具有复合物-金属接头的复合结构及其制造方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请是于2012年12月16日提交的未决状态的题为"Composite Structures Having Composite-To-Metal Joints and Method for Making the Same"的美国申请序列 号13/716, 171的部分继续申请并且要求其权益。美国申请序列号13/716, 171是于2010 年8月17日提交的、于2014年2月18日发行的美国专利8,652,606、题为"Composite Structures Having Composite-To-Metal Joints and Method for Making the Same'，的 美国申请序列号12/857,835的分案申请。
技术领域
[0003] 本公开内容总体上涉及复合结构，尤其涉及纤维增强树脂层压板，并且更具体地 涉及具有复合物-金属接头的混合复合件。
【背景技术】
[0004] 结合技术经常用于装配复合结构。在复合结构还需要紧固件的应用中，可能需要 包围紧固件的结构的局部厚度（thickness)或尺寸（gauge)增加，从而承受通过紧固件接 头传递的负荷。当结构的局部厚度增加时，可能需要延长紧固件，从而向结构增加重量。此 外，结构的增加的局部厚度可能增加通过紧固件接头的负荷路径的偏心距，其可以将不期 望的弯曲负荷置于紧固件上。
[0005] 对以上提及的问题的一种解决方案包括在紧固件的区域中将金属配件附接至复 合结构。这些金属配件可以由基本上不可与其接触的碳纤维增强复合物起化学反应的钛或 类似的金属形成。然而，当具体地必须将钛配件形成为复杂形状时，钛配件可能是相对昂贵 的。
[0006] 因此，需要一种复合树脂-金属接头，其可以用于将基本上所有的金属配件与基 本上所有的复合树脂结构连接，其是相对廉价的并且易于制造，并且其可以承受在紧固件 连接点周围传递的负荷。还需要一种复合树脂-金属接头，其基本上避免了所有金属配件 和所有复合树脂结构之间的化学反应。
【发明内容】
[0007] 所公开的实施方式提供一种混合型复合结构，包括纤维增强树脂复合物-金属接 头，其可用于将基本上所有的金属配件与基本上所有的复合树脂结构连接。接头提供复合 结构和金属结构之间的过渡（transition)，其适用于较高性能应用（诸如航空航天交通工 具）。从基本上所有的复合物至基本上所有的金属材料的这种过渡可以降低或消除腐蚀的 可能性和/或源于偏心距造成的问题。在复合结构的叠层期间，由多个复合板层取代金属 板，并且从复合板层至金属板的过渡发生在交错的位置处，从而提供足够的负荷从复合部 分转移至金属部分。交错的过渡导致复合板层和金属板之间的交错，并且建立多条结合线， 其可以减少接头中的裂缝或脱结的出现和/或蔓延。放置在金属板之间的结合剂使板粘着 (bind)且一体化为接近实体的金属配件。
[0008] 根据一个公开的实施方式，提供了一种复合结构，包括纤维增强树脂板层和金属 板叠层的层压叠层。金属板具有与纤维增强树脂板层的边缘交错的边缘，从而形成将纤维 增强树脂板层与金属板连接的复合物-金属接头。
[0009] 根据另一个实施方式，提供了一种混合树脂-金属结构，包括复合树脂部分、金属 部分和树脂部分和金属部分之间的过渡部分。树脂部分包括纤维增强树脂的层压板层，并 且金属部分包括结合的金属板。过渡部分包括层压的板层和金属板之间的交错重叠。
