复合材料由子叠层110形成，该子置层110由所述板层12a，12b形成。
[0067]现在回到图2，根据上下文，应该理解的是，在传统的叠层结构I中，保持正(+)和负(_)方向板层的平衡，或者更确切地说，正和负的铺层角19的数目相等，被认为是至关重要的。这样的配置的，如通常在本领域中所公认的，创建正交和/或各向同性的结构，每一个都表现出固有的“非耦合”的弯曲和扭曲变形。叠层结构具有非耦合的弯曲扭转，而传统上较偏好于他们的类似于以往所用的金属(如铝)的性质，基本上无法利用存在于这类结构中的弯曲和扭转运动之间的动态关系。该动态关系在各种各样的应用中常常被称为“弯曲扭转耦合”，或至少在与航空航天和风力涡轮机相关的应用中被称为“流线型弹性剪裁”。在任何这些和另一些实施例中，应当理解，至少弯曲扭转耦合的剪切耦合组件一般在30°的铺层角时达到最大值。
[0068]作为传统的“不平衡”叠层结构中“非耦合”扭转的一个非限制性示例，考虑至少在图1中所示出类型中的叠层结构I。可以理解，至少部分地从图6A看出，如果在结构I收到一个弯曲力(例如，P)，该结构将只表现出弯曲的性能。将引入无角度扭转(例如，扭转行为)，尽管这些行为在“不平衡”尽管中用于减小单独由弯曲或由弯曲和扭转结合所引起的挠曲程度，这将在下面进一步详细描述。同样地，层叠结构体I所承受的总扭转力(例如，T)，也可以至少部分地从图6A中被理解为，将仅导致扭转行为，由于“非耦合”或弯曲扭转关系的不存在，否则可能损伤或至少部分抵消所施加切应力。
[0069]与传统的叠层结构I平衡配置形成了鲜明对比，根据各种实施例，叠层结构110实质上特意造成不平衡以利用上述位于叠层结构中弯曲和扭转运动之间的动态关系。在某些实施例中，但应当理解，可选地，至少该子叠层模块15 (参见图3)是特意这样失去平衡，以获得这些优点，平衡的层叠结构110可用于某些特定的应用，如前文所述。在至少那些不平衡或平衡的实施例中，该层叠结构110可至少包括一个锐角19。在某些实施例中锐角19可以是近似于+或-25°，而在其他实施例中，锐角19可以是在一定范围内，从约10°至40°，或从月15°至30°，可适用于特定的应用中。在至少那些不平衡的实施例中，锐角19可以是0°和90°之间各种角度中的任何一个，而在至少那些平衡的实施例中，该锐角一般小于45°。
[0070]再次参考图6A和图6B，可以进一步理解的弯曲扭转耦合，一般称为系数Z。根据各种实施例，该系数Z可以通过相对于弯曲角度的扭转角度的增量被定义和分析测量，其中每一个都可以通过参阅查看图6A的三个系列示意图被理解。事实上，作为一个至少被图6A中最右侧的示图所示出的非限制性的实施例，弯曲力P和扭转力T的同时作用在叠层结构110上，根据某些实施例，会形成一个最小的挠曲，甚至0°，这取决于固有铺层角19和结构110的结构材料，将在下面进一步详细描述。在任何这些和其他的实施例中，弯曲扭转耦合的剪切耦合组件一般在铺层角为30°时达到最大值。
[0071]特别的参照图6B，应当理解的是，根据叠层结构110的某些实施例，由于“不平衡”(如前文所述)铺层角19接近一个小于或等于25。的相对较小的角度，耦合弯曲系数Z的效果可以被进一步实现。换句话说，由作用在结构110上的弯曲和扭转运动所产生的挠曲合并的程度，可被操纵以基本上彼此抵消(例如，“零输出”)，可能适用于特定的应用。在其它实施例中，应当理解，可选的，但仍然相对较小的铺层角19 (例如，非限制性实施例中的10°至40°或15°至30° )是所希望的，尽管他们不能完全抵消的作用力。然而，在某些实施例中，这样的铺层角19被证明是有利的，通过提供一个可预测的和可靠的偏离或旋转程度，对于特定的应用是有益的。
[0072]现在转向图7，为一个非限制性例子的用途，可以看出，某些小的和不平衡的铺层角19将由叠层结构110上所施加的弯曲和扭转作用力所引起的挠曲50的程度最小化。如所见到的，铺层角19接近约25°时，挠曲50最小。这些行为中的数学预测，特别是铺层角19的预选在某些应用中被证明是关键的，例如，用于细长结构应用的叠层结构110的制造和结构，例如风力涡轮机叶片、直升机旋翼叶片、飞机机翼表面、等等。作为一个非限制性的实施例，挠曲最小化可使得“细长”的叶片可以更加接近于支撑它们的塔，这样节省了材料成本，增加速度，并有助于增加涡轮兆瓦输出。作为另一非限制的例子，在航空航天和风力涡轮机相关的应用中，最大限度地减少和/或改变“顶端处”挠曲50被证明是关键的，其中，机翼的精确挠曲可能显著影响和/或改变升降力、拖曳力，和/或机翼的整体负载。任何各种其他应用中都可存在，包括转子或其他气动产品的非限制性实施例。
[0073]现在转向图8，一对互补的图，示例性的示出了位于传统的复合叠层结构501 (类似于结构I，如前文所述)和不对称不平衡叠层结构601 (类似于结构10、110，如前文所述)中的微裂纹区510、610。这些图表S示出了各自的第一板层损坏(FPF)区525、625，其中，如在本领域中所公知的，代表所施加作用力的最大程度，其中，该叠层结构中的多个板层中的第一个首先损坏(例如，破裂、脱层等)。该图进一步说明各自的最后板层损坏(LPF)区520、620，如在本领域中所公知的，代表所施加作用力的最大程度，其中，该叠层结构中的多个板层中的最后一个损坏。
[0074]从图8中可以看出，传统结构501的板层在最大施加应力δ:接近400MPa时经历第一板层损坏(FPF)，而最后板层损坏(LPF)直到施加应力δ I约750MPa时才会出现。因此，传统结构，例如501 (另请参阅图1中的I)在第一板层损坏和第二板层损坏之间受到作用力过程中，基体将会产生大范围的裂纹。与此相反，可参考叠层结构601(类似于10和110，如前面所述)，在大约1350MPa时，FPF和LPF几乎同时发生。因此，不仅叠层结构，例如601，的结构完整性和强度很大的提高，显著减少甚至在某些情况下消除了的FPF和LPF之间的差异，最大限度地减少了微裂纹。这也可以形象地看出，在图8中，参照区域510和区域610相关区域的不同，其中后者基本上消除了长期微裂纹存在的可能性，从而提高了结构的强度。一些设计师容忍的微裂纹的存在，并不认为它能损坏复合叠层，而其他设计师认为应选择无微裂纹。根据本发明中的实施例，FPF和LPF几乎同时出现，从而消除了关于是否接受微裂纹的争论。
[0075]无翘曲结构
[0076]根据各种实施例，叠层结构10也可以主要构成非无翘曲结构(NCF)，这在本领域中是公认的，其在成本、操作和性能之间提供了一个可行的平衡。NCF是一类复合材料，它是由具有多个单向的板层，每个板层具有不同的方向，且通过横向拼接工艺连接在一起，至少如图9所示。普遍适用的横向拼接，将独立的板层连接在一起，同时在直接相邻的板层之间的存在最小的自由度。特别的，与其它各种抑制和公认的纤维结构相比，横向拼接的NCF基本上消除了碳结构的翘曲(例如，使其成为无翘曲结构)，由于未对准等因素降低了机械性能，降低了效率。虽然已经描述了一个横向拼接过程，可以利用各种不同的其它过程使独立的板层彼此连接。作为非限制性实施例，板层可以通过其它技术彼此连接，如键合。
[0077]在包括一个横向拼接过程d的各种实施例中，如前面所述，可使用各种类型的纤维，这取决于所需的应用。在某些实施例中，它有利于是用尽可能轻的连接方式拼接纤维。在这些和另一些实施例中，该纤维包括一种通过E5连接的33dtex PES的纤维和3.4毫米长的链点。在这样的实施例中，拼接面积重量是约2.0g/m2。在其它实施例中，可使用各种聚酰胺、聚酰亚胺耐高温纤维中的任何一种。在其它实施例中，拼接应力表、纤维原料及其组合中的任何一种均可以被使用，本发明的范围内，适用于特定的应用。
[0078]在具有NFC的叠层结构10的各种实施例中，独立的单向板层包括单向碳纤维板层和+25°板层。正如前面所描述的，在至少这些实施例中，子叠层模块15可以被形成具有一个单向碳纤维板和一个+25°板，从而促进了“单轴叠层”或可选的用于双轴正常负载的折叠的“双轴叠层”，消除了放置离轴板层的需要。可选的，还有由其它各种材料(例如，玻璃纤维或如铜导线的电导体)和/或相对较窄的角度或方向(例如，类似于在本领域中的公知常识)构成的实施例，提供了前文所述的此处仍有效的限制和参数。作为一个非限制性的例子，在风力涡轮机叶片的环境中，叠层结构10，包括玻璃纤维层而不是碳纤维板层，可应用于成本或其他考虑中，视情况而定。在其它实施例中，杂交可能是可取的，使碳纤维、玻璃纤维、和/或周期性间隔的电导体(例如，作为防雷保护的铜线)及其各种组合中的任何混合物，或其他材料作为板层。