[0010] 根据另一个实施方式，提供了一种混合复合物金属零件。该零件包括纤维增强复 合材料的叠层，其终止于接口位置处。在接口位置处，与复合材料相同厚度的金属板层延续 至该零件的金属边缘，并且在从先前的接口位置交错至零件边缘的复合物-金属接口重复 叠层。结构结合剂的板层放置在金属板层之间，下一个金属-复合物接口交错远离零件边 缘以产生嵌套接合，并且交错的接口堆叠产生嵌套突出部并且延续至全部厚度的零件而没 有一个复合板层完全延伸至零件的边缘。
[0011] 根据又一个实施方式，提供了一种制备复合结构的方法。该方法包括形成具有复 合部和金属部分的多板层复合叠层、以及形成在复合部和金属部分之间的复合物-金属接 头。该方法进一步包括压实并且固化叠层。
[0012] 根据又一实施方式，提供了一种产生混合金属零件的方法。该方法包括放置终止 在接口位置处的至少一个纤维增强复合板层，并且放置相邻的金属板层，在此，金属板层具 有与相邻的纤维增强复合板层基本上相同的厚度。重复放置复合板层和相邻的金属板层的 步骤来形成从先前的接口位置交错至零件边缘的复合物-金属接口。该方法进一步包括放 置在金属板层之间的一板层的结构结合剂，并且重复复合物和金属板层叠层，在此，下一个 金属-复合物接口交错远离零件边缘以产生嵌套接合。
【附图说明】
[0013] 图1是具有复合物-金属接头的复合结构的截面图。
[0014] 图2是包括复合物-金属接头的复合结构的立体图。
[0015] 图3是在图2中被指定为图3的区域的立体图。
[0016] 图4是更好地示出交错在复合板层和金属板之间的接头的截面图。
[0017] 图5是在图4中示出的接头的两个分离层的截面图，还示出在金属板上的膜结合 剂的涂布。
[0018] 图6是通过图5中的两个层形成的接头的一部分的放大的截面图。
[0019] 图7是制造具有在图2至图4中示出的复合接头的复合结构的方法的主要流程 图。
[0020] 图8是示出在图7中示出的方法的额外细节的流程图。
[0021] 图9是制造具有在图2至图4中示出的复合接头的复合结构的另一个方法的流程 图。
[0022] 图10是示出飞机生产和服务方法的流程图。
[0023] 图11是示出飞机的框图。
[0024] 图12A至图12D是描述通过框架和蒙皮形成的结构的截面侧视图的示例性实施方 式，结构包括图12A、图12B、图12C和图12D。图12A是根据示例性实施方式描述的、通过框 架和复合蒙皮形成的结构的截面侧视图；图12B是根据示例性实施方式描述的结构的截面 侧视图，其中结构包括：框架、复合蒙皮、金属蒙皮以及将金属蒙皮连接至复合蒙皮的接合 板；图12C是根据示例性实施方式描述的、包括连接到金属蒙皮的复合蒙皮的结构的截面 侧视图；图12D是根据示例性实施方式描述的、在图12C中描述的结构上金属蒙皮至复合蒙 皮的连接的截面侧视图中的缩放示意图。
[0025] 图13A是根据示例性实施方式描述的、与图12C中描述的结构类似的结构的截面 侧视图，但是在金属板的叠层中具有导电条；图13B是根据示例性实施方式描述的、与图 12C中描述的结构类似的结构的截面侧视图，但是具有集成的加热管道。
[0026] 图14A是根据示例性实施方式描述的、与图12C中描述的结构类似的结构的截面 侧视图；图14B是根据示例性实施方式描述的、在图14A中描述的结构的示例性实施方式的 截面侧视图，但是与图14A不同之处在于，由于金属板的叠层改变了其形状。
[0027] 图15是根据示例性实施方式描述的具有喷嘴的发动机的截面侧视图，喷嘴包含 连接到复合发动机祸轮零部件（section，部分）整流罩的形状记忆合金。
[0028] 图16是根据示例性实施方式描述的将铝结构连接至复合结构的钛复合板层接头 的立体图。
[0029] 图17A是根据示例性实施方式描述的、从图16中的视角17A观看到的金属板的叠 层的钛复合板层接头的立体截面图，其结合有Griesson脱结限制器并且结合至复合层压 板。在图17B中，图17A被修改以示出Griesson脱结限制器的可替换构造。在图17C中， 图17B被修改以示出Griesson脱结限制器的另一个可替换构造。