[0079]应当进一步理解,根据各种实施例,叠层结构10的板层12a, 12b可通过进一步扩展的粗碳纤维，或任何所需材料的类似粗纤维形成，如本领域众所公知的，至少相对于平衡的和对称的叠层。至少申请号为2006/0093802的美国专利申请介绍了各种粗纤维的扩展方式，在此处包括并入其全部内容。粗纤维的这种扩展方式使叠层结构10的某些实施例中包括非常薄的板层12a，12b，每一个板层具有约0.0625毫米的厚度和约75g/m2的重量。在这些和其它具有这种板层厚度、均一性的实施例中，如前文所述的，可实现一个总厚度为约
2.0毫米的叠层结构10。然而，应该理解的是，任何板层以及叠层结构的厚度是可预见的，一般是比所述至少比传统的单向纤维更薄，典型厚度约为0.25毫米。
[0080]在更进一步的实施例中，叠层结构10的板层12a，12b，无论以任何材料形成，在厚度上进一步是可变的，适用于某些特定的应用。作为一个非限制性的例子，某些实施例中独立的板层可在任何地方从约0.02毫米变化至0.08毫米，虽然在其它实施例中，板层厚度最多可达0.12毫米，可适用于特定的应用。
[0081]典型结构
[0082]根据各种实施例的叠层结构10，如本文所述，可在各种应用中使用。作为非限制性实施例，例如可包括至少旋转叶片(例如，风力涡轮机，直升机旋翼等)、飞机的表面如机翼和机身、以及各种航空航天器材表面中的任何一个。在所有这些应用中，不仅不对称和/或不平衡的配置是适用的，如前文所述，他们的混合也是可用的。换句话说，虽然10°到约40° (或约15°至25°，或任何小于90°的锐角，视情况而定)的取向已经被描述，某些实施例中可能包含一个或多个方向，这取决于多种因素，如表面的定位。
[0083]作为一个非限制性的例子，一个翼状结构可具有[0/25° ]取向的上部和下部的表面，前端和/或尾部边缘的重叠区域因此具有[0/±25° /0]的取向(例如，对应于子叠层模块的旋转(例如，翻转或折叠)的配置，如本文中前面描述的)。如通常所说的这种“鱼骨”的设计也可以被视为在纵梁上的通道形状，或网上[0/25° ]的部分组合，以及顶部的鱼骨(或反之亦然)可适用于特定的应用中。再有，对于圆柱状的结构，如管道、容器、机身，各种实施方式中，可包括一个具有“ 土螺旋角”的板层方向配置，确切的角度取决于使用的板材料，以及所述负载状况。
[0084]另外，应理解的是，传统独立的用于强化面板(例如，一个机翼或叶片表面部分)各个部分的结构(例如，板层和/或子叠层模块)和表面，根据各个实施例，可被全耦合各向异性元件(例如，叠层结构10)完全取代，如前文所述。在某些实施例中，可以配置整个叠层结构10，使其变为全耦合的和各向异性的，而在其它实施例中，由于是，独立组件(例如，板层和/或子叠层模块15 (例如，板层和/或子叠层模块15)可被彼此独立配置，尽管整个强化板形成的因此不具备全耦合和各向异性。在所述各种实施例的范围内，各种组合和替代可被预见。
[0085]同样存在各种叠层结构(例如，板层和/或子叠层模块)合并的选项。具有板层和/或子叠层模块的结构可被用作干纤维或被树脂预浸溃的(例如，半固化片)。每一个非限制性实施例，作为本领域的公知常识，同样包括树脂转移成型、真空树脂转移成型、加热真空辅助树脂传递模塑(RTM)的非限制性实施例，不包括高压过程，和树脂薄膜浸泡。
[0086]此外，虽然各种改进的锥化工艺已经在前文中描述，应当理解的是，采用的各种工艺中的任何一个，不仅至少部分的改进的基于时间的效率，进一步减少了用于制造具有直角边缘的各种叠层结构的板材料的数量。作为一个非限制性的例子，考虑图1中的叠层结构1，其中包含了多个板层，至少其中一些是在45°或-45°定向。当使用传统的复杂锥化工艺时，这样的板层通常单独放置，相对于本文所描述的改进的子叠层模块。放置时，任何超过椎体位置四周边缘的板材都将被浪费。根据采用市场价格110的锥化工艺，如图2中所示，板不是通过独立的板层，而是通过子叠层模块放置的。并且，根据某些实施例，虽然这样的子的叠层模块包括角度板层的某些部分(例如，在10°至40°，或可选的25° )，这些模块通常具有相对窄的角度，在在锥化结具有方形边缘的叠层结构时将产生较少的浪费，相比以往生产过程的浪费程度。
[0087]结论[0088]这里所述的本发明的许多修正和其它实施例对本领域中的技术人员来说是显而易见的，本发明所述的技术所具有的优点也已经参考附图被详细描述。因此，需要理解的是，本发明不限于所公开的具体实施例，且修正和其它实施例旨在包含于所附的权利要求的范围之内。尽管此处引用了具体的内容，它们被用来解释和说明，而不是解释为本发明的限制。