[0030] 图18是根据示例性实施方式描述的用于将金属蒙皮结合至复合蒙皮而不使用接 合板的过程的流程图。
[0031] 图19是根据示例性实施方式描述的用于抑制在不使用接合板的情况下连接至复 合结构的铝结构的电化腐蚀的处理的流程图。
【具体实施方式】
[0032] 首先参考图1，混合复合结构20包括通过过渡部分25接合到金属部分24的复合 树脂部分22,过渡部分25包括复合物-金属接头26。在所示出的实施例中，复合结构20 是基本上平坦的复合板，然而，结构20可根据应用具有一种或多种曲面、轮廓或其他几何 特征。例如，复合结构20可以包括飞机内部和/或外部轮廓蒙皮（未示出），其借助于穿过 蒙皮20而进入框架28的搭接接头30和紧固件32来固定至飞机的框架28部分。
[0033] 框架28可以包括复合物、金属或其他刚性材料，并且结构20的金属部分24可以 用作适于在框架28和复合部分20之间转移一类负荷和多种类型的负荷的刚性金属配件 24。如下文更详细地所述，金属部分24可以包括任意种类的各种金属，例如而并不局限于， 与复合部分20和框架28基本上不反应且与之兼容的钛。在一个实际的实施方式中，例如而 没有限制，复合树脂部分22可以包括碳纤维增强环氧树脂，金属部分24可以包括钛合金， 并且框架28可以包括铝合金或复合物。过渡部分25和接头26足够强以在复合树脂部分 22和金属部分24之间承载典型类别和类型的负荷，包括但不限于张力、弯曲、扭转和剪应 负荷。虽然所示出的过渡部分25和接头26形成在所有复合树脂部分22和所有金属部分 24之间，但是可以采用它们以接合两个不同的复合结构（未示出）或两个不同的金属结构 (未示出）。
[0034] 参考图1至图4,复合材料板层35的叠层终止在接口位置39处，本文随后提及为 过渡点39,在此，与复合材料板层35基本上相同厚度的金属板或板层37延续至金属部分 24的金属边缘24a，并且叠层在从先前的接口位置39朝向金属边缘24a交错的复合物-金 属接口 39中重复，并且包括在金属板层37之间的结构金属粘合剂45的板层（参见图5和 图6)，下一个金属-复合物接口 39交错远离零件边缘24a以产生嵌套接合板27。产生嵌 套调整片29 (参见图3)的这种交错的接口叠层延续至全部厚度的混合复合结构20,而没有 一个复合板层35完全延伸至所有金属部分24的金属边缘24a。
[0035] 现在也参考图2至图4,结构20的复合树脂部分22包括纤维增强树脂板层35的 层压叠层34,并且结构20的金属部分24包括结合在一起以形成基本上一体的金属结构的 金属板或板层37的叠层36。如图5和图6所不，复合板层35和金属板37被排列在层38 中。层38的每一个包括以基本上边缘-边缘与金属板37之一邻接的一个或多个复合板层 35。因此，层38的每一个在点39处从复合物（即复合树脂板层35)过渡至金属（即金属 板 37)。
[0036] 过渡点39根据预定叠层计划相对于彼此交错，使得板层35和金属板37在过渡部 分25(图1)中彼此重叠。过渡点39的交错建立了多条结合线，其可以降低接头26中的裂 缝或脱结的出现和/或蔓延。过渡点39的交错还导致在接头26内复合板层35和金属板37 的交错形式，接头26在所有复合树脂部分22和所有金属部分24之间形成嵌套接合板27。 这种嵌套接合板27也可以被称为指状结合26、指状接头26或多个台阶搭接接头26。过渡 点39的相邻过渡点在结构20的平面内方向彼此隔开，从而实现表现最佳性能特性（包括 强度和抗诸如裂缝的不一致事件的脱结和蔓延）的结合接头26。在所示出的实施例中，形 成接头26的嵌套接合板27是其中过渡点39沿与最大重叠的通常中心点55相反的方向交 错的双指状接头26形式。然而，包括但不限于，其中多个过渡点39沿单方向交错的单指状 接头，其他接头构造是可能的，。