【权利要求】
1.一种用于形成复合叠层结构的子叠层模块，该子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二方向相对于第一方向偏移；在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90° ,并且确定该子叠层模块的不平衡结构，其中第一层板和第二层板相对固定为以无翘曲结构。
2.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中该锐角小于45°。
3.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中该锐角在大约10°到大约40°的范围内。
4.根据权利要求3所述的子叠层模块，其中该锐角在大约15°到大约30°的范围内。
5.根据权利要求4所述的子叠层模块，其中该锐角大约为25°。
6.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中该第一和第二层板的纤维包括碳纤维。
7.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中该第一层板的纤维包括碳纤维，并且第二层板的纤维包括玻璃纤维，以形成混合的复合结构。
8.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中该子叠层模块进一步包括:第三层板，其包括在第一方向上延伸的纤维；以及第四层板，其包括在第二方 向上延伸的纤维。
9.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中该子叠层模块相对于在第二方向上延伸的轴对折，使得:第一层板形成第一和第四层板层；以及第二层板形成第二和第三层板层，其中第三层板层包括在第二方向上延伸的纤维，以及第四层板层包括在第三方向上延伸的纤维，该第三方向相对于第二方向与该第一方向相反。
10.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中至少该第一层板具有在大约0.020毫米到大约0.080毫米之间的厚度。
11.根据权利要求1所述的子叠层模块，其中至少第一层板具有大约0.0625毫米的厚度和大约75g/m2的重量。
12.一种用于形成复合叠层结构的子叠层模块，该子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维，该第一层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；以及在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90° ,并且确定该子叠层模块的不平衡结构。
13.根据权利要求12所述的子叠层模块，其中该锐角在大约10°到大约40°的范围内。
14.根据权利要求13所述的子叠层模块，其中该锐角大约为25°。
15.根据权利要求12所述的子叠层模块，其中该第一和第二层板的纤维包括碳纤维。
16.根据权利要求15所述的子叠层模块，其中该第一层板的纤维包括碳纤维，并且第二层板的纤维包括玻璃纤维，以形成混合的复合结构。
17.根据权利要求12所述的子叠层模块，其中该子叠层模块进一步包括:第三层板，其包括在第一方向上延伸的纤维，该第三层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；以及第四层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第四层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维。
18.根据权利要求12所述的子叠层模块，其中至少第一层板具有大约0.0625毫米的厚度和大约75g/m2的重量。