[0037] 复合板层35可以包括纤维增强树脂，诸如但不限于，可以处于单向预浸料带或织 物形式的碳纤维环氧树脂。包括玻璃纤维的其他纤维增强材料是可能的，并且使用非预浸 渍材料是可能的。复合板层35可具有预定纤维取向，并且根据预定板层计划层叠以满足期 望的性能规格。如之前提及的，结合板37可以包括适用于预期应用的金属（诸如钛）。在 所示出的实施例中，金属板37的叠层36具有总体上基本上等于板层35的层压叠层34的 厚度t2的总厚度tl。然而，在所示出的实施例中，在叠层34相对侧，t2稍微大于tl 一若 干包裹的板层43的厚度。
[0038] 图5和图6示出在图2至图4中示出的接头26的两个邻接层38的细节。在这个 实施例中，每个层38包括具有集体性总厚度T1的四个板层35。相邻层38的各个金属板 37借助于结构结合剂45层结合在一起，结构结合剂45可以包括商用膜结合剂或在叠层处 理期间放置在金属板37之间的其他形式的适宜结合剂。
[0039] 图5中表示为T2的每个金属板37和一层结合剂45的组合厚度基本上等于层38 中的复合板层35的厚度T1。虽然未在图中示出，但是薄膜结合剂可以放置在板层35之间 来增加层间结合强度。在一个实际的实施方式中，可以使用钛合金金属板37,其各自具有 近似0. 025英寸厚度，膜结合剂45可以是近似0. 005英寸厚，并且可以在每个层38中使用 具有集体总厚度约〇. 030英寸的四个复合碳纤维环氧树脂板层35。根据应用，可以使用除 钛之外的金属。相邻过渡点39之间的距离、并且因此层38之间的重叠长度、以及复合板层 35的厚度和数量与金属板37的厚度将取决于具体应用的要求和其他可能的性能规格，具 体应用的要求包括通过接头26传递的负荷的类型和大小。
[0040] 在复合物和金属部分22、24(图1)的两种不同材料之间的接头26的不同层38分 别提供结构20,其很好地符合利用嵌入或安装的传感器（未示出）进行的结合质量的无损 评估。结构超声波（未示出）可以在金属部分24的边缘处、在复合部分22处或在过渡部 分25中引入结构20。这些超声波通过由金属板37和在复合板层35和金属板37之间的接 口（未不出）形成的波导而传播。放置在结构20中的基于MEMS的（微机电）传感器、薄 压电传感器（未示出）或其他变换器可以用于接收结构超声波，从而分析接头26中的结合 线的状况。
[0041] 现在参考图7, 一种制造复合结构20的方法包括：如在65处所示的，形成多层复 合叠层。形成叠层包括在步骤67处层叠复合树脂部分22、以及在69处层叠金属部分24。 如在71处所示的，形成叠层的步骤65进一步包括在叠层的复合树脂部分和金属部分之间 形成复合物-金属接头。
[0042] 图8示出在图7中示出的方法的额外细节。在步骤40处开始，将各个金属板37 修整为期望的尺寸和/或形状。接下来在42处，通过适宜处理来制备金属板37的表面，适 宜处理可以包括利用溶剂清洁金属板37、对其干燥等。然后，在44处，通过以由预定板层计 划（未示出）确定的顺序层叠金属板37和复合板层35来装配叠层，预定板层计划包括在 每一层38中的板层35和金属板37之间的过渡点39的预定交错。
[0043] 在叠层处理期间，金属板37像板层被排列为叠层，更像复合板层在传统叠层处理 中被排列为叠层。如在步骤46处所示的，结合剂可以因引入（introduced)金属板37之 间，从而将它们结合在一起成为一体的金属结构。类似地，虽然未在图8中示出，但是