19.一种复合叠层结构，该复合叠层结构包括:多个子叠层模块，每个模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二方向相对于第一方向偏移；在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90° ,并且确定该子叠层模块的不平衡结构，其中第一层板和第二层板相对固定为以无翘曲结构。
20.根据权利要求19所述的复合叠层结构，其中多个子叠层模块的每一个具有在大约0.040毫米到大约0.080毫米之间的厚度。
21.根据权利要求19所述的复合`叠层结构，其中该结构包括至少十六个子叠层模块以形成均一复合材料。
22.根据权利要求21所述的复合叠层结构，其中该结构具有大约2.0毫米的厚度。
23.根据权利要求19所述的复合叠层结构，其中包含在多个子叠层模块中的每条纤维位于该第一方向或第二方向上。
24.根据权利要求19所述的复合叠层结构，其中:在该多个子叠层模块的至少第一子集中定义的锐角相对于该第一方向为正方向；以及在该多个子叠层模块中的至少第二子集中定义的锐角相对于第一方向为负方向。
25.根据权利要求24所述的复合叠层结构，其中多个子叠层模块的第一和第二子集的第一方向是相同的。
26.根据权利要求25所述的复合叠层结构，其中该结构包括至少八个子叠层模块以形成均一复合材料。
27.根据权利要求25所述的复合叠层结构，其中该结构具有大约2.0毫米的厚度。
28.根据权利要求24所述的复合叠层结构，其中:该多个子叠层模块的第二子集的第一方向相对于多个子叠层模块的第一子集的第一方向偏离大约90度的角度。
29.根据权利要求28所述的复合叠层结构，其中该结构包括至少八个子叠层模块以形成均一复合材料。
30.根据权利要求28所述的复合叠层结构，其中该结构具有大约2.0毫米的厚度。
31.一种复合叠层结构，该复合叠层结构包括:多个子叠层模块，每个模块包括:第一层板，其包括在第一方向上延伸的纤维，该第一层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；第二层板，其包括在第二方向上延伸的纤维，该第二层板的纤维包括相邻并列的多条伸展的粗纤维；在该第一方向和第二方向之间的相对偏移形成一个锐角，该锐角小于90° ,并且确定该子叠层模块的不平衡结构。
32.根据权利要求31所述的复合叠层结构，其中该锐角在大约10°到大约40°的范围内。
33.根据权利要求31所述的复合叠层结构，其中该锐角在大约15°到大约30°的范围内。
34.根据权利要求31所述的复合叠层结构，其中该锐角大约为25°。
35.根据权利要求31所述的复合叠层结构，其中至少第一层板具有大约0.0625毫米的厚度和大约75g/m2的重量。
36.根据权利要求31所述的复合叠层结构，其中该结构包括至少十六个子叠层模块。
37.根据权利要求31所述的复合叠层结构，其中该结构具有大约2.0毫米的厚度。
38.一种制造用于形成复合叠层的子叠层模块的方法，该方法包括如下步骤:将第一层板放置于第一方向；将第二层板放置于第二方向，该第二方向相对于该第一方向偏离形成小于90°的锐角；将第二层板与第一层板重叠以形成不平衡结构；以及将第一层板与第二层板相互压合成为基本上无翘曲的结构。
39.根据权利要求38所述的方法，其中在放置步骤过程中:第一方向是机器方向；以及该锐角为相对于机器方向在大约10°到大约40°的范围内。
40.根据权利要求39所述的方法，其中该锐角大约为25°。
41.根据权利要求38所述的方法，其中在放置的步骤过程中:该第一方向相对于机器方向偏离大约60° ;以及该第二方向相对于该机器方向偏离大约85°。
42.根据权利要求38所述的方法，其中进一步包括如下步骤:将第三层板放置于第一方向；将第四层板放置于第二方向；将该第三层板与第四层板相邻重叠，以形成不平衡结构；以及将第三层板相对于第二层板和第四层板压合成为基本上无翘曲的结构。
43.一种制造用于形成复合叠层的子叠层模块的方法，所述方法包括如下步骤:伸展包含多条纤维的第一粗纤维，以形成第一层板层；伸展包含多条纤维的第二粗纤维，以形成第二层板层；将该第一粗纤维的多条纤维放置于第一方向上；将该第二粗纤维的多条纤维放置于第二方向上，该第一和第二方向形成一个锐角，该锐角小于90°，并且形成该子叠层层面的不平衡结构；将第二层板层与第一层板层相邻重叠；以及将第一层板层和第二层板层压合成为无翘曲的结构。
44.根据权利要求43所述的方法，其中在放置步骤过程中:第一方向是机器方向；以及该锐角在大约10°到大约40°的范围内。
45.根据权利要求44所述的方法，其中该锐角大约为25°。
46.根据权利要求44所述的方法，其中在放置步骤过程中:该第一方向相对于机器方向偏离大约60° ;以及该第二方向相对于机器方向偏离大约85°。
47.根据权利要求43所述的方法，其中进一步包括如下步骤:伸展包含多条纤维的第三粗纤维，以形成第三层板层；伸展包含多条纤维的 第四粗纤维，以形成第四层板层；将第三粗纤维的多条纤维放置于该第一方向上；将该第四粗纤维的多条纤维放置于第二方向上；将第三层板层和第四层板层相邻重叠；以及将该第三层板层的多条纤维与第二层板层和第四层板层相互压合，以形成基本上无翘曲的结构。
48.一种制造复合叠层结构的方法，所述方法包括如下步骤:形成多个子叠层模块，每个模块包括:第一层板层，其包括在第一方向上伸展的纤维；第二层板层，其包括在第二方向上伸展的纤维；以及在第一方向和第二方向之间相对偏离形成一个锐角，该锐角小于90° ,以及确定该子叠层模块的不平衡结构；将多个子叠层模块相邻重叠；将多个子叠层层面相互固定，以形成基本上无翘曲结构；以及依次叠加相对固定的多个子叠层层面，以形成复合叠层结构。
49.根据权利要求48所述的方法，其中在该形成步骤中:第一方向是机器方向；以及该锐角在大约10°到大约40°的范围内。
50.根据权利要求49所述的方法，其中该锐角大约为25°。
51.根据权利要求48所述的方法，其中在形成步骤过程:该第一方向相对于机器方向形成大约60°的偏离；以及该第二方向相对于该机器方向形成大约85°的偏离。
52.根据权利要求48所述的方法，其中在重叠过程中，多个子叠层模块的每个模块被作为整体定位在第一方向上。
53.根据权利要求52所述的方法，其中多个子叠层模块的每个模块的方向便于进行单轴层叠工艺。
54.根据权利要求48所述的方法，其中多个子叠层模块的每个模块具有在大约0.040毫米到大约0.080毫米的厚度。
55.根据权利要求48所述的方法，其中多个子叠层模块包括十六个子叠层模块，每个模块相互重叠和基本上固定以形成均一复合材料。
56.根据权利要求55所述的方法，其中该基本上均一的复合材料具有大约2.0毫米的厚度。
57.根据权利要求48所述的方法，其中包含在多个子叠层模块的每个模块中的每条纤维定位在第一方向或第二方向上。
58.根据权利要求48所述的方法，其中，在相邻重叠多个子叠层模块的每个模块的步骤之前还包括如下步骤:将多个子叠层模块的每个模块相对于在第二方向上伸展的轴对折，使得:第一层板形成第一和第四层板层；以及第二层板形成第二和第三层板层，其中第三层板层包括在第二方向上伸展的纤维，第四层板层包括在第三方向上伸展的纤维,该第三方向相对于第二方向与第一方向相反。
59.根据权利要求58所述的方法，其中该多个子叠层模块包括八个子叠层模块，每个模块相互重叠和基本上固定，以形成均一复合材料。
60.根据权利要求59所述的方法，其中该基本上均一的复合材料具有大约2.0毫米的厚度。
61.根据权利要求61所述的方法，其中在将多个子叠层模块相邻重叠的步骤之前，进一步包括将多个子叠层模块的至少第一子集相对于第一方向旋转90°的步骤。
62.根据权利要求61所述的方法，其中在第一子集内的多个子叠层模块的每个模块的方向便于进行双轴层叠工艺。
63.根据权利要求48所述的方法，其中在依次重叠该相对固定的多个子叠层层面以形成复合叠层结构的步骤之后还包括如下步骤:依次放置一个或多个相互重叠的多个子叠层模块，以在该复合叠层结构上形成锥形表面，其中依次放置一个或多个子叠层模块不改变该复合叠层结构的材料成分。
64.—种用于形成复合叠层结构的子叠层模块,该子叠层模块包括:第一层板，其包括在第一方向上伸展的纤维；第二层板，其包括在第二方向上伸展的纤维，该第二方向相对于第一方向偏离；以及在第一方向和第二方向之间相对偏离形成一个锐角，该锐角小于30° ,其中该第一层板和第二层板相对固定形成无翘曲结构。
65.根据权利要求64所述的子叠层模块，其中该锐角大约为25°。
【文档编号】B32B5/26GK103429422SQ201180065000
【公开日】2013年12月4日 申请日期:2011年10月12日 优先权日:2011年1月12日
【发明者】史蒂芬·W·蔡, 米歇尔·科格内, 菲利普·萨尼埃尔 申请人:小利兰斯坦福大学理事会, 乔马拉特公司